Достижения в области решений для хранения тепловой энергии с использованием геотермального тепла

Геотермальная энергия уже давно признана стабильным низкоуглеродным ресурсом. Однако одним из ее исторических ограничений было несоответствие между производством тепла и пиковым спросом. Последние достижения в области хранения тепловой энергии (TES), интегрированные с геотермальными системами, устраняют этот барьер, позволяя коммунальным предприятиям, промышленным объектам и сетям централизованного теплоснабжения улавливать избыточное тепло и выпускать его именно тогда, когда это необходимо. Эти разработки имеют решающее значение, поскольку сети поглощают более переменные возобновляемые источники энергии и поскольку на отопление и охлаждение приходится почти половина мирового конечного потребления энергии.

Как работает геотермальное термоэнергетическое хранилище

Геотермальная ТЭС хранит избыточную тепловую энергию из геотермальных источников — либо природной горячей воды / пара, либо тепла, извлекаемого через системы замкнутого цикла — для последующего использования. Это отделяет производство энергии от потребления, позволяя непрерывную, диспетчеризируемую доставку тепла, даже когда геотермальная продукция колеблется или спрос на пики. Принцип прост: впрыскивать тепло в подземный резервуар или среду хранения в периоды низкого спроса, а затем извлекать его позже. На практике инженерные проблемы вокруг удержания тепла, целостности резервуара и стоимости решаются с помощью инноваций.

В ландшафте доминируют три основные конфигурации хранения: хранение тепловой энергии водоносного горизонта (ATES), хранение тепловой энергии скважины (BTES) и хранение пещеры или ямы. Каждый из них имеет различные геологические требования и эксплуатационные характеристики.

Аквиферное термоэнергетическое хранилище (ATES)

ATES использует природные подземные водоносные горизонты как в качестве среды хранения, так и в качестве теплообменного резервуара. Как правило, пробурена пара скважин — одна для закачки теплой воды во время зарядки, другая для извлечения во время сброса. Сам водоносный горизонт обеспечивает объем хранения. Последние достижения включают конструкции замкнутого цикла ATES, которые минимизируют геохимические реакции, такие как масштабирование и коррозия, и интеграцию алгоритмов прогностического управления, которые оптимизируют циклы впрыска / извлечения. В Нидерландах, где системы ATES развернуты в масштабе, новые проекты обычно достигают сезонной эффективности хранения 70-90%.

Буровая термоэнергетическая система хранения (BTES)

BTES использует массивы вертикальных скважин - часто от 100 до 300 метров в глубину - заполненных теплообменной жидкостью, циркулирующей через трубопровод U-петли. Окружающая порода или почва действует как среда хранения. Инновации в высокотеплопроводящих заливках и материалах с обратной засыпкой, усиленных графитом, значительно улучшили скорость теплопередачи. Более крупные поля BTES, такие как в Солнечном сообществе Drake Landing в Канаде (которое хранит солнечное тепло сезонно), демонстрируют, что аналогичные принципы применяются непосредственно к геотермальному хранению тепла, с интервалом между скважинами и глубиной, оптимизированной для геологии конкретного участка.

Рок-пещера и пит-хранилище

Там, где водоносные горизонты непригодны, инженерные пещеры, раскопанные в скальных или ровных ямах, могут хранить горячую воду или пар при высоких температурах (до 200 ° C). Достижения в изолированных бетонных накладках и гибких мембранных технологиях снизили скорость потери тепла до менее 1% в день, что делает долгосрочное хранение жизнеспособным. В австрийском городе Тейс с 2019 года эксплуатируется хранилище в 50 000 м3 ям, связанное с геотермальной сетью централизованного отопления, сохраняя летний избыток для зимнего спроса.

Последние технологические прорывы

Три области инноваций являются движущей силой повышения производительности и снижения затрат во всех типах хранения: улучшенные теплообменники, интеллектуальный мониторинг и контроль, а также гибридные подходы, которые сочетают геотермальную ТЭС с дополнительными технологиями.

Улучшенные скважинные теплообменники

Обычные полиэтиленовые U-трубки заменяются коаксиальными конструкциями и термоулучшенными материалами. Нержавеющие гофрированные трубки, например, увеличивают турбулентность и теплообменник при сопротивлении масштабированию. Коаксиальные теплообменники снижают падение давления и могут повысить тепловой выход на 20-30% по сравнению со стандартными конфигурациями двойного U. Производители также выкатывают предварительно собранные, проверенные заводом буровые агрегаты, которые сокращают время установки и снижают риск дефектов затирки.

Умные системы мониторинга и контроля

Распределенное датчик температуры (DTS) с использованием волоконно-оптических кабелей, установленных вдоль корпусов скважин, теперь обеспечивает температурные профили в реальном времени на всей глубине. В сочетании с датчиками Интернета вещей (IoT) для скорости потока, давления и химии воды операторы могут динамически регулировать графики зарядки и разрядки. Алгоритмы машинного обучения прогнозируют тепловые нагрузки и оптимизируют скорости насоса, положения клапанов и температуры впрыска. Результат: улучшение общей эффективности системы на 10-15%, а также раннее обнаружение ухудшения производительности.

