Використання прихованої сили Землі: Глобальний огляд підземної генерації електроенергії

Пошук сталих та надійних джерел енергії є глобальним імперативом. У той час як сонячна, вітрова та інші види відновлюваної енергетики набирають обертів, підземна генерація електроенергії є переконливою альтернативою та доповнюючим підходом. Ця інноваційна сфера використовує природні ресурси та геологічні утворення Землі для генерації та зберігання енергії, пропонуючи унікальні переваги з точки зору стабільності, землекористування та впливу на навколишнє середовище.

Що таке підземна генерація електроенергії?

Підземна генерація електроенергії охоплює низку технологій, які використовують підземні ресурси або простори для виробництва та зберігання енергії. Основні категорії включають:

• Геотермальна енергетика: Видобуток тепла з надр Землі для виробництва електроенергії або прямого опалення.
• Підземна гідроакумулююча станція (ПГАЕС): Зберігання енергії шляхом перекачування води до підземного резервуару та її випуску для генерації електроенергії за потреби.
• Підземне зберігання енергії на стисненому повітрі (CAES): Стиснення повітря та його зберігання під землею для подальшого випуску для приводу турбін та генерації електроенергії.
• Підземне зберігання водню (UHS): Зберігання водню в підземних кавернах для подальшого використання у виробництві електроенергії або для інших цілей.

Геотермальна енергетика: Використання внутрішнього тепла Землі

Геотермальна енергетика є зрілою та широко поширеною формою підземної генерації електроенергії. Вона використовує внутрішнє тепло Землі, яке постійно поповнюється, що робить її відновлюваним та сталим ресурсом.

Типи геотермальних ресурсів

• Гідротермальні ресурси: Ці ресурси включають природні підземні резервуари гарячої води або пари. Вони класифікуються на:
• Високотемпературні гідротермальні: Використовуються для виробництва електроенергії, зазвичай знаходяться у вулканічних регіонах.
• Низькотемпературні гідротермальні: Використовуються для прямого опалення, такого як централізоване теплопостачання, теплиці та аквакультура.
• Покращені геотермальні системи (EGS): EGS, також відомі як інженерні геотермальні системи або петротермальні системи (HDR), передбачають створення штучних тріщин у гарячих сухих породах глибоко під землею, щоб вода могла циркулювати та видобувати тепло. Це розширює географічний потенціал геотермальної енергетики.
• Геотермальні теплові насоси (GHPs): Використовують постійну температуру неглибоких шарів ґрунту для обігріву та охолодження будівель. Зазвичай вони не вважаються засобом генерації електроенергії, але значно сприяють енергоефективності.

Світове виробництво геотермальної енергії: приклади та тенденції

Геотермальна енергія використовується в багатьох країнах світу. Ось кілька помітних прикладів:

• Сполучені Штати: Найбільший у світі виробник геотермальної електроенергії, зі значними потужностями в Каліфорнії, Неваді та Юті. Геотермальне поле Гейзерс у Каліфорнії є яскравим прикладом високотемпературного гідротермального ресурсу.
• Індонезія: Має значні геотермальні ресурси завдяки своєму розташуванню вздовж Тихоокеанського вогняного кільця. Вона активно розробляє нові геотермальні електростанції для задоволення зростаючих енергетичних потреб.
• Філіппіни: Ще одна країна з багатим геотермальним потенціалом, з численними діючими геотермальними електростанціями.
• Ісландія: Піонер у використанні геотермальної енергії, використовуючи її для виробництва електроенергії, централізованого опалення та різноманітних промислових застосувань. Геотермальна енергія забезпечує значну частину енергетичних потреб Ісландії.
• Кенія: Провідний виробник геотермальної енергії в Африці, зі значним розвитком у геотермальному полі Олкарія.
• Нова Зеландія: Використовує геотермальну енергію як для виробництва електроенергії, так і для прямого використання.
• Туреччина: Швидко розширює свої геотермальні потужності, з численними новими електростанціями, що знаходяться на стадії розробки.

