Wykorzystanie ukrytej mocy Ziemi: Globalny przegląd podziemnej generacji energii

Dążenie do zrównoważonych i niezawodnych źródeł energii jest globalnym imperatywem. Podczas gdy energia słoneczna, wiatrowa i inne odnawialne źródła zyskują na popularności, podziemna generacja energii stanowi atrakcyjną alternatywę i podejście uzupełniające. Ta innowacyjna dziedzina wykorzystuje naturalne zasoby ziemi i formacje geologiczne do wytwarzania i magazynowania energii, oferując wyjątkowe korzyści pod względem stabilności, wykorzystania terenu i wpływu na środowisko.

Czym jest podziemna generacja energii?

Podziemna generacja energii obejmuje szereg technologii, które wykorzystują podziemne zasoby lub przestrzenie do produkcji i magazynowania energii. Główne kategorie to:

Energia geotermalna: Pozyskiwanie ciepła z wnętrza ziemi w celu wytwarzania energii elektrycznej lub zapewnienia bezpośredniego ogrzewania.
Podziemne elektrownie szczytowo-pompowe (UPHS): Magazynowanie energii poprzez pompowanie wody do podziemnego zbiornika i uwalnianie jej w celu wytworzenia energii elektrycznej w razie potrzeby.
Podziemne magazynowanie energii w sprężonym powietrzu (CAES): Sprężanie powietrza i przechowywanie go pod ziemią w celu późniejszego uwolnienia do napędzania turbin i wytwarzania energii elektrycznej.
Podziemne magazynowanie wodoru (UHS): Przechowywanie wodoru w podziemnych kawernach w celu późniejszego wykorzystania do produkcji energii lub w innych celach.

Energia geotermalna: Wykorzystanie wewnętrznego ciepła Ziemi

Energia geotermalna jest dojrzałą i szeroko stosowaną formą podziemnej generacji energii. Wykorzystuje ona wewnętrzne ciepło ziemi, które jest stale uzupełniane, co czyni ją odnawialnym i zrównoważonym zasobem.

Rodzaje zasobów geotermalnych

Zasoby hydrotermalne: Zasoby te obejmują naturalnie występujące podziemne zbiorniki gorącej wody lub pary. Klasyfikuje się je na:

Wysokotemperaturowe zasoby hydrotermalne: Używane do produkcji energii elektrycznej, zazwyczaj występujące w regionach wulkanicznych.
Niskotemperaturowe zasoby hydrotermalne: Używane do bezpośredniego ogrzewania, takiego jak ciepłownictwo, szklarnie i akwakultura.

Ulepszone systemy geotermalne (EGS): EGS, znane również jako inżynieryjne systemy geotermalne lub geotermia gorących suchych skał (HDR), polegają na tworzeniu sztucznych szczelin w gorących, suchych skałach głęboko pod ziemią, aby umożliwić cyrkulację wody i wydobycie ciepła. Rozszerza to geograficzny potencjał energii geotermalnej.
Geotermalne pompy ciepła (GHP): Wykorzystują stałą temperaturę płytkiego gruntu do ogrzewania i chłodzenia budynków. Zazwyczaj nie są uważane za źródło energii, ale znacząco przyczyniają się do efektywności energetycznej.

Globalna produkcja energii geotermalnej: Przykłady i trendy

Energia geotermalna jest wykorzystywana w wielu krajach na całym świecie. Oto kilka znaczących przykładów:

Stany Zjednoczone: Największy na świecie producent energii elektrycznej z geotermii, ze znaczącymi mocami w Kalifornii, Nevadzie i Utah. Pole geotermalne Geysers w Kalifornii jest doskonałym przykładem wysokotemperaturowego zasobu hydrotermalnego.
Indonezja: Posiada znaczne zasoby geotermalne dzięki swojemu położeniu w Pacyficznym Pierścieniu Ognia. Aktywnie rozwija nowe elektrownie geotermalne, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię.
Filipiny: Kolejny kraj z obfitym potencjałem geotermalnym, z licznymi działającymi elektrowniami geotermalnymi.
Islandia: Pionier w wykorzystaniu energii geotermalnej, używający jej do produkcji energii elektrycznej, ciepłownictwa i różnych zastosowań przemysłowych. Energia geotermalna zaspokaja znaczną część potrzeb energetycznych Islandii.
Kenia: Wiodący producent geotermalny w Afryce, ze znaczącym rozwojem na polu geotermalnym Olkaria.
Nowa Zelandia: Wykorzystuje energię geotermalną zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i do zastosowań bezpośrednich.
Turcja: Szybko rozbudowuje swoje moce geotermalne, z licznymi nowymi elektrowniami w budowie.

