Un pozzo di iniezione presso l’impianto geotermico di Blue Mountain. Credito: Dennis Schroeder/NREL

Per alcune parti degli Stati Uniti, il posto migliore per immagazzinare enormi quantità di energia per la rete elettrica potrebbe essere proprio sotto i nostri piedi.

L’energia geotermica, che si basa su rocce calde molto al di sotto della superficie terrestre, è stata a lungo utilizzata come fonte di riscaldamento e generazione di elettricità. Ma i recenti progressi nella tecnologia di perforazione hanno aperto nuove opportunità per implementare ampiamente l’energia geotermica. Ha spronato i ricercatori dell’Università di Princeton a dimostrare in un articolo sulla rivista Energia applicata che il geotermico può anche fungere da tecnologia ideale per l’accumulo di energia. Inoltre, il geotermico può integrare l’energia eolica e solare, fornendo energia quando il sole non splende o il vento si attenua.

“Negli Stati Uniti occidentali, dove c’è molto potenziale geotermico, questo potrebbe essere il pezzo mancante del puzzle per arrivare fino a un sistema elettrico privo di emissioni di carbonio in combinazione con un sacco di vento e solare e batterie e domanda di durata più breve flessibilità”, ha affermato Jesse Jenkins, ricercatore capo del progetto e assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e dell’Andlinger Center for Energy and the Environment.

La geotermia è una tecnologia antica ed è stata utilizzata per il riscaldamento per secoli. Boise, nell’Idaho, riscalda gran parte del centro con il geotermico. Nei tempi moderni, il geotermico si è esteso all’industria energetica, all’azionamento di pompe di calore e alla fornitura di energia elettrica alla rete. I vantaggi della tecnologia dell’energia rinnovabile includono la sua generazione costante, manutenzione relativamente bassa e produzione a zero emissioni di carbonio.

Ma per l’elettricità su scala di rete, il geotermico rimane un attore di nicchia. Questo perché la tecnologia richiede posizioni specifiche. Principalmente, gli ingegneri hanno bisogno di regioni geologiche calde abbastanza vicine alla superficie, formazioni rocciose fessurate che fungono da radiatori e accesso al fluido per spostare il calore in superficie. (Ecco una panoramica dell’energia geotermica.) Questo sta cambiando rapidamente poiché gli ingegneri stanno sviluppando nuove tecnologie con l’obiettivo di espandere notevolmente la generazione di elettricità geotermica.

L’innovazione chiave sfrutta le tecnologie del settore petrolifero e del gas, tra cui la perforazione direzionale e la stimolazione idraulica, per creare sistemi di frattura artificiale ovunque si possa trovare roccia calda e impermeabile. In caso di successo, le aziende che commercializzano queste nuove tecniche potrebbero sbloccare una risorsa pulita e rinnovabile in grado di fornire alla fine centinaia di gigawatt di energia nei soli Stati Uniti.

“Quella capacità di allontanarsi da questi luoghi molto specifici in cui si hanno tutte le cose giuste al posto giusto, verso qualsiasi luogo in cui si hanno rocce abbastanza calde accessibili senza perforare troppo in profondità, significa che la geotermia potenziata può aprire una base di risorse molto più ampia “, ha detto Jenkins.

Si scopre che queste nuove tecniche hanno un altro vantaggio nascosto che è stato trascurato fino ad ora. L’acqua fatta circolare attraverso il sistema di frattura artificiale è contenuta all’interno di rocce impermeabili, il che significa che non può fuoriuscire, e questo rende questi serbatoi geotermici un ottimo modo per immagazzinare grandi quantità di energia quando la domanda è bassa e quindi rilasciare l’energia quando la domanda è alta . L’immagazzinamento dell’energia e lo spostamento della produzione nei momenti più preziosi aumenta la redditività geotermica e funge da complemento perfetto per i sistemi rinnovabili variabili dipendenti dal clima come l’eolico e il solare.

“Abbiamo eseguito simulazioni di giacimenti per valutare i sistemi che stiamo progettando”, ha affermato Jack Norbeck, co-fondatore e CTO di Fervo Energy, una società di sviluppo con sede a Houston che ha aperto la strada a queste tecnologie geotermiche avanzate. Le simulazioni hanno mostrato che i loro sistemi geotermici potrebbero funzionare per fornire energia costante, o carico di base, ma anche per immagazzinare e spostare in modo efficiente l’energia per un uso successivo. “Possiamo gestirli sia in modalità baseload che flessibile, il che è un importante passo avanti per la tecnologia geotermica”.

