In diesem Artikel werden unterirdische thermische Energiespeicher unter Aspekten wie ihren Eigenschaften, Nutzungsszenarien, Energieverteilung, Betriebsmechanismen und -prinzipien analysiert.
Ausgehend von einem Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung und Nutzung globaler unterirdischer thermischer Energiespeicher fasst dieser Artikel die Entwicklungstrends sowie die Forschungs- und Entwicklungsrichtungen neuer Technologien für die Entwicklung und Nutzung globaler unterirdischer thermischer Energiespeicher zusammen
Ausgehend von der Verteilung der geothermischen Ressourcen, der Nutzung der geothermischen Stromerzeugung, der direkten Nutzung der unterirdischen thermischen Speicher und der unterirdischen thermischen Energiespeicherung.
1. Was ist unterirdische thermische Energiespeicherung?
Die unterirdische thermische Energiespeicherung, die aus einheimischen Quellen in der Erde stammt, ist eine saubere, erneuerbare Energiequelle. Verglichen mit Windenergie, Solarbatterie Energie und anderen erneuerbaren Energiequellen ist der größte Vorteil der unterirdischen thermischen Energiespeicherung die stabile und kontinuierliche Energieabgabe. Der Bericht der Internationalen Organisation für Erneuerbare Energien (IRENA) "Renewable Energy Power Generation Cost" zeigt, dass von 2007 bis 2021 der Energieverbrauch der geothermischen Stromerzeugung Der Nutzungskoeffizient liegt zwischen 70% und 90%.
2. Entwicklungsstand der unterirdischen thermischen Energiespeicherung
Seit 2010 hat die Nutzung unterirdischer thermischer Energiespeicher weltweit stark zugenommen. Die installierte Kapazität und die jährliche Wärmenutzung der geothermischen Direktnutzung liegen bei etwa 108 GWt bzw. 283.580 GWh.
Bei der direkten Nutzung unterirdischer Wärmespeicher nimmt China seit langem weltweit den ersten Platz ein. Auf Erdwärmepumpensysteme entfallen etwa 72% bzw. 60% der weltweit installierten Kapazität und Wärmenutzung der direkten geothermischen Nutzung.
Von 1995 bis 2020 verzeichneten Wärmepumpensysteme einen exponentiellen Wachstumstrend von etwa 16% pro Jahr, und dieser Trend wird sich voraussichtlich auch in Zukunft fortsetzen.
Im Jahr 2020 wird die installierte Gesamtkapazität der geothermischen Stromerzeugung weltweit 15,9 GW betragen, und die jährliche Stromerzeugung liegt bei 73.550 GWh. Von 2010 bis 2020 beträgt die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der geothermischen Stromerzeugung etwa 4%.
3. Verteilung der geothermischen Ressourcen
Die weltweiten geothermischen Ressourcen sind reichlich vorhanden, aber ihre räumliche Verteilung ist äußerst ungleichmäßig. Geothermische Hochtemperaturressourcen sind hauptsächlich an diskreten Plattengrenzen und konvergenten Plattengrenzen verteilt. Die Verteilung der geothermischen Hochtemperaturressourcen wird im Allgemeinen durch den tektonisch-thermischen Hintergrund der Erde bestimmt.
Die räumliche Verteilung steht im Zusammenhang mit globale Energiespeicherung Plattengrenzen, seismische Zonen und vulkanische Zonen. Die wichtigsten Merkmale sind hohe Wärmeströme, starke hydrothermale Aktivitäten mit hohen Temperaturen, aktive Vulkane und häufige Erdbeben.
Die vier globalen geothermischen Hochtemperaturgürtel sind: der Pazifische Randgürtel, der Mittelatlantische Rückengürtel, der Ostafrikanische Grabenbruchgürtel und der Mittelmeer-Himalaya-Gürtel.
Die zirkumpazifische geothermische Zone ist die am weitesten verbreitete geothermische Zone der Welt und erstreckt sich entlang der Subduktions-/Kollisionsgrenze zwischen der pazifischen Platte, der amerikanischen Platte und der eurasischen Platte.
Die bemerkenswertesten Merkmale sind der starke Wärmefluss, die junge Orogenese und der häufige aktive Vulkanismus. Je nach geografischer Verteilung wird er in drei geothermische Unterzonen unterteilt: den Ostpazifischen Rücken, den Westpazifischen Inselbogen und die Südostpazifische Naht.
