Использование скрытой энергии Земли: глобальный обзор подземной энергетики

Поиск устойчивых и надежных источников энергии является глобальной необходимостью. В то время как солнечная, ветровая и другие возобновляемые источники энергии набирают популярность, подземная энергетика представляет собой убедительную альтернативу и дополняющий подход. Эта инновационная область использует природные ресурсы и геологические формации Земли для производства и хранения энергии, предлагая уникальные преимущества с точки зрения стабильности, землепользования и воздействия на окружающую среду.

Что такое подземная энергетика?

Подземная энергетика охватывает ряд технологий, использующих подземные ресурсы или пространства для производства и хранения энергии. Основные категории включают:

• Геотермальная энергия: извлечение тепла из недр Земли для производства электроэнергии или прямого теплоснабжения.
• Подземные гидроаккумулирующие электростанции (ПГАЭС): хранение энергии путем перекачки воды в подземный резервуар и ее сброса для выработки электроэнергии при необходимости.
• Подземное хранение энергии на сжатом воздухе (CAES): сжатие воздуха и его хранение под землей для последующего высвобождения с целью приведения в действие турбин и выработки электроэнергии.
• Подземное хранение водорода (UHS): хранение водорода в подземных кавернах для последующего использования в производстве электроэнергии или для других целей.

Геотермальная энергия: использование внутреннего тепла Земли

Геотермальная энергия — это зрелая и широко применяемая форма подземной энергетики. Она использует внутреннее тепло Земли, которое постоянно восполняется, что делает ее возобновляемым и устойчивым ресурсом.

Типы геотермальных ресурсов

• Гидротермальные ресурсы: Эти ресурсы включают в себя естественно существующие подземные резервуары горячей воды или пара. Они классифицируются на:
• Высокотемпературные гидротермальные: Используются для производства электроэнергии, обычно встречаются в вулканических регионах.
• Низкотемпературные гидротермальные: Используются для прямого теплоснабжения, такого как централизованное отопление, теплицы и аквакультура.
• Усовершенствованные геотермальные системы (EGS): EGS, также известные как инженерные геотермальные системы или петротермальная геотермия, включают создание искусственных трещин в горячих сухих породах глубоко под землей, чтобы позволить воде циркулировать и извлекать тепло. Это расширяет географический потенциал геотермальной энергии.
• Геотермальные тепловые насосы (ГТН): Используют постоянную температуру неглубоких слоев земли для обогрева и охлаждения зданий. Обычно они не считаются объектами выработки электроэнергии, но вносят значительный вклад в энергоэффективность.

Мировое производство геотермальной энергии: примеры и тенденции

Геотермальная энергия используется во многих странах мира. Вот несколько примечательных примеров:

• Соединенные Штаты: Крупнейший в мире производитель геотермальной электроэнергии со значительными мощностями в Калифорнии, Неваде и Юте. Геотермальное поле Гейзерс в Калифорнии является ярким примером высокотемпературного гидротермального ресурса.
• Индонезия: Обладает значительными геотермальными ресурсами благодаря своему расположению вдоль Тихоокеанского огненного кольца. Страна активно строит новые геотермальные электростанции для удовлетворения растущего спроса на энергию.
• Филиппины: Еще одна страна с обильным геотермальным потенциалом и многочисленными действующими геотермальными электростанциями.
• Исландия: Пионер в использовании геотермальной энергии для производства электроэнергии, централизованного отопления и различных промышленных применений. Геотермальная энергия обеспечивает значительную часть энергетических потребностей Исландии.
• Кения: Ведущий производитель геотермальной энергии в Африке со значительным развитием геотермального поля Олкария.
• Новая Зеландия: Использует геотермальную энергию как для производства электроэнергии, так и для прямого применения.
• Турция: Быстро наращивает свои геотермальные мощности, строя множество новых электростанций.