Переваги геотермальної енергетики

• Відновлюваність та сталість: Внутрішнє тепло Землі є практично невичерпним ресурсом.
• Базова потужність: Геотермальні електростанції можуть працювати безперервно, забезпечуючи надійне базове енергопостачання, на відміну від переривчастих відновлюваних джерел, таких як сонячна та вітрова енергія.
• Невеликий земельний слід: Геотермальні електростанції зазвичай потребують менше землі, ніж інші види виробництва енергії.
• Низькі викиди: Геотермальна енергетика виробляє значно менше викидів парникових газів у порівнянні з викопним паливом.
• Застосування для прямого використання: Геотермальну енергію можна використовувати безпосередньо для опалення, охолодження та промислових процесів.

Виклики геотермальної енергетики

• Географічні обмеження: Високотемпературні гідротермальні ресурси зосереджені в певних регіонах, хоча технології EGS розширюють географічний потенціал.
• Високі початкові витрати: Будівництво геотермальних електростанцій може бути капіталомістким.
• Сталість ресурсу: Надмірний видобуток геотермальних флюїдів може призвести до виснаження родовища, якщо не керувати ним належним чином.
• Індукована сейсмічність: Операції EGS потенційно можуть викликати незначні землетруси, що вимагає ретельного моніторингу та заходів щодо пом'якшення наслідків.
• Екологічні проблеми: Геотермальні флюїди можуть містити розчинені мінерали та гази, які потребують належної утилізації.

Підземна гідроакумулююча станція (ПГАЕС): Стале рішення для зберігання енергії

Зберігання енергії є ключовим для інтеграції переривчастих відновлюваних джерел енергії в мережу та забезпечення її стабільності. Підземна гідроакумулююча станція (ПГАЕС) пропонує перспективне рішення для великомасштабного зберігання енергії.

Як працює ПГАЕС

ПГАЕС складається з двох резервуарів на різній висоті. У періоди низького попиту на енергію або надлишкового виробництва відновлюваної енергії вода перекачується з нижнього резервуара до верхнього, зберігаючи потенційну енергію. Коли попит на енергію високий, вода випускається з верхнього резервуара до нижнього, проходячи через турбіни для виробництва електроенергії.

У системах ПГАЕС принаймні один з цих резервуарів розташований під землею, або в природній каверні, або в штучно виритому просторі. Це пропонує кілька переваг:

• Зменшене землекористування: Підземні резервуари мінімізують поверхневий слід сховища.
• Екологічні переваги: ПГАЕС може зменшити вплив на навколишнє середовище порівняно з традиційними поверхневими гідроакумулюючими станціями, які часто вимагають перекриття річок та затоплення долин.
• Естетичні переваги: Підземні резервуари візуально непомітні.
• Потенціал для інтеграції з існуючою інфраструктурою: ПГАЕС можна інтегрувати з існуючими підземними шахтами або тунелями, що знижує витрати на будівництво.

Глобальні проєкти та потенціал ПГАЕС

Хоча ПГАЕС є відносно новою технологією порівняно з традиційними гідроакумулюючими станціями, кілька проєктів знаходяться на стадії розробки або розглядаються у всьому світі:

• Німеччина: Кілька досліджень вивчали потенціал перетворення занедбаних шахт на об'єкти ПГАЕС.
• Швейцарія: Має ідеальні геологічні умови для розвитку ПГАЕС.
• Австралія: Досліджує ПГАЕС як засіб підтримки свого зростаючого сектору відновлюваної енергетики.
• Сполучені Штати: Вивчають можливості ПГАЕС у різних штатах.
• Китай: Активно інвестує в гідроакумулюючі сховища, включаючи підземні варіанти.

Переваги ПГАЕС

• Великомасштабне зберігання енергії: ПГАЕС може забезпечити значну ємність для зберігання енергії, від сотень мегават до кількох гігават.
• Тривалий термін служби: Об'єкти ПГАЕС можуть працювати протягом кількох десятиліть, забезпечуючи довгострокове рішення для зберігання енергії.
• Стабільність мережі: ПГАЕС може допомогти стабілізувати мережу, забезпечуючи швидку реакцію на коливання попиту та пропозиції енергії.
• Доповнення до відновлюваних джерел енергії: ПГАЕС може зберігати надлишкову відновлювану енергію, вироблену в періоди пікового виробництва, і випускати її за потреби.
• Зменшений вплив на навколишнє середовище (порівняно з поверхневими ГАЕС): Менше порушення поверхні землі та руйнування середовища існування.