Die Temperatur des Reservoirs liegt im Allgemeinen zwischen 250 und 300 °C. Repräsentative geothermische Felder sind Gaithers in den Vereinigten Staaten (288°C), Cerro Prieto in Mexiko (388°C), Datun in Taiwan, China (293°C) und Matsukawa in Japan (250°C). ) und Buckman auf den Philippinen (300℃), usw.
4. Nutzung der geothermischen Ressourcen
Die geothermische Stromerzeugung ist eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Nutzung unterirdischer thermischer Energiespeicher. Zu den wichtigsten Technologien der geothermischen Stromerzeugung gehört derzeit die Gegendruckenergieerzeugung.
Kondensationsstromerzeugung, Flash-Verdampfungsstromerzeugung, Duplex-Stromerzeugung, Vollstrom-Stromerzeugung, Flash-Duplex-Stromerzeugung, usw. Die Art der Stromerzeugung hängt hauptsächlich von den örtlichen geothermischen Ressourcen ab.
Die geothermische Stromerzeugung hat eine jahrhundertelange Geschichte. Im Jahr 1904 nutzte Ladrello in der Toskana, Italien, erstmals unterirdische Wärmespeicher, um einen kleinen Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Die erzeugte Leistung betrug 0,55 kW, was für die Beleuchtung von fünf 100-W-Lampen ausreichte.
5. Direkte Anwendung der unterirdischen thermischen Energiespeicherung
Die direkte Nutzung von unterirdischen Wärmespeichern umfasst geothermische Heizung, geothermische Kühlung, geothermische Trocknung, Bäder mit heißen Quellen und Erdwärmepumpen. Nach einer langjährigen Entwicklung hat sich die direkte Nutzung geothermischer Ressourcen von einer kleinen Einzwecknutzung zu groß angelegten umfassenden Nutzungsprojekten entwickelt.
Derzeit nutzen mehr als 80 Länder auf der ganzen Welt unterirdische Wärmespeicher direkt für die Gebäudeheizung (oder -kühlung) oder für Industrie und Landwirtschaft. Unter ihnen ist Island ein bekanntes Beispiel für die effiziente Entwicklung und Nutzung unterirdischer Wärmespeicher.
Obwohl das Land in der Nähe des Polarkreises liegt und das ganze Jahr über niedrige Temperaturen aufweist, heizen mehr als 90% der Haushalte im ganzen Land mit Erdwärme, da es reichlich geothermische Ressourcen gibt.
6. unterirdisches thermisches Energiespeichersystem
Die unterirdische thermische Energiespeicherung ist ein Energiesystem, das unterirdische Aquifere als Medium zur Speicherung von Wärmeenergie nutzt. Dabei wird über Grundwasserbrunnen Grundwasser in Aquifere eingespeist und entnommen, um Wärmeenergie zu speichern und zu gewinnen.
Die unterirdische thermische Energiespeicherung kann das Ungleichgewicht zwischen Energieangebot und -nachfrage bei der zeitlichen und räumlichen Verteilung ausgleichen, eine Vielzahl von erneuerbaren Energieformen umfassend nutzen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und eine gute Lösung für Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und Umweltschutz bieten. Sie ist auch ein wirksames Mittel, um der Welt zu helfen, das "Double Carbon"-Ziel zu erreichen.
7. Klassifizierung der unterirdischen thermischen Energiespeicherung
Aufgrund ihrer niedrigen Temperatur werden oberflächennahe unterirdische Wärmespeicher hauptsächlich zum Heizen und Kühlen von Gebäuden verwendet. Die tatsächliche internationale Nutzung von oberflächennahen unterirdischen Wärmespeichern Systeme begann Mitte des 20. Jahrhunderts.
China hat schon früh damit begonnen, flache unterirdische Aquifere für die Wärmespeicherung zu nutzen. Bislang wurden in China insgesamt 6 flache unterirdische Wärmespeicher gebaut und in Betrieb genommen.
In den letzten Jahren haben sich mit der Entwicklung aufstrebender Industriezweige die Nutzungsmethoden für oberflächennahe unterirdische thermische Energiespeicher immer mehr diversifiziert. Derzeit werden oberflächliche unterirdische Wärmespeicher in der Gewächshauslandwirtschaft und in großen Rechenzentren eingesetzt.
