Geothermische energieopslag: de schone energieoplossing waar u nog nooit van gehoord hebt

Geothermische energie wordt al millennia lang door mensen gebruikt. Hoewel het allereerste gebruik misschien een mysterie is, weten we wel dat de Romeinen er in de eerste eeuw gebruik van maakten voor warme baden in Aquae Sulis (het huidige Bath, Engeland). Sindsdien hebben veel andere mensen en culturen manieren gevonden om de ondergrondse warmte van de aarde in hun voordeel te gebruiken.

Geothermische bronnen werden al in 1332 in Frankrijk gebruikt voor stadsverwarming. In 1904 was Larderello, Italië, de thuisbasis van 's werelds eerste experiment in geothermische elektriciteitsopwekking, toen er vijf gloeilampen brandden. In 1913 werd daar de eerste commerciële geothermische elektriciteitscentrale gebouwd, die werd uitgebreid om het lokale spoorwegsysteem en nabijgelegen dorpen van stroom te voorzien.

Eén misschien minder bekend geothermisch concept draait echter om energieopslag. "Het lijkt erg op pompwaterkracht, waarbij je een meer een berg oppompt, maar in plaats van een berg op te gaan, stoppen we dat meer diep in de aarde", legde Cindy Taff, CEO van Sage Geosystems , uit als gast in The POWER Podcast .

De technologie van Sage Geosystems maakt gebruik van kennis die is opgedaan in de olie- en gasindustrie, waar Taff meer dan 35 jaar als werknemer van Shell heeft gewerkt. Net als zij werkte het grootste deel van Sage's team eerder in de olie- en gasindustrie. Tegenwoordig werkt het bedrijf uit Houston, Texas, aan de ontwikkeling van drie productlijnen: basislaststroomopwekking, stadsverwarming en energieopslag. Voor alle drie wordt hetzelfde ondergrondse technologieplatform gebruikt.

"Wat we doen is een put boren. We richten ons op een formatie met een zeer lage permeabiliteit, wat het tegenovergestelde is van wat olie en gas zoeken, en eerlijk gezegd is het het tegenovergestelde van wat de meeste geothermische technologieën zoeken. Die lage permeabiliteit stelt je dan in staat om een ​​breuk in die formatie te plaatsen en die breuk vervolgens te bedienen als een ballon of als je longen," legde Taff uit. "Wanneer de vraag laag is, gebruiken we elektriciteit om een ​​elektrische pomp aan te drijven. We pompen water in de breuk. We balloneren die breuk open en slaan het water onder druk op tot een tijdstip van de dag dat de vraag naar energie piekt. Dan open je een klep aan de oppervlakte. Die breuk gaat vanzelf dicht. Het drijft het water naar de oppervlakte. Je laat het door een Pelton-turbine gaan, die eruitziet als een kindermolentje. Je laat de turbine draaien, die de generator laat draaien, en je wekt elektriciteit op."

In tegenstelling tot meer traditionele geothermische energieopwekkingssystemen die gebruikmaken van heet water of stoom die uit ondergrondse geothermische reservoirs wordt gehaald, maakt het ontwerp van Sage gebruik van wat bekend staat als hot dry rock-technologie. Om hot dry rock te bereiken, moeten boorders mogelijk dieper graven om de gewenste formaties te vinden, maar deze formaties zijn veel algemener en minder moeilijk te identificeren, wat de exploratierisico's aanzienlijk vermindert.

Taff zei dat traditionele ontwikkelaars van geothermische energie problemen hebben omdat ze drie dingen ondergronds moeten vinden: warmte, water en formaties met een hoge permeabiliteit. "De uitdaging is het exploratierisico, of met andere woorden, het vinden van de bron waar je de warmte hebt, het grote waterlichaam diep in de aarde, en de permeabiliteit," zei ze. "In hete droge geothermische gesteenten, waar we op mikken, zoek je alleen naar die warmte. We willen een formatie met een lage permeabiliteit, maar nogmaals, dat is heel gebruikelijk."

Als het gaat om geothermische energieopslag, zijn de benodigde geologische formaties bijna overal in de continentale VS te vinden, inclusief in het noordoosten waar het gesteente veel ouder is en de warmte veel dieper is. "Zodra je onder de 5.000 voet komt, zullen formaties met een lage permeabiliteit veel voorkomen voor opslag," zei Taff. "We willen dat de oppervlaktetemperatuur van het water lager is dan 100 graden C, dus we willen niet te diep boren waar we te heet water naar de oppervlakte krijgen."

