Оценка потенциала геотермальной энергии для дополнения ветровых и солнечных энергетических систем

Устойчивая энергия под нашими ногами: может ли геотермальная энергия решить проблему прерывистости ветра и солнца?

В глобальном переходе на возобновляемую энергию доминируют две технологии: ветряные турбины и солнечные фотоэлектрические панели. Их быстрое снижение стоимости и масштабируемость сделали их основой усилий по декарбонизации во всем мире. Тем не менее каждый оператор сети знает фундаментальную слабость этих источников: они прерывистые. Солнце не всегда светит, а ветер не всегда дует. Батареи и гидронакачивающиеся системы могут хранить энергию часами, но сезонные и многодневные разрывы остаются дорогостоящей задачей. В этот разрыв входят более старые, менее яркие технологии: геотермальная энергия. Используя постоянное тепло внутренней части Земли, геотермальные электростанции могут работать 24/7, независимо от погоды. В этой статье оценивается реалистичный потенциал геотермальной энергии для дополнения ветровых и солнечных энергетических систем, рассматривая технические, экономические и географические факторы, которые определят ее роль в полностью возобновляемой сети.

Как работает геотермальная энергия: от горячей скалы до базовой нагрузки

Обычные гидротермальные ресурсы

Традиционная геотермальная энергия полагается на естественные резервуары горячей воды или пара, захваченного в проницаемой скале. Уэллс пробурен тысячи футов в землю, чтобы использовать эти ресурсы. Горячая жидкость выводится на поверхность, где ее тепловая энергия преобразуется в электричество через паровые турбины. Есть три основных типа установок: сухой пар (использует пар напрямую), флеш-пар (горячая вода высокого давления вспыхивает в пар) и бинарный цикл (горячая вода проходит через теплообменник, чтобы вскипятить вторичную рабочую жидкость). Ключевое физическое преимущество заключается в том, что внутренняя часть Земли остается горячей круглый год, поэтому выход почти постоянен, с коэффициентами мощности, часто превышающими 90% - намного выше, чем 20-40%, типичные для ветра и солнца.

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

Большая часть геотермального тепла Земли заперта в горячей, сухой породе, в которой отсутствует естественная вода или проницаемость. Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) являются инженерным подходом, который впрыскивает воду в горячую породу, разрушает образование, а затем перекачивает нагретую воду обратно. Эта технология значительно расширяет географический диапазон геотермальной энергии, что делает ее потенциально жизнеспособной в любом месте с достаточным количеством подземного тепла - в том числе в регионах, далеких от границ тектонических плит. По оценкам Министерства энергетики США, EGS может обеспечить более 100 ГВт конкурентоспособной по стоимости мощности только в Соединенных Штатах к 2050 году. Ранние пилотные проекты, такие как участок FLT:0 в Юте, демонстрируют техническую осуществимость, хотя коммерческое развертывание остается на несколько лет.

Почему геотермальные дополнения так хорошо дополняют солнечный и ветровой

Надежность базирования без хранения

Основное ценностное предложение геотермальной энергии простое: она обеспечивает базовую нагрузку, которую не могут обеспечить ветровая и солнечная. Одна геотермальная установка может работать на стабильной мощности в течение десятилетий с минимальной деградацией. В сочетании с переменными возобновляемыми источниками энергии она устраняет необходимость в массивном хранении аккумуляторов для покрытия спокойных, темных периодов. Например, сетке с 40% солнечной и 40% ветровой энергии может потребоваться достаточное хранение для обработки от трех до пяти дней низкой генерации. Добавление всего 10-15% геотермальной мощности может резко снизить это требование к хранению, снижая системные затраты.

Дополнительные сезонные профили

Во многих умеренных климатических условиях солнечная генерация достигает пика летом, а ветровая генерация часто достигает пика зимой. Геотермальное производство по существу является плоским круглый год. Это означает, что геотермальная энергия может заполнить пробел в летние вечера (когда солнечная энергия падает, но нагрузка на кондиционирование воздуха остается высокой) и во время зимних спокойных периодов, когда ветровые турбины простаивают. Интеграция геотермальной энергии с ветровой и солнечной создает более сбалансированный годовой профиль генерации, уменьшая потребность в избыточной мощности или долгосрочном сезонном хранении.

Инерция сети и частотное регулирование

Современные энергосистемы требуют инерции — вращающейся массы крупных генераторов, стабилизирующих частоту при внезапных изменениях нагрузки или генерации. Ветровые и солнечные инверторы обеспечивают синтетическую инерцию, но на более низких уровнях. Геотермальные установки с их вращающимися турбинами предлагают естественную инерцию и также могут наращивать выход в течение нескольких минут (в ограниченной степени). Это делает их отличными партнерами для сетей с высоким проникновением ресурсов на основе инвертора, улучшая общую стабильность и снижая риск отключений.

