Energia petrotermală este o direcție a energiei geotermale care utilizează căldura rocilor uscate.
Resursele geotermale sunt împărțite în hidrotermale și petrotermale. Energia hidrotermală are ca scop extragerea căldurii din apele subterane de origine naturală. Petrotermal - pentru a extrage căldura direct din rocile în sine , a căror temperatură este cu atât mai mare, cu atât sunt situate mai adânc. Gradul de creștere a temperaturii rocii cu creșterea adâncimii este caracterizat de un gradient geotermal : în medie, este de 0,02 °C / m [1] , cu un astfel de gradient, temperatura scoarței terestre ajunge la 100 °C la o adâncime de 5 km.
În prezent, tehnologia hidrotermală este cea mai comună, deoarece este mult mai ușor de implementat. Cu toate acestea, crearea unui sistem hidrotermal este posibilă numai acolo unde sunt disponibile ape geotermale adecvate, de exemplu, în zonele vulcanice. Prin urmare, doar aproximativ 1% din toate resursele geotermale utilizabile de pe Pământ sunt hidrotermale, în timp ce restul de 99% sunt petrotermale. Acest lucru vă permite să creați sisteme petrotermale aproape oriunde pe Pământ. [2] [3]
Sistemele de circulație geotermală (GCC) sunt utilizate pentru extragerea energiei petrotermale . [patru]
Acest sistem include un rezervor subteran, un puț de injecție, un puț de producție și un complex de suprafață care conține echipamente care asigură funcționarea sistemului.
Colectorul este o zonă permeabilă în rocă prin care curge lichidul de răcire. Trebuie să aibă o suprafață dezvoltată de schimb de căldură pentru a asigura un transfer eficient de căldură de la rocă de către lichidul de răcire. De asemenea, trebuie să aibă o permeabilitate suficientă pentru a permite lichidului de răcire să circule. Colectorul poate fi atât de origine naturală, cât și artificială.
Ca purtător de căldură, de regulă, se folosește apa.
Lichidul de răcire este furnizat colectorului printr-un puț de injecție. Curgând prin colector, lichidul de răcire preia căldură și este extras prin puțul de producție. Căldura rezultată poate fi folosită pentru încălzire sau pentru generarea de energie electrică. După aceea, lichidul de răcire uzat este introdus din nou în puțul de injecție.
Dacă colectorul este izolat, atunci pierderile de lichid de răcire vor fi nesemnificative și vor scădea în timpul funcționării [5] .
Principalele avantaje ale energiei petrotermale sunt inepuizabilitatea practică și disponibilitatea omniprezentă a resurselor petrotermale. [2] [6]
În plus, avantajele sale includ non-deșeuri, siguranța mediului și intensitatea relativ scăzută a muncii de creare și exploatare. [6]
Dezavantajele includ potențialul energetic scăzut al rocilor la adâncimi de până la 3 km. Pentru a crea stații de alimentare cu căldură, este suficientă o temperatură a lichidului de răcire de 150 °C. Cu toate acestea, în majoritatea locurilor, această temperatură este disponibilă doar la o adâncime de 6 km și doar în câțiva - 3 km. Pentru a crea o centrală termică, este necesară o temperatură de 250–280 °C, care corespunde unei adâncimi de 10 km. Forarea unor astfel de puțuri este foarte costisitoare și face stațiile petrotermale necompetitive. [7]
Alte deficiențe includ staționaritatea comunicațiilor și imposibilitatea stocării resurselor energetice, în contrast cu energia combustibilului. [6]
In zona in care se afla statia este posibila o racire locala a climei. Cu toate acestea, conform Laboratorului de probleme de fizică termică minieră al Institutului minier din Leningrad , în 13.000 de ani de la finalizarea stației, scăderea maximă a temperaturii stratului neutru nu va fi mai mare de 0,1 °, ceea ce este neglijabil în comparație cu fluctuațiile climatice naturale. [opt]
Stimularea colectoarelor sistemelor geotermale poate declanșa cutremure. Activitatea seismică maximă poate ajunge la 3,0-3,7 unități pe scara Richter [9] .
Cutremurele similare au avut loc în Elveția, Germania și alte țări [10] . În 2017, în Coreea de Sud a avut loc un cutremur cu magnitudinea 5,4 [11] .
Cu toate acestea, utilizarea noilor tehnologii poate reduce semnificativ activitatea seismică în timpul fracturării hidraulice [9] .
