利用地热热热热热热热储存解决方案的进展

地热能源长期以来一直被认为是稳定、低碳的资源。但历史上的一个局限性是热生产和热峰需求之间的不匹配。最近与地热系统相结合的热能储存(TES)的进步正在消除这一障碍,使公用事业、工业设施和地区供热网络能够捕捉剩余热量,并在需要时释放剩余热量。这些发展至关重要,因为电网吸收了更多可变可再生能源,加热和冷却占全球最终能源消费的近一半。

地热热能源储存如何运作

地热技术服务项目储存地热源的超热能,无论是自然产生的热水/蒸汽,还是通过封闭式热水系统提取的热能,供以后使用。这种技术服务将能源生产与消费脱钩,即使在地热输出波动或需求激增时,仍允许连续、可调度的热量输送。原理很简单:低需求期将热量注入地下水库或储存介质,然后在以后提取。实际上,围绕热保温、水库完整性和成本的工程挑战正在通过创新来解决。

三种主要储存结构在地貌上占主导地位:含水层热能储存、井眼热能储存、洞穴或坑穴储存,每种都具有不同的地质要求和性能特征。

含水层热能储存(ATES)

含水层和含水层系统利用天然地下水含水层作为储存介质和热交换库。典型的情况是,钻井一对,一对用于充电时注入暖水,另一口用于排水时提取。含水层本身提供储存量。最近的进展包括封闭式含水层和含水层系统设计,将地球化学反应最小化,如缩放和腐蚀,以及整合优化注入/提取循环的预测控制算法。在荷兰,含水层和含水层系统的规模部署,新项目通常能实现70-90%的季节性储存效率。

热能储存(BTES)

环境、环境和环境服务部使用垂直钻孔阵列——往往在100至300米深处——填充热液,通过U ⁇ loop管道流通,周围岩石或土壤充当储存媒介,高热导流和石墨增强回填材料的创新大大提高了热传导率,较大的环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、环境、

岩洞和坑储

在含水层不适宜时,经过工程建造的洞穴——在岩石或有线坑中挖掘——可以在高温下储存热水或蒸汽(最高200°C),隔热混凝土衬垫和软膜技术的进步使热损失率减少到每天不足1%,使长期储存可行,奥地利的Theiß镇自2019年以来运行了一个与地热区供暖网相连的50000 ⁇ m3坑储存,储存夏季剩余量,以备冬季需求。

高级地热技术教育项目的主要效益

这些技术飞跃转化为能源项目开发者、公用事业和终端用户的可衡量优势。

提高效率和能力因素

通过在低需求时期储存过热,地热工厂的运行能力往往超过90年,而不是被削减。季节性储存允许夏季生产的热量满足冬季的供暖负荷,有效地将基载资源转化为可调度资源。现代的ATES和BTES系统的效率现在与传统的天然气燃热工厂相比,在源的基础上是相对的。

增强可靠性和网格服务

地热TES可以为地区供热网提供坚实,灵活的容量,减少对峰值负荷燃气锅炉的依赖。在寒冷气候中,储存的热量可以在几天内释放出来,以覆盖极端天气事件。与热泵相结合,储存的地热热还可以支持需求方反应方案,帮助平衡电网与高可再生渗透度。美国能源部[指出地热热热泵与TES相结合,可以将峰值供热电需求削减50%。

系统寿命期间的减少费用

钻探、热交换和控制系统前期资本成本仍然很高,但设备寿命(良好维护的钻井阵列为40年以上)以及先进材料维护费的减少降低了储存热量的平整成本。欧洲地热能源理事会的报告加上避免购买燃料而节省的业务成本,先进的地热TES可以实现5-8年的地区供暖应用回报期。

环境和管理优势

地热TES可以消除直接燃烧排放,将加热碳足迹与天然气相比减少70—90 % 。它还可以避免与地表储存相关的土地使用冲突,并可以部署在现有基础设施下。包括德国和荷兰在内的许多法域现在都在其可再生加热激励和绿色债券框架中纳入地下热储存。

挑战和前进道路

尽管势头强劲,但仍然存在重大障碍,地质变化意味着每个地点都需要彻底的勘探——地震调查、试验钻探和水文地质模型的制作——在项目时间表上增加几个月,地下热储存的管制框架仍在演变,特别是在地下孔隙空间和地下水保护的权利方面,钻探费用仍然是主要的基本开支;从石油和天然气中借用的新钻探技术,如螺旋管和改良钻头,正在根据较低的成本加以调整。

研究重点包括开发标准化模块式井眼阵列设计,改进低渗透层的长期热保留,以及创建开源模拟工具以准确预测性能. 国际地热协会启动了热储存专门工作组,以协调这些努力.

未来展望和扩展

彭博新能源金融的市场预测表明,全球地热TES能力可以从今天的2GWth左右增长到2035年的25GWth,这主要取决于欧洲和北美地区的供暖,再加上中国的工业热需求。西班牙和美国已经在开展将地热TES与太阳能和生物量集中相结合的试点项目。

数字结对的进步——即储存系统的实时虚拟模型与传感器数据不断更新——将使操作人员能够优化充电/充电时间表并预测维护需求。将地热TES与人工智能相结合,可以进一步释放效率增益,使技术与锂离子电池具有竞争力,用于日热负荷转移,其成本相当于储存容量每千瓦时的资本成本的一小部分。

最终,地热热能储存的成熟是去碳化难题中的一个重要部分 — — 一种使用已经证明的技术在地下廉价储存热量的方法。随着研究机构、能源公司和决策者的持续合作,地热技术服务项目部门已经能够成为全球清洁能源转型的基石。

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