Виклики ПГАЕС

• Геологічні вимоги: ПГАЕС вимагає відповідних геологічних утворень для будівництва підземних резервуарів.
• Високі капітальні витрати: Будівництво ПГАЕС може бути капіталомістким.
• Екологічні міркування: Необхідно ретельно враховувати потенційний вплив підземного будівництва та використання води на навколишнє середовище.
• Доступність води: ПГАЕС вимагає надійного джерела води.

Інші технології підземної генерації електроенергії

Крім геотермальної енергетики та ПГАЕС, з'являються й інші технології підземної генерації електроенергії:

Підземне зберігання енергії на стисненому повітрі (CAES)

CAES передбачає стиснення повітря та його зберігання в підземних кавернах, таких як соляні куполи або водоносні горизонти. Коли потрібна електроенергія, стиснене повітря випускається, нагрівається та використовується для приводу турбін, генеруючи потужність. Традиційна CAES покладається на природний газ для нагрівання повітря. Удосконалена адіабатична CAES (AA-CAES) зберігає тепло, що утворюється під час стиснення, і повторно використовує його під час розширення, підвищуючи ефективність і зменшуючи залежність від викопного палива.

Підземне зберігання водню (UHS)

Водень розглядається як чистий енергоносій. Підземне зберігання водню в соляних кавернах, виснажених нафтових і газових родовищах або водоносних горизонтах розглядається як ключовий компонент майбутньої водневої економіки. Збережений водень потім можна використовувати в паливних елементах для виробництва електроенергії або для інших застосувань. Проблеми включають витік водню та збереження чистоти збереженого водню.

Підземні електростанції (Кавернні електростанції)

У деяких випадках звичайні електростанції будуються під землею, зазвичай у кавернах. Це може запропонувати переваги з точки зору землекористування, впливу на навколишнє середовище та безпеки. Ці електростанції можуть використовувати різноманітні джерела палива, включаючи викопне паливо, ядерну енергію або навіть біомасу.

Майбутнє підземної генерації електроенергії

Технології підземної генерації електроенергії мають потенціал відіграти значну роль у глобальному енергетичному переході. Оскільки світ прагне декарбонізувати свої енергетичні системи та підвищити енергетичну безпеку, ці технології пропонують кілька переконливих переваг:

• Підвищена стабільність мережі: Технології підземної генерації електроенергії, зокрема геотермальна та ПГАЕС, можуть забезпечувати базову потужність та зберігання енергії, допомагаючи стабілізувати мережу та інтегрувати переривчасті відновлювані джерела енергії.
• Зменшене землекористування: Підземні об'єкти мінімізують поверхневий слід енергетичної інфраструктури, звільняючи землю для інших цілей.
• Підвищена енергетична безпека: Підземні ресурси можуть забезпечити надійне та вітчизняне джерело енергії, зменшуючи залежність від імпортного палива.
• Менший вплив на навколишнє середовище: Технології підземної генерації електроенергії можуть зменшити викиди парникових газів та інші впливи на навколишнє середовище порівняно з викопним паливом.
• Інновації та технологічний прогрес: Постійні дослідження та розробки знижують витрати та підвищують ефективність технологій підземної генерації електроенергії.

Висновок

Підземна генерація електроенергії більше не є футуристичною концепцією. Це життєздатний і все більш важливий компонент глобального енергетичного ландшафту. У міру того, як технології вдосконалюються, а витрати знижуються, підземна генерація електроенергії готова відігравати вирішальну роль у створенні сталого та стійкого енергетичного майбутнього. Застосування цих інноваційних підходів до виробництва та зберігання енергії буде мати важливе значення для задоволення зростаючих світових енергетичних потреб при мінімізації впливу на навколишнє середовище та забезпеченні енергетичної безпеки. Потенціал використання прихованої сили Землі величезний, і його повна реалізація обіцяє чистіше, надійніше та стале енергетичне майбутнє для всіх.