Para partes de los EE. UU., el mejor lugar para almacenar cantidades masivas de energía para la red eléctrica podría estar justo debajo de nuestros pies.

La energía geotérmica, que se basa en roca caliente muy por debajo de la superficie terrestre, se ha utilizado durante mucho tiempo como fuente de calefacción y generación de electricidad. Pero los avances recientes en la tecnología de perforación han abierto nuevas oportunidades para desplegar ampliamente la energía geotérmica. Estimuló a los investigadores de la Universidad de Princeton a demostrar en un artículo de la revista Applied Energy que la geotermia también puede servir como una tecnología ideal para el almacenamiento de energía. Además, la energía geotérmica puede complementar la energía eólica y solar, proporcionando energía cuando el sol no brilla o el viento amaina.

"En el oeste de los Estados Unidos, donde hay mucho potencial geotérmico, esta podría ser la pieza que falta del rompecabezas para llegar a un sistema de electricidad libre de carbono junto con mucha energía eólica y solar y baterías de menor duración y demanda flexibilidad", dijo Jesse Jenkins, investigador principal del proyecto y profesor asistente de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente.

La geotermia es una tecnología antigua y se ha utilizado para la calefacción durante siglos. Boise, Idaho, calienta gran parte del centro con geotermia. En los tiempos modernos, la geotermia se ha expandido a la industria energética, impulsa bombas de calor y suministra energía eléctrica a la red. Las ventajas de la tecnología de energía renovable incluyen su generación constante, mantenimiento relativamente bajo y producción de carbono cero.

Pero para la electricidad a escala de red, la geotermia sigue siendo un actor de nicho. Eso es porque la tecnología requiere ubicaciones específicas. Principalmente, los ingenieros necesitan regiones geológicas calientes bastante cerca de la superficie, formaciones rocosas fisuradas que sirvan como radiadores y acceso a fluidos para mover el calor a la superficie. (Aquí hay una descripción general de la energía geotérmica). Eso está cambiando rápidamente a medida que los ingenieros están desarrollando nuevas tecnologías con miras a expandir enormemente la generación de electricidad geotérmica.

La innovación clave aprovecha las tecnologías del sector del petróleo y el gas, incluida la perforación direccional y la estimulación hidráulica, para crear sistemas de fracturas artificiales dondequiera que se pueda encontrar roca caliente e impermeable. Si tienen éxito, las empresas que comercialicen estas nuevas técnicas podrían desbloquear un recurso limpio y renovable capaz de suministrar eventualmente cientos de gigavatios de energía solo en los Estados Unidos.

"Esa capacidad de alejarse de estos lugares muy específicos donde tiene todas las cosas correctas en el lugar correcto, a cualquier lugar donde tenga rocas lo suficientemente calientes accesibles sin perforar demasiado profundo, significa que la geotermia mejorada puede abrir una base de recursos mucho más amplia. ", dijo Jenkins.

Resulta que estas técnicas novedosas tienen otra ventaja oculta que se ha pasado por alto hasta ahora. El agua que circula a través del sistema de fractura artificial está contenida dentro de rocas impermeables, lo que significa que no puede filtrarse, y eso hace que estos depósitos geotérmicos sean una excelente manera de almacenar grandes cantidades de energía cuando la demanda es baja y luego liberarla cuando la demanda es alta. . Almacenar energía y cambiar la producción a los momentos más valiosos aumenta la rentabilidad geotérmica y actúa como un complemento perfecto para los sistemas renovables variables dependientes del clima, como la eólica y la solar.

"Ejecutamos simulaciones de yacimientos para evaluar los sistemas que estamos diseñando", dijo Jack Norbeck, cofundador y CTO de Fervo Energy, una empresa de desarrollo con sede en Houston pionera en estas tecnologías geotérmicas avanzadas. Las simulaciones mostraron que sus sistemas geotérmicos podrían funcionar para proporcionar energía constante, o carga base, pero también para almacenar y cambiar la energía de manera eficiente para su uso posterior. "Podemos operarlos tanto en modo de carga base como flexible, lo cual es un gran paso adelante para la tecnología geotérmica".

En 2020, los ingenieros de Fervo confiaban en que su sistema funcionaría. Pero querían saber sobre la economía de los sistemas y cómo integrar de manera óptima la tecnología en la red eléctrica. Para obtener respuestas, Fervo se acercó a Jenkins, jefe de ZERO Lab de Princeton.

"Ese es exactamente el tipo de preguntas que nos encanta ver", dijo Jenkins. "Estas son preguntas prácticas que guiarán la toma de decisiones, la inversión y la innovación en el mundo real, pero que aún no han sido respondidas en la literatura académica. Así que ese es el proyecto perfecto para nosotros, algo que es una pregunta abierta en la investigación donde la respuesta importa hoy, de inmediato, para las decisiones que la gente real está tomando sobre cómo asignar su tiempo, dinero y esfuerzos de innovación".

Norbeck, CTO de Fervo, brindó soporte técnico para el estudio. Dijo que el núcleo de la idea era combinar la energía térmica de las rocas subterráneas con la energía mecánica de las capas de roca superpuestas. Los ingenieros de Fervo utilizan técnicas de perforación horizontal para crear una serie de pozos de inyección y producción que están conectados entre sí por muchos pequeños canales en la roca, formando un depósito subterráneo a unos 10,000 pies debajo de la tierra donde se puede calentar el agua. En lugar de usar inmediatamente agua calentada para impulsar turbinas para obtener electricidad, los técnicos dirigen el agua caliente y presurizada hacia la red de canales del embalse. El fluido se acumula en el yacimiento y flexiona la roca, y esa presión puede liberarse más tarde para impulsar fluido caliente a la superficie para impulsar turbinas para generar electricidad.

Los investigadores demostraron que este sistema se puede utilizar para almacenar y enviar electricidad en un amplio rango de duraciones, desde unas pocas horas hasta muchos días a la vez, lo que lo distingue de la mayoría de las otras tecnologías de almacenamiento. "La eficiencia depende de la geología y otras características de la roca", dijo Norbeck. Pero, en general, "resulta que esta forma de almacenamiento de energía resulta ser una de las formas más baratas de almacenamiento de energía de larga duración".

Wilson Ricks, un 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. + Explora más

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