Questo articolo analizzerà l'accumulo di energia termica nel sottosuolo da aspetti quali le sue caratteristiche, gli scenari di utilizzo, la distribuzione dell'energia, il meccanismo di funzionamento e i principi.
Sulla base di una panoramica dello stato attuale dello sviluppo e dell'utilizzo dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo a livello mondiale, questo articolo riassume le tendenze di sviluppo e le nuove direzioni di ricerca e sviluppo tecnologico dello sviluppo e dell'utilizzo dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo a livello mondiale.
A partire dalla distribuzione delle risorse geotermiche, l'utilizzo della generazione di energia geotermica, l'utilizzo diretto dello stoccaggio termico sotterraneo e lo stoccaggio di energia termica sotterranea.
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1. Che cos'è l'accumulo di energia termica nel sottosuolo?
L'accumulo di energia termica nel sottosuolo, ricavato da fonti interne alla terra, è una fonte di energia pulita e rinnovabile. Rispetto all'energia eolica, batteria solare L'energia geotermica e le altre fonti di energia rinnovabile, il più grande vantaggio dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo è la produzione stabile e continua di energia. Il rapporto dell'Organizzazione Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA) "Renewable Energy Power Generation Cost" mostra che dal 2007 al 2021, il consumo energetico della generazione di energia geotermica Il coefficiente di utilizzo è compreso tra 70% e 90%.
2. Stato di sviluppo dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo
Dal 2010, l'utilizzo dello stoccaggio di energia termica sotterranea a livello mondiale è cresciuto rapidamente. La capacità installata e l'utilizzo annuale di calore dell'utilizzo diretto della geotermia sono rispettivamente di circa 108GWt e 283.580GWh.
La Cina ha mantenuto a lungo il primo posto al mondo nell'utilizzo diretto dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo. I sistemi di pompe di calore a sorgente terrestre rappresentano rispettivamente circa 72% e 60% della capacità installata e dell'utilizzo di calore della geotermia diretta a livello mondiale.
Dal 1995 al 2020, i sistemi a pompa di calore hanno mostrato un trend di crescita esponenziale di circa 16% all'anno, e si prevede che questa tendenza continui in futuro.
Al 2020, la capacità totale installata di produzione di energia geotermica a livello mondiale è di 15,9GWe e la produzione annuale di energia è di 73.550GWh. Dal 2010 al 2020, il tasso di crescita medio annuo della produzione di energia geotermica è di circa 4%.
3. Distribuzione delle risorse geotermiche
Le risorse geotermiche globali sono abbondanti, ma la loro distribuzione spaziale è estremamente disomogenea. Le risorse geotermiche ad alta temperatura sono distribuite principalmente ai confini di placca discreti e ai confini di placca convergenti. La distribuzione delle risorse geotermiche ad alta temperatura è generalmente controllata dal contesto tettonico-termale della Terra.
La distribuzione spaziale è legata a stoccaggio globale dell'energia confini di placca, zone sismiche e zone vulcaniche. Le caratteristiche più significative sono flussi di calore elevati, forti attività idrotermali ad alta temperatura, vulcani attivi e frequenti terremoti.
Le quattro cinture geotermiche globali ad alta temperatura sono: la cintura dell'orlo del Pacifico, la cintura della dorsale medio-atlantica, la cintura della Rift Valley dell'Africa orientale e la cintura mediterraneo-himalayana.
La zona geotermica circum-pacifica è la zona geotermica più diffusa al mondo ed è distribuita lungo il confine di subduzione/collisione tra la placca pacifica, la placca americana e la placca eurasiatica.
Le caratteristiche più evidenti sono l'elevato flusso di calore, la giovane orogenesi e il frequente vulcanismo attivo. In base alla distribuzione geografica, è ulteriormente suddivisa in tre sottozone geotermiche: la dorsale del Pacifico orientale, l'arco insulare del Pacifico occidentale e la sutura del Pacifico sudorientale.
