Ученые из Национальной лаборатории Скалистых гор решили выяснить, можно ли превратить геологические формации США в крупные хранилища энергии и на какие объемы в этом случае можно рассчитывать. Для этого они собрали данные об истощенных нефтяных месторождениях и водоносных горизонтах страны и на их основе построили математическую модель, которая позволяет оценить, сколько тепла, а затем и электричества, можно «запасти» в каждом таком пласте. Для США это имеет практическое значение: спрос на электроэнергию быстро растет за счет дата-центров и промышленности, а газовые турбины, которые обычно используются для покрытия пиковых нагрузок, уже распроданы до 2030 года.
Сама технология, известная как подземное хранение тепловой энергии (Geological Thermal Energy Storage, GeoTES), не нова. Ранее ее уже применяли в упрощенном виде в Европе – для отопления и охлаждения зданий с использованием водоносных горизонтов. До сих пор такие решения носили локальный характер. Исследователи же из США поставили более масштабный вопрос: можно ли использовать такие геологические структуры для хранения энергии в объемах, сопоставимых с потребностями энергосистемы. Принцип работы при этом остается тем же: избыточное тепло, полученное от солнечной генерации или промышленных процессов, закачивается под землю в водонасыщенные пористые породы, где накапливается, а затем извлекается обратно при необходимости. По своему потенциальному эффекту породы существенно превосходят литий-ионные аккумуляторы, которые рассчитаны на несколько часов отдачи энергии и не решают задачу длительного хранения на уровне дней или сезонов.
Для того, чтобы выяснить потенциал подземного хранения, американские ученые проанализировали характеристики пластов (их толщину, пористость, теплоемкость, температурные режимы) и учли неопределенность данных с помощью метода Монте-Карло, многократно моделируя различные сценарии.
Для детального расчета были выбраны четыре участка: два истощенных нефтяных месторождения в Калифорнии и два водоносных горизонта в Техасе.
Полученные оценки показали, что даже отдельные такие формации способны аккумулировать от десятков до сотен тераватт-часов тепловой энергии. В наиболее благоприятном сценарии для водоносного горизонта Карризо-Уилкокс на юге США верхняя оценка достигла 7 160 тераватт-часов тепла. При переводе в электричество с учетом потерь это соответствует десяткам и сотням ТВт·ч. Для понимания масштаба: все Соединенные Штаты в 2022 году потребили около 4000 ТВт·ч электроэнергии. То есть один такой геологический «аккумулятор» теоретически способен обеспечить страну энергией почти на неделю.
Экономика таких систем оказывается благоприятной. Сам накопитель уже существует – это геологическая порода, поэтому основные затраты приходятся на бурение и оборудование скважин. В результате стоимость хранения энергии оказывается существенно ниже, чем у решений на основе аккумуляторов, особенно если речь идет о длительном резервировании.
Основное ограничение связано с подготовкой скважин и развертыванием инфраструктуры. Для хранилища емкостью около 1 ТВт·ч может потребоваться от нескольких десятков до примерно двухсот нагнетательных и добывающих скважин. Однако в масштабах американского нефтегазового сектора это некритично: ежегодно в стране бурятся до 12 тысяч скважин.