Nel 2020, gli ingegneri di Fervo erano fiduciosi che il loro sistema avrebbe funzionato. Ma volevano conoscere l’economia dei sistemi e come integrare in modo ottimale la tecnologia nella rete elettrica. Per avere risposte, Fervo si è rivolto a Jenkins, capo dello ZERO Lab di Princeton.

“Questo è esattamente il tipo di domande che amiamo guardare”, ha detto Jenkins. “Queste sono domande pratiche che guideranno il processo decisionale, gli investimenti e l’innovazione nel mondo reale, ma non hanno ancora ricevuto risposta nella letteratura accademica. Quindi questo è il progetto perfetto per noi, qualcosa che è una domanda aperta nella ricerca in cui la risposta è importante oggi, immediatamente, per le decisioni che le persone reali stanno prendendo su come allocare il loro tempo, denaro e sforzi di innovazione”.

Norbeck, CTO di Fervo, ha fornito supporto tecnico per lo studio. Ha detto che il nucleo dell’idea era di combinare l’energia termica delle rocce sotterranee con l’energia meccanica degli strati rocciosi sovrapposti. Gli ingegneri di Fervo utilizzano tecniche di perforazione orizzontale per creare una serie di pozzi di iniezione e produzione collegati tra loro da molti piccoli canali nella roccia, formando un serbatoio interrato a circa 10.000 piedi sotto terra dove l’acqua può essere riscaldata. Invece di utilizzare immediatamente l’acqua riscaldata per azionare le turbine per l’elettricità, i tecnici dirigono l’acqua calda e pressurizzata nella rete di canali del serbatoio. Il fluido si accumula nel serbatoio e flette la roccia, e quella pressione può essere successivamente rilasciata per guidare il fluido caldo in superficie per alimentare le turbine per l’elettricità.

I ricercatori hanno dimostrato che questo sistema può essere utilizzato per immagazzinare e spedire elettricità in un’ampia gamma di durate, da poche ore fino a molti giorni alla volta, distinguendolo dalla maggior parte delle altre tecnologie di stoccaggio. “L’efficienza dipende dalla geologia e da altre caratteristiche della roccia”, ha detto Norbeck. Ma, in generale, “si scopre che questa forma di accumulo di energia si rivela una delle forme più economiche di accumulo di energia a lunga durata”.

Wilson Ricks, un dottorando in ingegneria meccanica e aerospaziale e ricercatore presso ZERO Lab, ha guidato la ricerca e ha affermato che i risultati dello studio hanno superato quanto inizialmente previsto.

“L’idea mi sembrava semplice ed elegante: hai questo sistema, ha queste proprietà intrinseche e forse possiamo semplicemente sfruttarle per accumulare energia… quasi come la ciliegina su una torta”, ha detto Ricks, l’autore principale del giornale. “Si è rivelato, inequivocabilmente, più prezioso in quasi tutti i contesti e in realtà un grande vantaggio potenziale”.

Il documento, The value of in-reservoir energy storage for flexible dispatch of geothermal power, è stato pubblicato in Energia applicata.

Il documento iniziale ha esaminato l’impatto di una pianta unica nel suo genere. Ma poiché la tecnologia viene implementata su larga scala, può spostare e modificare il prezzo dell’elettricità o le dinamiche di mercato, quindi ora il team sta utilizzando modelli di pianificazione della capacità elettrica a lungo termine per esaminare il risultato dell’equilibrio a lungo termine e l’impatto sui mercati. I risultati del primo studio hanno aiutato Fervo a dimostrare il valore aggiunto di questo nuovo metodo di stoccaggio e ad assicurarsi una sovvenzione altamente competitiva dall’Agenzia per l’Energia (ARPA-E) per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell’Energia. L’ultimo progetto è uno sforzo congiunto di Fervo, ZERO Lab di Princeton, Lawrence Berkeley National Lab e Rice University e comporterà la dimostrazione sul campo e la raccolta di dati dal mondo reale sulle prestazioni della rete di fratture artificiali e sull’accumulo di energia nel serbatoio.

“Questo è il tipo di cose che troviamo davvero eccitanti, in cui puoi rispondere a questo tipo di domanda aperta con i nostri strumenti di modellazione del sistema energetico, che poi porta direttamente a ulteriori investimenti e innovazione e, si spera, acceleri l’adozione di tecnologie di grande impatto che possono aiutaci ad affrontare il cambiamento climatico”, ha affermato Jenkins.