Thermische Tiefenspeicher können hohe Temperaturen von teilweise über 100 °C speichern und werden hauptsächlich zur Stromerzeugung und zum Heizen eingesetzt. Die Erforschung und Nutzung von thermischen Tiefenspeichern im Untergrund begann in den 1980er Jahren.
In den letzten Jahren hat die steigende Nachfrage nach Energie dazu geführt, dass tief unter der Erde thermische Energiespeicherung Die Technologie der thermischen Energiespeicherung in der Tiefe hat wieder an Aufmerksamkeit gewonnen, und auch die Forschung und die technische Praxis im Bereich der thermischen Energiespeicherung in der Tiefe haben immer mehr an Bedeutung gewonnen.
Als riesiger natürlicher Energiespeicher ist die geothermische Speicherung am besten geeignet, die Funktionen der Energiespeicherung und der stabilen thermischen Energieabgabe in einem komplementären Multi-Energie-System zu übernehmen. Sie kann Windenergie, Solarenergie und andere Speicherung erneuerbarer Energien Quellen, um eine effiziente und groß angelegte saisonübergreifende Energiespeicherung zu erreichen.
Verbesserung der Nutzungseffizienz der erneuerbaren Energien und Überwindung der Mängel der erneuerbaren Energien, wie z. B. deren Unterbrechung und Instabilität.
Gleichzeitig bieten unterirdische thermische Energiespeichersysteme unter bestimmten Bedingungen größere wirtschaftliche Vorteile als herkömmliche geothermische Systeme. Die Amortisationszeit für ein typisches unterirdisches thermisches Energiespeichersystem beträgt nur 2 bis 10 Jahre.
Die Amortisationszeit für unterirdische thermische Energiesysteme zur Kühlung ist sogar noch kürzer, da die gespeicherte Kälteenergie direkt genutzt werden kann, ohne dass eine Wärmepumpe erforderlich ist. Forschungsberichten zufolge kann die durchschnittliche Lebensdauer von unterirdischen thermischen Energiespeichern 25 bis 50 Jahre betragen.
8. Zusammenfassung
Derzeit werden die oberflächennahen geothermischen Ressourcen auf der ganzen Welt durch die Erdwärmepumpentechnologie erschlossen und genutzt. Diese Technologie ist eine der am schnellsten wachsenden Technologien für erneuerbare Energien in der Welt und der am schnellsten wachsende Teil der geothermischen Nutzungstechnologie.
Tiefe Hochtemperatur-Hydrothermalsysteme existieren nur in bestimmten geologischen Strukturen und sind relativ selten, was das Wachstum der geothermischen Hochtemperatur-Stromerzeugung stark einschränkt.
Daher sollten in Gebieten, in denen die Bedingungen dies zulassen, verschiedene Technologien zur direkten Nutzung der Geothermie entwickelt und eine umfassende Kaskadennutzung eingeführt werden, um die Effizienz der Nutzung geothermischer Ressourcen zu verbessern.
Obwohl die Erde ein riesiges Wärmereservoir ist, sind die geothermischen Ressourcen sehr ungleichmäßig verteilt. Oft gibt es in Gebieten mit hohem Bedarf nicht genügend nutzbare geothermische Ressourcen, während in Gebieten mit geringem Bedarf geothermische Ressourcen im Überfluss vorhanden sind.
Daher ist die Frage, wie diese überschüssige Energie gespeichert und in vollem Umfang genutzt werden kann, ein wichtiges Thema im Bereich der Geothermie und sogar im gesamten Bereich der neuen und erneuerbaren Energien. In der Tat ist die groß angelegte saisonübergreifende Energiespeicherung ein wichtiges wissenschaftliches Thema in der Energiewirtschaft. Derzeit ist die wichtigste verfügbare Methode die Pumpspeicherung.
Pumpspeicherkraftwerke haben jedoch mit Problemen zu kämpfen, wie z. B. der geringen Effizienz der Energienutzung und den hohen Standortanforderungen. Es besteht ein dringender Bedarf, neue Speichermethoden in großem Maßstab zu erforschen, Energiespeichertechnologienund die unterirdische thermische Energiespeicherung bietet große Möglichkeiten.
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