Экономические реалии: конкурентоспособность затрат и уравненные сравнения

Капитальные затраты vs. операционные затраты

Единственным самым большим барьером для геотермального развертывания являются первоначальные капитальные затраты. Буровые скважины могут стоить 5-10 миллионов долларов за скважину, а установка мощностью 50 МВт может потребовать нескольких скважин. Общие установленные затраты на обычные геотермальные скважины обычно варьируются от 2500 до 6000 долларов за кВт, по сравнению с 1000-1500 долларов за кВт для солнечной энергии в коммунальном масштабе и 1300-2200 долларов за кВт для берегового ветра. Однако эксплуатационные расходы геотермальных скважин низкие - топливо бесплатное, техническое обслуживание скромное, а установка может работать в течение 30-50 лет. При выравнивании (LCOE) геотермальная скважина может быть конкурентоспособной на уровне 60-80 долларов США / МВтч в хороших местах, что сопоставимо с природным газом комбинированного цикла и дешевле, чем морской ветер или солнечное хранение на многих рынках.

Снижение затрат за счет технологий и снижения рисков

Проекты исследования GeoVision Министерства энергетики, которые с продолжением НИОКР, улучшенными методами бурения (например, используемыми в нефти и газе) и оптимизированными разрешениями, геотермальная LCOE может упасть до 45 долларов США / МВтч к 2030 году. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) [FLT: 1] показала, что интеграция геотермальной энергии с солнечной тепловой или биомассы может еще больше улучшить экономику, разделяя инфраструктуру и увеличивая использование установок. Инновационные бизнес-модели, такие как геотермальная теплота как услуга и лизинг буровых установок, также снижают риск для разработчиков.

Географические ограничения и потенциал конкретного сайта

Кольцо огня и за его пределами

Сегодняшняя коммерческая геотермальная энергия сосредоточена в тектонически активных регионах: Западные Соединенные Штаты, Исландия, Индонезия, Филиппины, Кения и Новая Зеландия. Эти районы имеют мелкие источники тепла вблизи поверхности. Большая часть Европы, Восточной Азии и восточной части США не имеют таких ресурсов, ограничивая обычную геотермальную энергию небольшой частью земной площади. Однако EGS может открыть огромные новые регионы. В докладе 2023 года от Международного энергетического агентства (МЭА) [FLT: 1] оценивается, что EGS может удовлетворить до 15% мирового спроса на электроэнергию к 2050 году, с самым высоким потенциалом в таких странах, как Китай, Индия, Соединенные Штаты и части Африки.

Совместное размещение с ветряными и солнечными фермами

Геотермальные установки обычно требуют бурения на месте, но площадь земли на МВт очень мала - часто менее 1 акра на МВт для солнечной энергии и 5-10 акров на МВт для ветра. Это позволяет совместно размещать геотермальные электростанции с ветряными или солнечными фермами на одном участке земли, совместно использовать линии электропередач, подъездные пути и оперативный персонал. Такие гибридные установки могут уменьшить сокращение и улучшить интеграцию сетки. Например, ветрово-солнечно-геотермальный гибрид в Великом бассейне США может вырабатывать почти постоянную энергию из смеси источников, все с использованием одного соединения.

Тематические исследования в гибридных возобновляемых системах

Исландия: почти 100% возобновляемая энергия с помощью геотермальной и гидроэнергетики

Исландия производит более 25% своей электроэнергии из геотермальной и остальной части от гидроэнергетики, с небольшим вкладом ветра. В то время как ветер и солнечная энергия незначительны, исландская модель показывает, что источник возобновляемой энергии с базовой нагрузкой (геотермический плюс гидро) может питать всю современную экономику. Страна не нуждается в хранении; геотермальная обеспечивает гибкость, регулируя производство от нескольких заводов. Для стран с аналогичными ресурсами геотермальная энергия может быть основной основой, с ветровой и солнечной добавленной в качестве вторичной мощности.

Кения: Геотермальная энергия как основа для роста солнечной и ветровой энергии

Кения имеет одну из самых высоких долей геотермальной энергии в мире (более 800 МВт из общей сети ~ 2900 МВт). По мере расширения ветровых и солнечных проектов геотермальная энергия обеспечивает твердую мощность, необходимую для обеспечения стабильности. Только геотермальный комплекс Олкария производит достаточно энергии для покрытия базовой нагрузки всей страны. Новые ветряные электростанции в регионе озера Туркана и солнечные электростанции в Гариссе извлекают выгоду из этой прочной основы, и сеть может поглощать их переменную мощность без крупномасштабного хранения.

США: Геотермально-солнечный гибрид в Стиллуотер

В Неваде гибридная установка Stillwater сочетает в себе геотермальную двойную установку мощностью 33 МВт с солнечной фотоэлектрической решеткой мощностью 26 МВт и концентрированной солнечной тепловой системой мощностью 2 МВт. Завод демонстрирует, как геотермальная энергия может компенсировать солнечную изменчивость: днем солнечная энергия уменьшает ничью на геотермальном резервуаре; ночью и в пасмурные дни геотермальная энергия увеличивается для удовлетворения спроса. Эта конфигурация достигла коэффициентов мощности до 95%, что намного выше того, что может достичь любая технология. Аналогичные гибридные проекты разрабатываются в Калифорнии и Орегоне.