Zalety energii geotermalnej

Odnawialna i zrównoważona: Wewnętrzne ciepło Ziemi jest praktycznie niewyczerpalnym zasobem.
Energia w podstawie obciążenia: Elektrownie geotermalne mogą pracować nieprzerwanie, zapewniając niezawodne dostawy energii w podstawie obciążenia, w przeciwieństwie do niestabilnych źródeł odnawialnych, takich jak słońce i wiatr.
Niewielki ślad lądowy: Elektrownie geotermalne zazwyczaj wymagają mniej terenu niż inne formy produkcji energii.
Niskie emisje: Energia geotermalna generuje znacznie mniej emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z paliwami kopalnymi.
Zastosowania bezpośrednie: Energia geotermalna może być wykorzystywana bezpośrednio do ogrzewania, chłodzenia i procesów przemysłowych.

Wyzwania związane z energią geotermalną

Ograniczenia geograficzne: Wysokotemperaturowe zasoby hydrotermalne są skoncentrowane w określonych regionach, chociaż technologie EGS rozszerzają potencjał geograficzny.
Wysokie koszty początkowe: Budowa elektrowni geotermalnej może być kapitałochłonna.
Zrównoważone wykorzystanie zasobów: Nadmierna eksploatacja płynów geotermalnych może prowadzić do wyczerpania złoża, jeśli nie jest odpowiednio zarządzana.
Sejsmiczność indukowana: Działania w ramach EGS mogą potencjalnie wywoływać niewielkie trzęsienia ziemi, co wymaga starannego monitorowania i środków łagodzących.
Kwestie środowiskowe: Płyny geotermalne mogą zawierać rozpuszczone minerały i gazy, które wymagają odpowiedniej utylizacji.

Podziemne elektrownie szczytowo-pompowe (UPHS): Zrównoważone rozwiązanie do magazynowania energii

Magazynowanie energii ma kluczowe znaczenie dla integracji niestabilnych odnawialnych źródeł energii z siecią i zapewnienia jej stabilności. Podziemne elektrownie szczytowo-pompowe (UPHS) oferują obiecujące rozwiązanie do magazynowania energii na dużą skalę.

Jak działa UPHS

UPHS obejmuje dwa zbiorniki na różnych wysokościach. W okresach niskiego zapotrzebowania na energię lub nadmiernej produkcji energii odnawialnej woda jest pompowana z dolnego zbiornika do górnego, magazynując energię potencjalną. Gdy zapotrzebowanie na energię jest wysokie, woda jest uwalniana z górnego zbiornika do dolnego, przepływając przez turbiny w celu wytworzenia energii elektrycznej.

W systemach UPHS co najmniej jeden z tych zbiorników znajduje się pod ziemią, w naturalnie występującej kawernie lub sztucznie wydrążonej przestrzeni. Oferuje to kilka zalet:

Zmniejszone wykorzystanie terenu: Podziemne zbiorniki minimalizują powierzchnię zajmowaną przez obiekt magazynujący.
Korzyści dla środowiska: UPHS może zmniejszyć wpływ na środowisko w porównaniu z konwencjonalnymi naziemnymi elektrowniami szczytowo-pompowymi, które często wymagają budowy tam na rzekach i zalewania dolin.
Zalety estetyczne: Podziemne zbiorniki są wizualnie dyskretne.
Potencjał integracji z istniejącą infrastrukturą: UPHS można zintegrować z istniejącymi kopalniami lub tunelami podziemnymi, co zmniejsza koszty budowy.

Globalne projekty UPHS i ich potencjał

Chociaż UPHS jest technologią stosunkowo nową w porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami szczytowo-pompowymi, na całym świecie realizowanych lub rozważanych jest kilka projektów:

Niemcy: W kilku badaniach przeanalizowano potencjał przekształcenia opuszczonych kopalń w obiekty UPHS.
Szwajcaria: Posiada idealne warunki geologiczne do rozwoju UPHS.
Australia: Bada UPHS jako środek wsparcia dla swojego rosnącego sektora energii odnawialnej.
Stany Zjednoczone: Badają możliwości UPHS w różnych stanach.
Chiny: Aktywnie inwestują w elektrownie szczytowo-pompowe, w tym w opcje podziemne.

Zalety UPHS

Magazynowanie energii na dużą skalę: UPHS może zapewnić znaczną pojemność magazynowania energii, od setek megawatów do kilku gigawatów.
Długa żywotność: Obiekty UPHS mogą działać przez kilkadziesiąt lat, zapewniając długoterminowe rozwiązanie do magazynowania energii.
Stabilność sieci: UPHS może pomóc w stabilizacji sieci, zapewniając szybką reakcję na wahania podaży i popytu na energię.
Uzupełnienie dla odnawialnych źródeł energii: UPHS może magazynować nadwyżki energii odnawialnej generowanej w okresach szczytowej produkcji i uwalniać ją w razie potrzeby.
Zmniejszony wpływ na środowisko (w porównaniu z naziemnymi PHES): Mniejsze naruszenie powierzchni lądu i siedlisk.

