Pour certaines parties des États-Unis, le meilleur endroit pour stocker d'énormes quantités d'énergie pour le réseau électrique pourrait être juste sous nos pieds.

L'énergie géothermique, qui repose sur la roche chaude bien en dessous de la surface de la terre, a longtemps été utilisée comme source de chauffage et de production d'électricité. Mais les progrès récents de la technologie de forage ont ouvert de nouvelles opportunités pour déployer largement l'énergie géothermique. Cela a incité des chercheurs de l'Université de Princeton à démontrer dans un article de la revue Applied Energy que la géothermie peut également servir de technologie idéale pour le stockage de l'énergie. De plus, la géothermie peut compléter l'énergie éolienne et solaire, fournissant de l'énergie lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent se calme.

"Dans l'ouest des États-Unis où il y a beaucoup de potentiel géothermique, cela pourrait être la pièce manquante du puzzle pour arriver à un système d'électricité sans carbone en conjonction avec beaucoup de batteries éoliennes et solaires et de plus courte durée et la demande flexibilité », a déclaré Jesse Jenkins, chercheur principal du projet et professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial et du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement.

La géothermie est une technologie ancienne et est utilisée pour le chauffage depuis des siècles. Boise, Idaho, chauffe une grande partie du centre-ville grâce à la géothermie. À l'époque moderne, la géothermie s'est étendue à l'industrie de l'électricité, à l'entraînement des pompes à chaleur et à l'alimentation électrique du réseau. Les avantages de la technologie des énergies renouvelables incluent sa production constante, sa maintenance relativement faible et sa production de carbone nulle.

Mais pour l'électricité à l'échelle du réseau, la géothermie reste un acteur de niche. C'est parce que la technologie nécessite des emplacements spécifiques. Principalement, les ingénieurs ont besoin de régions géologiques chaudes assez proches de la surface, de formations rocheuses fissurées qui servent de radiateurs et d'un accès au fluide pour déplacer la chaleur vers la surface. (Voici un aperçu de l'énergie géothermique.) Cela évolue rapidement à mesure que les ingénieurs développent de nouvelles technologies en vue d'étendre considérablement la production d'électricité géothermique.

L'innovation clé exploite les technologies du secteur pétrolier et gazier, y compris le forage directionnel et la stimulation hydraulique, pour créer des systèmes de fractures artificielles partout où l'on peut trouver de la roche chaude et imperméable. En cas de succès, les entreprises commercialisant ces nouvelles techniques pourraient débloquer une ressource propre et renouvelable capable de fournir à terme des centaines de gigawatts d'électricité rien qu'aux États-Unis.

"Cette capacité à s'éloigner de ces endroits très spécifiques où vous avez toutes les bonnes choses au bon endroit, vers n'importe où où vous avez suffisamment de roches chaudes accessibles sans forer trop profondément, signifie que la géothermie améliorée peut ouvrir une base de ressources beaucoup plus large. ", a déclaré Jenkins.

Il s'avère que ces nouvelles techniques ont un autre avantage caché qui a été négligé jusqu'à présent. L'eau qui circule à travers le système de fracture artificielle est contenue dans des roches imperméables, ce qui signifie qu'elle ne peut pas s'échapper, ce qui fait de ces réservoirs géothermiques un excellent moyen de stocker de grandes quantités d'énergie lorsque la demande est faible, puis de libérer l'énergie lorsque la demande est élevée. . Le stockage de l'énergie et le déplacement de la production vers les moments les plus précieux augmentent la rentabilité de la géothermie et constituent un complément parfait pour les systèmes renouvelables variables en fonction des conditions météorologiques, tels que l'éolien et le solaire.

"Nous avons effectué des simulations de réservoir pour évaluer les systèmes que nous concevons", a déclaré Jack Norbeck, co-fondateur et CTO de Fervo Energy, une société de développement basée à Houston, pionnière de ces technologies géothermiques avancées. Les simulations ont montré que leurs systèmes géothermiques pouvaient fonctionner pour fournir une puissance constante, ou charge de base, mais aussi pour stocker et déplacer efficacement la puissance pour une utilisation ultérieure. "Nous pouvons les exploiter à la fois en mode de base et en mode flexible, ce qui constitue une avancée majeure pour la technologie géothermique."

En 2020, les ingénieurs de Fervo étaient convaincus que leur système fonctionnerait. Mais ils voulaient en savoir plus sur l'économie des systèmes et sur la manière d'intégrer de manière optimale la technologie dans le réseau électrique. Pour obtenir des réponses, Fervo a contacté Jenkins, responsable du laboratoire ZERO de Princeton.

"C'est exactement le genre de questions que nous aimons examiner", a déclaré Jenkins. "Ce sont des questions pratiques qui guideront la prise de décision, l'investissement et l'innovation dans le monde réel, mais qui n'ont pas encore trouvé de réponse dans la littérature universitaire. C'est donc le projet parfait pour nous - quelque chose qui est une question ouverte dans la recherche où la réponse compte aujourd'hui, immédiatement, pour les décisions que de vraies personnes prennent sur la façon d'allouer leur temps et leur argent et leurs efforts d'innovation."

Norbeck, le CTO de Fervo, a fourni un support technique pour l'étude. Il a déclaré que le cœur de l'idée était de combiner l'énergie thermique des roches souterraines avec l'énergie mécanique des couches rocheuses superposées. Les ingénieurs de Fervo utilisent des techniques de forage horizontal pour créer une série de forages d'injection et de production qui sont reliés les uns aux autres par de nombreux petits canaux dans la roche, formant un réservoir souterrain à environ 10 000 pieds sous terre où l'eau peut être chauffée. Au lieu d'utiliser immédiatement de l'eau chauffée pour entraîner des turbines pour produire de l'électricité, les techniciens dirigent l'eau chaude sous pression dans le réseau de canaux du réservoir. Le fluide s'accumule dans le réservoir et fait fléchir la roche, et cette pression peut ensuite être relâchée pour entraîner le fluide chaud à la surface afin d'alimenter les turbines en électricité.

Les chercheurs ont montré que ce système peut être utilisé pour stocker et répartir l'électricité sur une large plage de durées, allant de quelques heures à plusieurs jours à la fois, ce qui le distingue de la plupart des autres technologies de stockage. "L'efficacité dépend de la géologie et d'autres caractéristiques de la roche", a déclaré Norbeck. But, in general, "it turns out this form of energy storage proves to be one of the cheapest forms of long-duration energy storage."

Wilson Ricks, a 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. + Explorer plus loin

L'institut fait la démonstration d'un système de stockage d'énergie thermique par pompage à petite échelle, le premier du genre