Преимущества геотермальной энергии

• Возобновляемость и устойчивость: Внутреннее тепло Земли является практически неисчерпаемым ресурсом.
• Энергия базовой нагрузки: Геотермальные электростанции могут работать непрерывно, обеспечивая надежное энергоснабжение базовой нагрузки, в отличие от прерывистых возобновляемых источников, таких как солнце и ветер.
• Малая площадь землепользования: Геотермальные электростанции обычно требуют меньше земли, чем другие виды производства энергии.
• Низкие выбросы: Геотермальная энергия производит значительно меньше выбросов парниковых газов по сравнению с ископаемым топливом.
• Прямое использование: Геотермальную энергию можно использовать непосредственно для отопления, охлаждения и в промышленных процессах.

Проблемы геотермальной энергии

• Географические ограничения: Высокотемпературные гидротермальные ресурсы сосредоточены в определенных регионах, хотя технологии EGS расширяют географический потенциал.
• Высокие первоначальные затраты: Строительство геотермальных электростанций может быть капиталоемким.
• Устойчивость ресурса: Чрезмерная добыча геотермальных флюидов может привести к истощению резервуара, если не управлять этим процессом должным образом.
• Наведенная сейсмичность: Операции EGS потенциально могут вызывать незначительные землетрясения, что требует тщательного мониторинга и мер по смягчению последствий.
• Экологические проблемы: Геотермальные флюиды могут содержать растворенные минералы и газы, требующие надлежащей утилизации.

Подземные гидроаккумулирующие электростанции (ПГАЭС): устойчивое решение для хранения энергии

Хранение энергии имеет решающее значение для интеграции прерывистых возобновляемых источников энергии в сеть и обеспечения ее стабильности. Подземные гидроаккумулирующие электростанции (ПГАЭС) предлагают многообещающее решение для крупномасштабного хранения энергии.

Как работает ПГАЭС

ПГАЭС включает два резервуара на разной высоте. В периоды низкого спроса на энергию или избыточного производства возобновляемой энергии вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний, накапливая потенциальную энергию. Когда спрос на энергию высок, вода сбрасывается из верхнего резервуара в нижний, проходя через турбины для выработки электроэнергии.

В системах ПГАЭС по крайней мере один из этих резервуаров расположен под землей, либо в естественной пещере, либо в искусственно вырытом пространстве. Это дает несколько преимуществ:

• Сокращение землепользования: Подземные резервуары минимизируют площадь наземной части накопителя.
• Экологические преимущества: ПГАЭС могут снизить воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными наземными гидроаккумулирующими станциями, которые часто требуют строительства плотин на реках и затопления долин.
• Эстетические преимущества: Подземные резервуары не портят внешний вид ландшафта.
• Потенциал для интеграции с существующей инфраструктурой: ПГАЭС можно интегрировать с существующими подземными шахтами или туннелями, что снижает затраты на строительство.

Глобальные проекты и потенциал ПГАЭС

Хотя ПГАЭС является относительно новой технологией по сравнению с традиционными гидроаккумулирующими станциями, несколько проектов находятся в стадии разработки или рассмотрения по всему миру:

• Германия: В нескольких исследованиях изучался потенциал преобразования заброшенных шахт в объекты ПГАЭС.
• Швейцария: Обладает идеальными геологическими условиями для развития ПГАЭС.
• Австралия: Изучает ПГАЭС как средство поддержки своего растущего сектора возобновляемой энергетики.
• Соединенные Штаты: Исследуют возможности ПГАЭС в различных штатах.
• Китай: Активно инвестирует в гидроаккумулирующие хранилища, включая подземные варианты.

Преимущества ПГАЭС

• Крупномасштабное хранение энергии: ПГАЭС могут обеспечивать значительные объемы хранения энергии, от сотен мегаватт до нескольких гигаватт.
• Длительный срок службы: Объекты ПГАЭС могут эксплуатироваться в течение нескольких десятилетий, обеспечивая долгосрочное решение для хранения энергии.
• Стабильность сети: ПГАЭС могут помочь стабилизировать сеть, обеспечивая быструю реакцию на колебания в предложении и спросе на энергию.
• Дополнение к возобновляемым источникам энергии: ПГАЭС могут хранить избыточную возобновляемую энергию, произведенную в периоды пиковой выработки, и высвобождать ее при необходимости.
• Сниженное воздействие на окружающую среду (по сравнению с наземными ГАЭС): Меньшее нарушение поверхности земли и среды обитания.