Wyzwania związane z UPHS

Wymagania geologiczne: UPHS wymaga odpowiednich formacji geologicznych do budowy podziemnych zbiorników.
Wysokie koszty kapitałowe: Budowa UPHS może być kapitałochłonna.
Kwestie środowiskowe: Należy starannie rozważyć potencjalny wpływ budowy podziemnej i zużycia wody na środowisko.
Dostępność wody: UPHS wymaga niezawodnego źródła wody.

Inne technologie podziemnej generacji energii

Oprócz geotermii i UPHS pojawiają się inne technologie podziemnej generacji energii:

Podziemne magazynowanie energii w sprężonym powietrzu (CAES)

CAES polega na sprężaniu powietrza i przechowywaniu go w podziemnych kawernach, takich jak wysady solne lub warstwy wodonośne. Gdy potrzebna jest energia elektryczna, sprężone powietrze jest uwalniane, podgrzewane i wykorzystywane do napędzania turbin, generując energię. Tradycyjne CAES opiera się na gazie ziemnym do podgrzewania powietrza. Zaawansowane adiabatyczne CAES (AA-CAES) magazynuje ciepło wytworzone podczas sprężania i ponownie je wykorzystuje podczas rozprężania, poprawiając wydajność i zmniejszając zależność od paliw kopalnych.

Podziemne magazynowanie wodoru (UHS)

Wodór jest badany jako czysty nośnik energii. Podziemne magazynowanie wodoru w kawernach solnych, wyczerpanych złożach ropy i gazu lub warstwach wodonośnych jest postrzegane jako kluczowy element przyszłej gospodarki wodorowej. Zmagazynowany wodór może być następnie wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej lub do innych zastosowań. Wyzwania obejmują wyciek wodoru i utrzymanie czystości przechowywanego wodoru.

Elektrownie podziemne (elektrownie kavernowe)

W niektórych przypadkach konwencjonalne elektrownie budowane są pod ziemią, zazwyczaj w kawernach. Może to oferować korzyści pod względem wykorzystania terenu, wpływu na środowisko i bezpieczeństwa. Elektrownie te mogą wykorzystywać różnorodne źródła paliwa, w tym paliwa kopalne, energię jądrową, a nawet biomasę.

Przyszłość podziemnej generacji energii

Technologie podziemnej generacji energii mają potencjał, by odegrać znaczącą rolę w globalnej transformacji energetycznej. W miarę jak świat dąży do dekarbonizacji swoich systemów energetycznych i zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego, technologie te oferują kilka istotnych zalet:

Zwiększona stabilność sieci: Technologie podziemnej generacji energii, w szczególności geotermia i UPHS, mogą dostarczać energię w podstawie obciążenia i magazynować energię, pomagając stabilizować sieć i integrować niestabilne odnawialne źródła energii.
Zmniejszone wykorzystanie terenu: Obiekty podziemne minimalizują powierzchnię infrastruktury energetycznej, uwalniając teren do innych zastosowań.
Zwiększone bezpieczeństwo energetyczne: Zasoby podziemne mogą zapewnić niezawodne i dostępne w kraju źródło energii, zmniejszając zależność od importowanych paliw.
Mniejszy wpływ na środowisko: Technologie podziemnej generacji energii mogą zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych i inne negatywne oddziaływania na środowisko w porównaniu z paliwami kopalnymi.
Innowacje i postęp technologiczny: Trwające badania i rozwój obniżają koszty i poprawiają wydajność technologii podziemnej generacji energii.

Podsumowanie

Podziemna generacja energii nie jest już futurystyczną koncepcją. Jest to realny i coraz ważniejszy element globalnego krajobrazu energetycznego. W miarę dojrzewania technologii i spadku kosztów, podziemna generacja energii jest gotowa odegrać kluczową rolę w tworzeniu zrównoważonej i odpornej przyszłości energetycznej. Przyjęcie tych innowacyjnych podejść do produkcji i magazynowania energii będzie niezbędne do zaspokojenia rosnących światowych potrzeb energetycznych przy jednoczesnym minimalizowaniu wpływu na środowisko i zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego. Potencjał wykorzystania ukrytej mocy Ziemi jest ogromny, a jego pełna realizacja obiecuje czystszą, bardziej niezawodną i zrównoważoną przyszłość energetyczną dla wszystkich.