La temperatura del giacimento è generalmente compresa tra 250 e 300°C. Campi geotermici rappresentativi sono Gaithers negli Stati Uniti (288°C), Cerro Prieto in Messico (388°C), Datun a Taiwan, Cina (293°C) e Matsukawa in Giappone (250°C). ) e Buckman nelle Filippine (300°C), ecc.
4. Applicazione delle risorse geotermiche
La generazione di energia geotermica è uno dei modi più importanti per utilizzare l'accumulo di energia termica nel sottosuolo. Attualmente, le principali tecnologie di generazione di energia geotermica includono la generazione di energia a contropressione.
Generazione di energia a condensazione, generazione di energia per evaporazione flash, generazione di energia duplex, generazione di energia a flusso pieno, generazione di energia duplex flash, ecc. Il metodo di generazione di energia utilizzato dipende principalmente dalla dotazione di risorse geotermiche locali.
La generazione di energia geotermica ha una storia di centinaia di anni. Nel 1904, a Ladrello, in Toscana, si utilizzò per la prima volta l'accumulo di energia termica nel sottosuolo per azionare un piccolo generatore per generare elettricità. La potenza generata era di 0,55 kW, in grado di fornire energia per cinque lampade da 100W.
5. Applicazione diretta dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo
L'utilizzo diretto dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo comprende il riscaldamento geotermico, il raffreddamento geotermico, l'essiccazione geotermica, i bagni in sorgenti calde e le pompe di calore a sorgente terrestre. Dopo uno sviluppo a lungo termine, l'utilizzo diretto delle risorse geotermiche si è evoluto da un utilizzo su piccola scala per un singolo scopo a progetti di utilizzo globale su larga scala.
Attualmente, più di 80 Paesi in tutto il mondo utilizzano l'accumulo di energia termica nel sottosuolo direttamente per il riscaldamento (o il raffreddamento) degli edifici o per l'industria e l'agricoltura. Tra questi, l'Islanda è un noto esempio di sviluppo e utilizzo efficiente dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo.
Nonostante la vicinanza al Circolo Polare Artico e le basse temperature durante tutto l'anno, più di 90% delle famiglie del Paese utilizzano il riscaldamento geotermico grazie alle abbondanti risorse geotermiche.
6. sistema di accumulo di energia termica sotterraneo
Lo stoccaggio sotterraneo di energia termica è un sistema energetico che utilizza le falde acquifere sotterranee come mezzo per immagazzinare energia termica. Inietta ed estrae acqua sotterranea dalle falde acquifere attraverso pozzi sotterranei per immagazzinare e recuperare energia termica.
L'accumulo di energia termica nel sottosuolo può compensare lo squilibrio tra domanda e offerta di energia nella distribuzione spazio-temporale, utilizzare in modo completo diverse forme di energia rinnovabile, ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e fornire una buona soluzione per la conservazione dell'energia, la riduzione delle emissioni e la protezione dell'ambiente. È anche un potente mezzo per aiutare il mondo a raggiungere l'obiettivo del "doppio carbonio".
7. Classificazione dell'accumulo di energia termica nel sottosuolo
A causa della sua bassa temperatura, l'accumulo di energia termica nel sottosuolo viene utilizzato principalmente per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici. L'uso effettivo a livello internazionale dell'accumulo di energia termica sotterranea a bassa profondità I sistemi di produzione sono iniziati a metà del 20° secolo.
La Cina ha iniziato presto a utilizzare le falde acquifere sotterranee poco profonde per l'accumulo di calore. Ad oggi, in Cina sono stati costruiti e messi in funzione in totale 6 sistemi di accumulo di energia termica sotterranei a bassa profondità.
Negli ultimi anni, con lo sviluppo delle industrie emergenti, i metodi di utilizzo dell'accumulo di energia termica sotterranea a bassa profondità sono diventati più diversificati. Attualmente esistono casi concreti di utilizzo dell'accumulo di energia termica sotterranea a bassa profondità nell'agricoltura in serra e nei grandi centri dati.
