Voor delen van de VS zou de beste plaats om enorme hoeveelheden energie voor het elektriciteitsnet op te slaan, vlak onder onze voeten kunnen zijn.

Geothermische energie, die afhankelijk is van heet gesteente ver onder het aardoppervlak, wordt al lang gebruikt als bron voor verwarming en elektriciteitsopwekking. Maar recente ontwikkelingen in de boortechnologie hebben nieuwe mogelijkheden gecreëerd om geothermische energie op grote schaal in te zetten. Het spoorde onderzoekers van Princeton University aan om te demonstreren in een artikel in het tijdschrift Applied Energy dat aardwarmte ook kan dienen als ideale technologie voor energieopslag. Bovendien kan geothermie een aanvulling vormen op wind- en zonne-energie en stroom leveren wanneer de zon niet schijnt of de wind gaat liggen.

"In het westen van de Verenigde Staten, waar veel geothermisch potentieel is, zou dit het ontbrekende stukje van de puzzel kunnen zijn om helemaal naar een koolstofvrij elektriciteitssysteem te komen in combinatie met veel wind en zonne-energie en batterijen met een kortere duur en vraag flexibiliteit", zegt Jesse Jenkins, hoofdonderzoeker van het project en een assistent-professor Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu.

Geothermie is een oude technologie en wordt al eeuwenlang gebruikt voor verwarming. Boise, Idaho, verwarmt een groot deel van de binnenstad met geothermische energie. In de moderne tijd is geothermie uitgebreid naar de energie-industrie, het aandrijven van warmtepompen en het leveren van elektrische stroom aan het net. De voordelen van de technologie voor hernieuwbare energie zijn onder meer de constante opwekking, het relatief lage onderhoud en de koolstofvrije productie.

Maar voor elektriciteit op netschaal blijft geothermie een nichespeler. Dat komt omdat de technologie specifieke locaties vereist. Voornamelijk hebben ingenieurs hete geologische gebieden nodig die vrij dicht bij het oppervlak liggen, gespleten rotsformaties die als radiatoren dienen, en toegang tot vloeistof om de warmte naar het oppervlak te verplaatsen. (Hier is een overzicht van geothermische energie.) Dat verandert snel omdat ingenieurs nieuwe technologieën ontwikkelen met het oog op een enorm groeiende geothermische elektriciteitsopwekking.

De belangrijkste innovatie maakt gebruik van technologieën uit de olie- en gassector, waaronder gestuurd boren en hydraulische stimulatie, om kunstmatige breuksystemen te creëren overal waar men hete, ondoordringbare rots kan vinden. Als dit lukt, kunnen bedrijven die deze nieuwe technieken commercialiseren, een schone, hernieuwbare hulpbron ontsluiten die uiteindelijk alleen al in de Verenigde Staten honderden gigawatt aan stroom kan leveren.

"Dat vermogen om weg te gaan van deze zeer specifieke locaties waar je de juiste dingen op de juiste plaats hebt, naar gewoon overal waar je warm genoeg rotsen hebt die toegankelijk zijn zonder te diep te boren, betekent dat verbeterde geothermie een veel bredere bron van bronnen kan openen ," zei Jenkins.

Het blijkt dat deze nieuwe technieken nog een ander verborgen voordeel hebben dat tot nu toe over het hoofd werd gezien. Water dat door het kunstmatige breuksysteem circuleert, bevindt zich in ondoordringbare rotsen, wat betekent dat het niet kan weglekken, en dat maakt deze geothermische reservoirs een geweldige manier om grote hoeveelheden energie op te slaan wanneer de vraag laag is en vervolgens de energie vrij te geven wanneer de vraag hoog is . Het opslaan van energie en het verschuiven van de productie naar de meest waardevolle tijden verhoogt de geothermische winstgevendheid en fungeert als een perfecte aanvulling voor weersafhankelijke variabele hernieuwbare systemen zoals wind en zon.

"We hebben reservoirsimulaties uitgevoerd om de systemen die we ontwerpen te evalueren", zegt Jack Norbeck, mede-oprichter en CTO van Fervo Energy, een in Houston gevestigd ontwikkelingsbedrijf dat pioniert met deze geavanceerde geothermische technologieën. De simulaties toonden aan dat hun geothermische systemen konden werken om constante stroom of basislast te leveren, maar ook om stroom efficiënt op te slaan en te verplaatsen voor later gebruik. "We kunnen ze zowel in basislast als in flexibele modus gebruiken, wat een grote stap voorwaarts is voor geothermische technologie."

In 2020 hadden de ingenieurs van Fervo er vertrouwen in dat hun systeem zou werken. Maar ze wilden weten hoe de systemen economisch werken en hoe ze de technologie optimaal in het elektriciteitsnet kunnen integreren. Voor antwoorden benaderde Fervo Jenkins, hoofd van Princeton's ZERO Lab.

"Dat is precies het soort vragen waar we graag naar kijken," zei Jenkins. "Dit zijn praktische vragen die de besluitvorming, investeringen en innovatie in de echte wereld zullen leiden, maar die nog niet zijn beantwoord in de academische literatuur. Dus dat is het perfecte project voor ons - iets dat een open vraag is in het onderzoek waar het antwoord is vandaag meteen van belang voor de beslissingen die echte mensen nemen over hoe ze hun tijd, geld en innovatie-inspanningen kunnen besteden."

Norbeck, CTO van Fervo, verleende technische ondersteuning voor het onderzoek. Hij zei dat de kern van het idee was om de thermische energie van de ondergrondse rotsen te combineren met mechanische energie van overliggende rotslagen. De ingenieurs van Fervo gebruiken horizontale boortechnieken om een ​​reeks injectie- en productieboorgaten te creëren die met elkaar zijn verbonden door vele kleine kanalen in de rots, die een reservoir in de grond vormen, ongeveer 10.000 voet onder de aarde, waar water kan worden verwarmd. In plaats van onmiddellijk verwarmd water te gebruiken om turbines voor elektriciteit aan te drijven, leiden technici het hete, onder druk staande water naar het netwerk van kanalen van het reservoir. Vloeistof hoopt zich op in het reservoir en buigt het gesteente, en die druk kan later worden opgeheven om hete vloeistof naar de oppervlakte te drijven om turbines voor elektriciteit aan te drijven.

De onderzoekers toonden aan dat dit systeem kan worden gebruikt om elektriciteit op te slaan en te verzenden over een breed scala van tijdsduur, van slechts enkele uren tot vele dagen per keer, waardoor het zich onderscheidt van de meeste andere opslagtechnologieën. "De efficiëntie hangt af van de geologie en andere kenmerken van de rots," zei 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. + Verder verkennen

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