Voor stadsverwarming en elektriciteitsopwekking daarentegen, vereist het proces van Sage zowel warmte als druk. "Je zult dus diep genoeg moeten boren om de minimumtemperaturen te krijgen die je nodig hebt, en nogmaals, voor geothermie zoeken we naar een minimale vormingstemperatuur van 150, 160 graden. Dat beperkt je dus tot waar die hotspots zijn," zei Taff. Ze merkte op dat geothermische energie gebruikt kan worden voor stadsverwarming en elektriciteitsopwekking in ongeveer 35% tot 40% van de onderste 48 staten.

Opvallend is dat de olie- en gasindustrie de knowhow en ervaring heeft om vandaag de dag geothermische putboringen te ondersteunen. "We gebruiken boortorens net als olie en gas. We gebruiken voltooiingstechnieken zoals breuken, een beetje anders dan olie en gas omdat we iets gebruiken dat zwaartekrachtfracking heet, maar de apparatuur, de mensen, de vaardigheden, ze zijn vrijwel een directe aanvulling op wat we doen. In plaats van boren naar koolwaterstoffen, boren we naar warmte", aldus Taff.

Sage Geosystems heeft een grootschalig pilotproject voor commerciële energieopslag afgerond en in september 2023 zijn bevindingen gepubliceerd. De resultaten laten zien dat de energieopslagtechnologie van het bedrijf stroom kan leveren tegen lagere kosten dan lithium-ionbatterijopslag en traditionele pompcentrales, en ook concurrerend is met piekcentrales op aardgas.

Het demonstratiesysteem produceerde naar verluidt 200 kW gedurende meer dan 18 uur (lange duur) en 1 MW gedurende 30 minuten (load-following), alleen beperkt door de kleine diameter van de verhuurde oppervlakteapparatuurleidingen. Gemeten ondergrondse systeemrendementen waren tussen 88% en 94%, met een geschatte retourrendement van 70% tot 75%. Gemeten vloeistofverliezen waren minder dan 2%, afnemend tot 1% aan het einde van de testperiode van vijf weken. De pilot toonde aan dat het in staat is om 2 MW tot 3 MW netto-output te genereren in één enkele put.

Sage is nu bezig met het in bedrijf stellen van zijn eerste commerciële energieopslagproject in Texas. "We testen de leidingen en we testen de generator en de Pelton-turbine op hun functie, dus we gaan die faciliteit hier de komende weken in bedrijf nemen", aldus Taff. Ondertussen heeft het bedrijf ook een overeenkomst getekend met de California Resources Corporation om een ​​samenwerkingskader op te zetten voor het nastreven van commerciële projecten en gezamenlijke financieringsmogelijkheden met betrekking tot ondergrondse energieopslag en geothermische energieopwekking in Californië. Het bedrijf heeft ook lopende stadsverwarmingsprojecten in Litouwen en Roemenië en Taff zei dat het Amerikaanse ministerie van Defensie veel interesse heeft getoond in de geothermische technologie van het bedrijf. Daarnaast tekende Meta een contract voor een geothermisch energieopwekkingssysteem van 150 MW om een ​​van zijn datacenters te bevoorraden.

Om de kosten nog verder te verlagen, zei Taff dat schaalgrootte nodig is. Ze suggereerde dat Sage Geosystems nog maar een paar jaar verwijderd was van commerciële schaalvergroting. "Ik denk dat er veel meewind is die ons helpt om daar te komen en ons helpt om er sneller te komen."

Om het volledige interview met Taff te horen, met meer discussie over Sage's technologie, voortgang van projecten, hoe de olie- en gasindustrie past bij de geothermische sector, overheidsbeleid en prikkels die de geothermische industrie helpen vooruit te helpen, en nog veel meer, luister naar The POWER Podcast . Klik op de SoundCloud-speler hieronder om nu in uw browser te luisteren of gebruik de volgende links om de showpagina op uw favoriete podcastplatform te bereiken:

Bezoek de archieven van The POWER Podcast voor meer krachtige podcasts.

— Aaron Larson is hoofdredacteur van POWER (@AaronL_Power, @POWERmagazine).