Гибридные решения для хранения

Интеграция геотермальной ТЭС с другими носителями хранения может преодолеть температурные ограничения. Например, система может хранить тепло средней температуры (50-90 ° C) в водоносном горизонте для нагрева помещений, используя расплавленную солевую петлю или материалы фазового изменения (PCM) для высокотемпературной промышленной теплоэнергетики или производства электроэнергии. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) выделило гибридные геотермальные системы ПХМ в качестве экономически эффективного пути к хранению на 300 ° C +. Ранние пилоты в Германии и Исландии показывают эффективность в оба конца выше 85%.

Основные преимущества Advanced Geothermal TES

Эти технологические скачки приводят к измеримым преимуществам для разработчиков энергетических проектов, коммунальных служб и конечных пользователей.

Повышенная эффективность и фактор мощности

Храня избыточное тепло в периоды низкого спроса, геотермальные установки могут работать при более высоких коэффициентах мощности, часто превышающих 90%, а не сокращаться. Сезонное хранение позволяет теплу, производимому летом, удовлетворять зимние нагрузки на отопление, эффективно превращая ресурс базовой нагрузки в диспетчерский. Эффективность современных систем ATES и BTES в настоящее время конкурирует с обычными тепловыми установками, работающими на природном газе, на основе источника на место.

Улучшенная надежность и сетевые услуги

Геотермальная ТЭС может обеспечить прочную, гибкую мощность для сетей централизованного отопления, уменьшая зависимость от газовых котлов пиковой нагрузки. В холодном климате накопленное тепло может выделяться в течение нескольких дней для покрытия экстремальных погодных явлений. В сочетании с тепловыми насосами накопленное геотермальное тепло также может поддерживать программы реагирования на стороне спроса, помогая сбалансировать электрические сети с высоким проникновением возобновляемых источников. Министерство энергетики США в сочетании с ТЭС может сократить пиковый электрический спрос на отопление до 50%.

Снижение затрат в течение срока службы системы

В то время как первоначальные капитальные затраты на бурение, теплообменники и системы управления остаются значительными, более длительный срок службы оборудования (40 лет для хорошо обслуживаемых скважинных массивов) и сокращение технического обслуживания из современных материалов снижают уравновешенную стоимость хранимого тепла. Европейский совет по геотермальной энергии сообщает, что в сочетании с операционной экономией от избегаемых закупок топлива, передовые геотермальные ТЭС могут достичь периодов окупаемости 5-8 лет для приложений централизованного отопления.

Экологические и нормативные преимущества

Геотермальная ТЭС устраняет выбросы прямого сгорания и снижает углеродный след отопления на 70-90% по сравнению с природным газом. Она также позволяет избежать конфликтов землепользования, связанных с поверхностным хранением, и может быть развернута под существующей инфраструктурой. Многие юрисдикции, включая Германию и Нидерланды, теперь включают подземное тепловое хранение в свои стимулы для возобновляемого отопления и зеленые облигации.

Вызовы и путь вперед

Несмотря на сильный импульс, сохраняются значительные препятствия. Геологическая изменчивость означает, что каждый участок требует тщательной разведки - сейсмических исследований, испытательного бурения и гидрогеологического моделирования - добавляя месяцы к графикам проекта. Регулирующие рамки для подземного термического хранения все еще развиваются, особенно в отношении прав на пространство подповерхностных пор и защиту подземных вод. Стоимость бурения остается доминирующим капитальным расходом; новые методы бурения, заимствованные из нефти и газа, такие как спиральные трубы и улучшенные буровые долота, адаптируются к более низким затратам.

Приоритеты исследований включают разработку стандартизированных модульных конструкций буровых массивов, улучшение долгосрочного удержания тепла в формациях с низкой проницаемостью и создание инструментов моделирования с открытым исходным кодом для точного прогнозирования производительности. Международная геотермальная ассоциация (IGA) запустила специальную рабочую группу по термическому хранению для координации этих усилий.

Будущее и масштабирование

Прогнозы рынка Bloomberg New Energy Finance предполагают, что глобальные геотермальные мощности TES могут вырасти с примерно 2 ГВт сегодня до 25 ГВт к 2035 году, что обусловлено главным образом централизованным отоплением в Европе и Северной Америке, а также промышленным спросом на тепло в Китае. Пилотные проекты по сочетанию геотермальных TES с концентрированной солнечной энергией и биомассой уже осуществляются в Испании и США.

Достижения в области цифрового побратимства, где виртуальная модель системы хранения в реальном времени постоянно обновляется данными датчиков, позволят операторам оптимизировать графики зарядки / разрядки и прогнозировать потребности в обслуживании. Связь геотермальной TES с искусственным интеллектом может обеспечить дальнейшее повышение эффективности, что сделает технологию конкурентоспособной с литий-ионными батареями для суточной перегрузки тепловой нагрузки при доле капитальных затрат за кВтч сохраненной емкости.

В конечном счете, созревание геотермального хранения тепловой энергии представляет собой жизненно важную часть головоломки декарбонизации - способ хранения тепла дешево, в масштабе, под землей, с использованием технологии, которая уже доказана. С продолжающимся сотрудничеством между исследовательскими институтами, энергетическими компаниями и политиками, геотермальный сектор TES позиционируется как краеугольный камень глобального перехода на чистую энергию.