Преодоление препятствий: бурение, разрешение и общественное восприятие

Риск бурения и смягчение

Геотермальное бурение несет в себе высокий геологический риск — скважины могут быть сухими или иметь более низкую температуру, чем ожидалось. Этот риск затрудняет финансирование. Решения включают использование передовой сейсмической визуализации (заимствованной из разведки нефти и газа) и разработку стандартизированных протоколов бурения. Другой подход — «геотермальное разведка» с использованием государственно-частного партнерства, где правительственные учреждения финансируют разведочные скважины для снижения риска частных инвестиций. Национальное энергетическое управление Исландии успешно сделало это.

Разрешение и экологические проблемы

Геотермальные установки могут выделять небольшое количество сероводорода и углекислого газа (хотя и гораздо меньше, чем ископаемое топливо). Сейсмичностью, вызванной впрыском жидкости EGS, необходимо тщательно управлять, как видно из проекта EGS в Базеле, Швейцария, который вызвал незначительное землетрясение. Однако современные системы мониторинга и светофора позволяют безопасную работу. Разрешение на геотермальные часто находится между правилами добычи полезных ископаемых и электростанций, создавая бюрократические задержки. Упорядочение этих процессов - как попыталось Бюро управления земельными ресурсами США с категорическими исключениями - имеет важное значение для быстрого развертывания.

Общественное принятие и участие сообщества

Во многих регионах геотермальные технологии незнакомы по сравнению с ветровыми и солнечными. Сообщества могут беспокоиться об использовании воды (хотя современные бинарные установки используют системы замкнутого цикла) или визуальных воздействиях (топливные и трубные системы менее навязчивы, чем ветряные турбины или солнечные поля). Раннее участие сообщества, прозрачные оценки воздействия на окружающую среду и совместное использование выгод (например, распределение доходов для местных органов власти) могут оказать поддержку. В Кении геотермальные установки обеспечили рабочие места и доступ к местной электроэнергии, заработав сильную общественную поддержку.

Поддержка политики, необходимая для раскрытия дополнительного потенциала

Тарифы на корма и стандарты возобновляемых портфелей

Многие страны добились высокого проникновения ветра и солнца благодаря тарифам на питание и стандартам портфеля. Геотермальные, однако, часто не имеют конкретных стимулов. Политики могут принять «твердые возобновляемые» кредиты или вырезки в рамках стандартов портфеля возобновляемых источников энергии, которые требуют минимального процента от диспетчерских источников, таких как геотермальные. Германия, например, предоставляет бонус за геотермальную электроэнергию через свой Закон о возобновляемых источниках энергии (EEG).

Снижение рисков для ранних проектов EGS

Усовершенствованные геотермальные системы требуют более высоких первоначальных инвестиций. Правительства могут поддерживать проекты первого в своем роде через кредитные гарантии, грантовые программы и государственные инвестиции в демонстрационные установки. Программа пилотных демонстраций EGS Министерства энергетики США (финансируемая Двусторонним законом об инфраструктуре) направлена на доказательство коммерческой жизнеспособности на четырех-шести объектах к 2025 году. Программа Еврокомиссии Horizon Europe имеет аналогичные инициативы.

Интеграция и системное планирование

Коммунальные предприятия и операторы сетей должны включить геотермальные технологии в долгосрочные планы по использованию ресурсов. Это означает признание их ценности не только как источника энергии, но и как ресурса мощности, который вытесняет необходимость в установках газовых пикеров и крупных аккумуляторных фермах. В таких штатах, как Калифорния, Комиссия по коммунальным услугам начала требовать, чтобы портфели возобновляемых источников энергии включали по крайней мере некоторые «твердые и диспетчерские» источники, которые геотермальные источники могут заполнять.

Оригинальное название: The Bottom Line: A Necessary Piece of the Puzzle

Ветроэнергетика и солнечная энергетика достигли необычайного прогресса, но они не могут делать эту работу в одиночку. 100% возобновляемая сеть, которая опирается только на переменные источники плюс кратковременное хранение, будет чрезвычайно дорогой и может угрожать надежности во время экстремальных погодных явлений. Геотермальная энергия - как обычная, так и расширенная - предлагает проверенное решение с базовой нагрузкой, которое естественным образом дополняет ветер и солнечную энергию. Его способность обеспечивать прочную мощность, инерцию и сезонную стабильность делает его идеальным партнером. Расходы падают, технология развивается, и потенциал огромен. Сейчас необходима политическая воля, разумная политика и инвестиции в разведку.

Для операторов флота и менеджеров по энергетике, рассматривающих переход на возобновляемые источники энергии, сообщение ясное: геотермальная энергия заслуживает серьезного места в портфеле. В сочетании с ветровой и солнечной энергией она может обеспечить надежную, чистую и экономически эффективную энергию, которую требуют современные операции. Тепло под нашими ногами ждало своего момента — этот момент, возможно, наконец наступил.