Per alcune parti degli Stati Uniti, il posto migliore per immagazzinare enormi quantità di energia per la rete elettrica potrebbe essere proprio sotto i nostri piedi.

L'energia geotermica, che si basa su rocce calde molto al di sotto della superficie terrestre, è stata a lungo utilizzata come fonte di riscaldamento e generazione di elettricità. Ma i recenti progressi nella tecnologia di perforazione hanno aperto nuove opportunità per implementare ampiamente l'energia geotermica. Ha spronato i ricercatori dell'Università di Princeton a dimostrare in un articolo sulla rivista Applied Energy che il geotermico può anche fungere da tecnologia ideale per l'accumulo di energia. Inoltre, la geotermia può integrare l'energia eolica e solare, fornendo energia quando il sole non splende o il vento si attenua.

"Negli Stati Uniti occidentali, dove c'è molto potenziale geotermico, questo potrebbe essere il pezzo mancante del puzzle per arrivare fino a un sistema elettrico privo di emissioni di carbonio in combinazione con un sacco di vento e solare e batterie e domanda di durata più breve flessibilità", ha affermato Jesse Jenkins, ricercatore capo del progetto e assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e dell'Andlinger Center for Energy and the Environment.

La geotermia è una tecnologia antica ed è stata utilizzata per il riscaldamento per secoli. Boise, nell'Idaho, riscalda gran parte del centro con il geotermico. Nei tempi moderni, il geotermico si è esteso all'industria energetica, all'azionamento di pompe di calore e alla fornitura di energia elettrica alla rete. I vantaggi della tecnologia delle energie rinnovabili includono la sua generazione costante, manutenzione relativamente bassa e produzione a zero emissioni di carbonio.

Ma per l'elettricità su scala di rete, il geotermico rimane un attore di nicchia. Questo perché la tecnologia richiede posizioni specifiche. Principalmente, gli ingegneri hanno bisogno di regioni geologiche calde abbastanza vicine alla superficie, formazioni rocciose fessurate che fungono da radiatori e accesso al fluido per spostare il calore in superficie. (Ecco una panoramica dell'energia geotermica.) La situazione sta cambiando rapidamente poiché gli ingegneri stanno sviluppando nuove tecnologie con l'obiettivo di espandere notevolmente la generazione di elettricità geotermica.

L'innovazione chiave sfrutta le tecnologie del settore petrolifero e del gas, tra cui la perforazione direzionale e la stimolazione idraulica, per creare sistemi di frattura artificiale ovunque si possa trovare roccia calda e impermeabile. In caso di successo, le aziende che commercializzano queste nuove tecniche potrebbero sbloccare una risorsa pulita e rinnovabile in grado di fornire alla fine centinaia di gigawatt di energia nei soli Stati Uniti.

"Quella capacità di allontanarsi da questi luoghi molto specifici in cui si hanno tutte le cose giuste al posto giusto, verso qualsiasi luogo in cui si hanno rocce abbastanza calde accessibili senza perforare troppo in profondità, significa che la geotermia potenziata può aprire una base di risorse molto più ampia ", ha detto Jenkins.

Si scopre che queste nuove tecniche hanno un altro vantaggio nascosto che è stato trascurato fino ad ora. L'acqua fatta circolare attraverso il sistema di frattura artificiale è contenuta all'interno di rocce impermeabili, il che significa che non può fuoriuscire, e questo rende questi serbatoi geotermici un ottimo modo per immagazzinare grandi quantità di energia quando la domanda è bassa e quindi rilasciare l'energia quando la domanda è alta . L'immagazzinamento dell'energia e lo spostamento della produzione nei momenti più preziosi aumenta la redditività geotermica e funge da complemento perfetto per i sistemi rinnovabili variabili dipendenti dalle condizioni meteorologiche come l'eolico e il solare.

