Para partes dos EUA, o melhor lugar para armazenar grandes quantidades de energia para a rede elétrica pode estar bem abaixo de nossos pés.
A energia geotérmica, que se baseia em rochas quentes muito abaixo da superfície da Terra, tem sido usada há muito tempo como fonte de aquecimento e geração de eletricidade. Mas os avanços recentes na tecnologia de perfuração abriram novas oportunidades para implantar amplamente a energia geotérmica. Isso estimulou pesquisadores da Universidade de Princeton a demonstrar em um artigo na revista Applied Energy que a geotérmica também pode servir como uma tecnologia ideal para armazenamento de energia. Além disso, a geotérmica pode complementar a energia eólica e solar, fornecendo energia quando o sol não está brilhando ou o vento diminui.

"No oeste dos Estados Unidos, onde há muito potencial geotérmico, essa pode ser a peça que faltava no quebra-cabeça para chegar a um sistema de eletricidade sem carbono em conjunto com muita energia eólica e solar e baterias de menor duração e demanda. flexibilidade", disse Jesse Jenkins, pesquisador principal do projeto e professor assistente de Engenharia Mecânica e Aeroespacial e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente.

A geotérmica é uma tecnologia antiga e tem sido usada para aquecimento há séculos. Boise, Idaho, aquece grande parte do centro da cidade com energia geotérmica. Nos tempos modernos, a geotérmica se expandiu para a indústria de energia, acionamento de bombas de calor e fornecimento de energia elétrica à rede. As vantagens da tecnologia de energia renovável incluem sua geração constante, manutenção relativamente baixa e produção zero de carbono.

Mas para a eletricidade em escala de rede, a geotérmica continua sendo um player de nicho. Isso porque a tecnologia requer locais específicos. Principalmente, os engenheiros precisam de regiões geológicas quentes bem próximas à superfície, formações rochosas fissuradas que servem como radiadores e acesso a fluidos para mover o calor para a superfície. (Aqui está uma visão geral da energia geotérmica.) Isso está mudando rapidamente à medida que os engenheiros estão desenvolvendo novas tecnologias com o objetivo de expandir amplamente a geração de eletricidade geotérmica.

A principal inovação aproveita tecnologias do setor de petróleo e gás, incluindo perfuração direcional e estimulação hidráulica, para criar sistemas de fratura artificial onde quer que se encontre rocha quente e impermeável. Se forem bem-sucedidas, as empresas que comercializam essas novas técnicas poderão liberar um recurso limpo e renovável capaz de fornecer centenas de gigawatts de energia apenas nos Estados Unidos.

"Essa capacidade de se afastar desses locais muito específicos, onde você tem todas as coisas certas no lugar certo, para qualquer lugar onde você tenha rochas quentes o suficiente acessíveis sem perfurar muito fundo, significa que a geotérmica aprimorada pode abrir uma base de recursos muito mais ampla. ", disse Jenkins.

Acontece que essas novas técnicas têm outra vantagem oculta que foi negligenciada até agora. A água circulada pelo sistema de fratura artificial está contida em rochas impermeáveis, o que significa que não pode vazar, e isso torna esses reservatórios geotérmicos uma ótima maneira de armazenar grandes quantidades de energia quando a demanda é baixa e liberar a energia quando a demanda é alta . Armazenar energia e transferir a produção para os momentos mais valiosos aumenta a lucratividade geotérmica e atua como um complemento perfeito para sistemas renováveis ​​variáveis ​​dependentes do clima, como eólico e solar.

"Fizemos simulações de reservatórios para avaliar os sistemas que estamos projetando", disse Jack Norbeck, cofundador e CTO da Fervo Energy, uma empresa de desenvolvimento com sede em Houston pioneira nessas tecnologias geotérmicas avançadas. As simulações mostraram que seus sistemas geotérmicos poderiam funcionar para fornecer energia estável, ou carga de base, mas também para armazenar e transferir energia com eficiência para uso posterior. "Podemos operá-los nos modos de carga de base e flexível, o que é um grande passo à frente para a tecnologia geotérmica".

Em 2020, os engenheiros da Fervo estavam confiantes de que seu sistema funcionaria. Mas eles queriam saber sobre a economia dos sistemas e como integrar de forma otimizada a tecnologia na rede elétrica. Para obter respostas, Fervo abordou Jenkins, chefe do ZERO Lab de Princeton.

“Esse é exatamente o tipo de pergunta que adoramos analisar”, disse Jenkins. "Estas são questões práticas que vão guiar a tomada de decisões, investimentos e inovação no mundo real, mas ainda não foram respondidas na literatura acadêmica. Então esse é o projeto perfeito para nós - algo que é uma questão aberta na pesquisa onde a resposta importa hoje, imediatamente, para as decisões que pessoas reais estão tomando sobre como alocar seu tempo, dinheiro e esforços de inovação."

Norbeck, CTO da Fervo, forneceu suporte técnico para o estudo. Ele disse que o cerne da ideia era combinar a energia térmica das rochas subterrâneas com a energia mecânica das camadas de rochas sobrepostas. Os engenheiros da Fervo usam técnicas de perfuração horizontal para criar uma série de poços de injeção e produção que são conectados uns aos outros por muitos pequenos canais na rocha, formando um reservatório subterrâneo a cerca de 10.000 pés abaixo da terra, onde a água pode ser aquecida. Em vez de usar imediatamente água aquecida para acionar turbinas de eletricidade, os técnicos direcionam a água quente e pressurizada para a rede de canais do reservatório. O fluido se acumula no reservatório e flexiona a rocha, e essa pressão pode ser liberada mais tarde para levar o fluido quente à superfície para alimentar as turbinas para eletricidade.

Os pesquisadores mostraram que esse sistema pode ser usado para armazenar e despachar eletricidade em uma ampla variedade de durações, de apenas algumas horas até muitos dias de cada vez, diferenciando-o da maioria das outras tecnologias de armazenamento. "A eficiência depende da geologia e de outras características da rocha", disse Norbeck. Mas, em geral, "acontece que essa forma de armazenamento de energia prova ser uma das formas mais baratas de armazenamento de energia de longa duração".

Wilson Ricks, um Ph.D. candidato em engenharia mecânica e aeroespacial e pesquisador do ZERO Lab, liderou a pesquisa e disse que os resultados do estudo superaram o que ele esperava inicialmente.

“A ideia parecia simples e elegante para mim:você tem esse sistema, tem essas propriedades inerentes e talvez possamos apenas explorá-las para armazenar energia … quase como a cereja do bolo”, disse Ricks, principal autor do artigo. “Acabou sendo, inequivocamente, mais valioso em quase todos os contextos e, na verdade, uma vantagem potencial muito grande”.

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. + Explorar mais

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