L'accumulo di energia termica in profondità può immagazzinare temperature elevate, che in alcuni casi superano i 100°C, e può essere utilizzato principalmente per la generazione di energia e il riscaldamento. La ricerca e l'utilizzo dell'accumulo di energia termica in profondità nel sottosuolo sono iniziati negli anni Ottanta.
Negli ultimi anni, con l'aumento della domanda di energia, le profondità sotterranee accumulo di energia termica La tecnologia di accumulo di energia termica in profondità ha ricevuto una rinnovata attenzione e anche la ricerca e la pratica ingegneristica sulla tecnologia di accumulo di energia termica in profondità sono diventate sempre più importanti.
In quanto enorme accumulatore di energia naturale, l'accumulo geotermico è il più adatto ad assumere le funzioni di accumulo di energia e di produzione stabile di energia termica in un sistema complementare multi-energetico. Può salvare l'energia eolica, l'energia solare e altre fonti di energia. accumulo di energia rinnovabile per ottenere un utilizzo efficiente e su larga scala dell'accumulo di energia in tutte le stagioni.
Migliorare l'efficienza di utilizzo dell'energia rinnovabile e superare i suoi difetti, come l'intermittenza e l'instabilità.
Allo stesso tempo, in determinate condizioni, i sistemi di accumulo di energia termica sotterranei presentano vantaggi economici più significativi rispetto ai normali sistemi geotermici. Il tempo di ritorno dell'investimento per un tipico sistema di accumulo di energia termica sotterraneo è di soli 2-10 anni.
Il tempo di ammortamento dei sistemi di energia termica sotterranei per il raffreddamento è ancora più breve, perché l'energia fredda immagazzinata può essere utilizzata direttamente senza bisogno di una pompa di calore. Secondo i rapporti di ricerca, la vita media dei sistemi di accumulo di energia termica sotterranei può raggiungere i 25-50 anni.
8. Sintesi
Attualmente, le risorse geotermiche poco profonde di tutto il mondo vengono sviluppate e utilizzate attraverso la tecnologia delle pompe geotermiche. Questa tecnologia è una delle tecnologie di energia rinnovabile in più rapida crescita al mondo e la parte in più rapida crescita della tecnologia di utilizzo della geotermia.
I sistemi idrotermali profondi ad alta temperatura esistono solo in ambienti geologici strutturali specifici e sono relativamente scarsi, il che limita fortemente la crescita della produzione di energia geotermica ad alta temperatura.
Pertanto, nelle aree in cui le condizioni lo consentono, dovrebbero essere sviluppate diverse tecnologie di utilizzo diretto della geotermia e dovrebbe essere adottato un utilizzo completo a cascata per migliorare l'efficienza di utilizzo delle risorse geotermiche.
Sebbene la Terra sia un enorme serbatoio di calore, le risorse geotermiche sono distribuite in modo estremamente disomogeneo. Spesso le risorse geotermiche sfruttabili non sono sufficienti nelle aree in cui c'è domanda, mentre sono molto abbondanti nelle aree in cui la domanda è ridotta.
Pertanto, il modo in cui immagazzinare questa energia di scarto e sfruttarla appieno è una questione importante nel campo della geotermia e persino nell'intero settore delle energie nuove e rinnovabili. In effetti, l'immagazzinamento dell'energia su larga scala in diverse stagioni è uno dei principali problemi scientifici dell'industria energetica. Attualmente, il principale metodo disponibile è l'accumulo idroelettrico con pompaggio.
Tuttavia, l'accumulo idroelettrico con pompaggio deve affrontare problemi quali la bassa efficienza di utilizzo dell'energia e gli elevati requisiti del sito. È urgente esplorare nuovi metodi di stoccaggio su larga scala, tecnologie di stoccaggio dell'energiae l'accumulo di energia termica nel sottosuolo offre grandi possibilità.
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