"Abbiamo eseguito simulazioni di giacimenti per valutare i sistemi che stiamo progettando", ha affermato Jack Norbeck, co-fondatore e CTO di Fervo Energy, una società di sviluppo con sede a Houston che ha aperto la strada a queste tecnologie geotermiche avanzate. Le simulazioni hanno mostrato che i loro sistemi geotermici potrebbero funzionare per fornire energia costante, o carico di base, ma anche per immagazzinare e spostare in modo efficiente l'energia per un uso successivo. "Possiamo utilizzarli sia in modalità baseload che flessibile, il che rappresenta un importante passo avanti per la tecnologia geotermica."

Nel 2020, gli ingegneri di Fervo erano fiduciosi che il loro sistema avrebbe funzionato. Ma volevano conoscere l'economia dei sistemi e come integrare in modo ottimale la tecnologia nella rete elettrica. Per avere risposte, Fervo si è rivolto a Jenkins, capo dello ZERO Lab di Princeton.

"Questo è esattamente il tipo di domande che amiamo guardare", ha detto Jenkins. "Queste sono domande pratiche che guideranno il processo decisionale, gli investimenti e l'innovazione nel mondo reale, ma non hanno ancora avuto risposta nella letteratura accademica. Quindi questo è il progetto perfetto per noi, qualcosa che è una domanda aperta nella ricerca in cui la risposta conta oggi, immediatamente, per le decisioni che le persone reali stanno prendendo su come allocare il loro tempo e denaro e gli sforzi per l'innovazione."

Norbeck, CTO di Fervo, ha fornito supporto tecnico per lo studio. Ha detto che il nucleo dell'idea era di combinare l'energia termica delle rocce sotterranee con l'energia meccanica degli strati rocciosi sovrapposti. Gli ingegneri di Fervo utilizzano tecniche di perforazione orizzontale per creare una serie di pozzi di iniezione e produzione collegati tra loro da molti piccoli canali nella roccia, formando un serbatoio interrato a circa 10.000 piedi sotto terra dove l'acqua può essere riscaldata. Invece di utilizzare immediatamente l'acqua riscaldata per azionare le turbine per l'elettricità, i tecnici dirigono l'acqua calda e pressurizzata nella rete di canali del serbatoio. Il fluido si accumula nel serbatoio e flette la roccia, e quella pressione può essere successivamente rilasciata per portare il fluido caldo in superficie per alimentare le turbine per l'elettricità.

I ricercatori hanno dimostrato che questo sistema può essere utilizzato per immagazzinare e spedire elettricità in un'ampia gamma di durate, da poche ore fino a molti giorni alla volta, distinguendolo dalla maggior parte delle altre tecnologie di accumulo. "L'efficienza dipende dalla geologia e da altre caratteristiche della roccia", ha detto Norbeck. But, in general, "it turns out this form of energy storage proves to be one of the cheapest forms of long-duration energy storage."

Wilson Ricks, a Ph.D. candidate in mechanical and aerospace engineering and researcher with ZERO Lab, led the research and said the study's results exceeded what he initially had expected.

"The idea seemed kind of simple and elegant to me:you have this system, it's got these inherent properties and maybe we can just exploit them to do energy storage… almost like icing on a cake," said Ricks, the paper's lead author. "It turned out to be, unequivocally, more valuable in almost every context, and actually a really big potential advantage."

The paper, The value of in-reservoir energy storage for flexible dispatch of geothermal power, was published in Applied Energy .

The initial paper looked at the impact of one, first-of-its-kind plant. But as the technology is deployed at scale, it can shift and change the electricity price or market dynamics, so now the team is using long-term electricity capacity planning models to examine the long-run equilibrium outcome and impact on markets. Results from the first study helped Fervo demonstrate the added value of this novel storage method and secure a highly competitive grant from the Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). The latest project is a joint effort by Fervo, Princeton's ZERO Lab, Lawrence Berkeley National Lab and Rice University and will involve field demonstration and real-world data collection on the performance of the artificial fracture network and in-reservoir energy storage.

"This is the kind of stuff that we find really exciting, where you can answer this sort of open question with our energy system modeling tools, that then directly leads to further investment and innovation and, hopefully, accelerates the adoption of impactful technologies that can help us tackle climate change," Jenkins said. + Esplora ulteriormente

Institute demonstrates first-of-its-kind small-scale pumped heat energy storage system