Проблемы ПГАЭС

• Геологические требования: ПГАЭС требуют подходящих геологических формаций для строительства подземных резервуаров.
• Высокие капитальные затраты: Строительство ПГАЭС может быть капиталоемким.
• Экологические соображения: Необходимо тщательно учитывать потенциальное воздействие на окружающую среду от подземного строительства и использования воды.
• Доступность воды: ПГАЭС требует надежного источника воды.

Другие технологии подземной энергетики

Помимо геотермальной энергии и ПГАЭС, появляются и другие технологии подземной энергетики:

Подземное хранение энергии на сжатом воздухе (CAES)

CAES включает сжатие воздуха и его хранение в подземных кавернах, таких как соляные купола или водоносные горизонты. Когда требуется электроэнергия, сжатый воздух высвобождается, нагревается и используется для приведения в действие турбин, вырабатывая энергию. Традиционные CAES используют природный газ для нагрева воздуха. Усовершенствованные адиабатические CAES (AA-CAES) сохраняют тепло, выделяющееся при сжатии, и повторно используют его при расширении, повышая эффективность и снижая зависимость от ископаемого топлива.

Подземное хранение водорода (UHS)

Водород рассматривается как чистый энергоноситель. Подземное хранение водорода в соляных кавернах, истощенных нефтегазовых месторождениях или водоносных горизонтах считается ключевым компонентом будущей водородной экономики. Хранимый водород затем может использоваться в топливных элементах для выработки электроэнергии или для других применений. Проблемы включают утечку водорода и поддержание чистоты хранимого водорода.

Подземные электростанции (электростанции в кавернах)

В некоторых случаях обычные электростанции строятся под землей, обычно в кавернах. Это может предложить преимущества с точки зрения землепользования, воздействия на окружающую среду и безопасности. Эти электростанции могут использовать различные источники топлива, включая ископаемое топливо, ядерную энергию или даже биомассу.

Будущее подземной энергетики

Технологии подземной энергетики могут сыграть значительную роль в глобальном энергетическом переходе. Поскольку мир стремится к декарбонизации своих энергетических систем и повышению энергетической безопасности, эти технологии предлагают несколько убедительных преимуществ:

• Повышенная стабильность сети: Технологии подземной энергетики, особенно геотермальная энергия и ПГАЭС, могут обеспечивать базовую мощность и хранение энергии, помогая стабилизировать сеть и интегрировать прерывистые возобновляемые источники энергии.
• Сокращение землепользования: Подземные объекты минимизируют наземную площадь энергетической инфраструктуры, освобождая землю для других целей.
• Повышенная энергетическая безопасность: Подземные ресурсы могут обеспечить надежный и внутренний источник энергии, снижая зависимость от импортируемого топлива.
• Меньшее воздействие на окружающую среду: Технологии подземной энергетики могут сократить выбросы парниковых газов и другие воздействия на окружающую среду по сравнению с ископаемым топливом.
• Инновации и технологические достижения: Текущие исследования и разработки снижают затраты и повышают эффективность технологий подземной энергетики.

Заключение

Подземная энергетика больше не является футуристической концепцией. Это жизнеспособный и все более важный компонент глобального энергетического ландшафта. По мере созревания технологий и снижения затрат подземная энергетика готова сыграть решающую роль в создании устойчивого и надежного энергетического будущего. Использование этих инновационных подходов к производству и хранению энергии будет иметь важное значение для удовлетворения растущих мировых потребностей в энергии при минимизации воздействия на окружающую среду и обеспечении энергетической безопасности. Потенциал использования скрытой энергии Земли огромен, и его полная реализация обещает более чистое, надежное и устойчивое энергетическое будущее для всех.