Termenul „petrotermal” a fost folosit pentru prima dată în 1982 de W. Roberts și P. Kruger. [12]
Există confuzie în literatura în limba engleză cu privire la terminologia legată de sistemele geotermale. [12]
Așadar, în 1970, a fost introdus conceptul de „roci uscate fierbinți” (rocă uscată fierbinte, HDR), denotă sisteme colectoare artificiale care extrag căldură din rocile fierbinți în care nu există apă de origine naturală. Cu toate acestea, unele roci conțin o oarecare cantitate de apă naturală, așa că în 1998 a fost introdus pentru ele conceptul de „roci ude fierbinți” (rocă umedă fierbinte, HWR). Tot în 2003, conceptul de „rocă fracturată la cald” a fost introdus pentru a se referi la rocile permeabile fracturate în mod natural. Toate aparțin resurselor petrotermale. [12]
Următoarele concepte sunt, de asemenea, asociate cu sistemele petrotermale: minerit de căldură adâncă (DHM), „sisteme geotermale stimulate” (sisteme geotermale stimulate, SGS), „sisteme geotermale îmbunătățite” sau „sisteme geotermale artificiale” (sisteme geotermale îmbunătățite sau proiectate, EGS). Acești din urmă termeni se referă la sistemele de circulație geotermală cărora li s-a aplicat stimularea artificială a rezervoarelor [13] și se referă nu numai la sisteme petrotermale, ci și la sisteme hidrotermale. [12]
În plus, unele lucrări folosesc conceptul de „resurse acvifere într-un complex de roci sedimentare fierbinți” (acvifere sedimentare fierbinți, HSA). Se referă la roci de origine sedimentară care conțin o anumită cantitate de apă de origine naturală, dar, spre deosebire de resursele hidrotermale, cu predominanța transferului de căldură conductiv, care le apropie de resursele petrotermale. Cu toate acestea, nu există criterii clare, general acceptate pentru această categorie. [12]
În 1898, K. E. Tsiolkovsky a exprimat ideea posibilității de extracție pe termen lung a energiei termice din roci fierbinți adânci, datorită schimbului de căldură cu apa rece. Această idee a fost dezvoltată în lucrările sale publicate în 1903 și 1914. [14] [6] [8]
În 1904 și 1919, Charles Parsons a făcut o propunere de a crea o mină ultra-adâncă pentru extracția energiei termice [8] .
În 1920, academicianul V. A. Obruchev a descris în povestea „Mina termică” GCS, care extrage energie dintr-un masiv de granit la o adâncime de 3 km. Deși schema propusă de el a fost ineficientă și greu fezabilă, totuși, ideea însăși a fost susținută de V. I. Vernadsky și A. E. Fersman , precum și de I. M. Gubkin , A. A. Skochinsky , A. N. Tikhonov . [14] [6]
În URSS, bazele fizicii termice geotermale au fost puse de un profesor la Institutul Minier din Leningrad, numit după V.I. Plekhanov Yu. D. Dyadkin , academicieni ai Academiei de Științe Ucrainene A. N. Shcherban și O. A. Kremnev . În cadrul acestei discipline au fost studiate procesele de transfer de căldură și masă în diverse medii și au fost dezvoltate metode de extragere a energiei geotermale, inclusiv petrotermale. [15] [16]
În prezent, în lume au fost implementate mai multe proiecte de stații petrotermale de alimentare cu căldură și centrale electrice, cu toate acestea, acestea reprezintă o parte extrem de mică în bilanțul energetic global [17] .
Primul GCC petrotermal, care folosește căldura rocilor poroase, a fost construit la Paris în 1963 și avea scopul de a încălzi complexul Brodkastin Chaos . [18] [19] [15]
În 1969, în orașul Melun a fost lansat un sistem de încălzire centrală care încălzește 3.000 de apartamente [8] [20] .
Ulterior, proiecte similare de furnizare a căldurii au fost implementate în Germania, Ungaria, România, SUA și alte țări, inclusiv Rusia (în Daghestan, Teritoriul Krasnoyarsk și Kamchatka) [8] .
În total, conform datelor din 2013, în Franța au fost implementate peste 60 de sisteme petrotermale și peste 224 de sisteme petrotermale care utilizează căldura rezervoarelor permeabile natural în SUA. Sunt folosite pentru încălzire și pentru producerea de energie electrică. [cincisprezece]
În 1970, Laboratorul Național Los Alamos din Statele Unite a dezvoltat și brevetat tehnologia de extracție a energiei petrotermale [21] . În 1974, a lansat proiectul Fenton Hill, primul GCC care extrage căldură din roci impenetrabile. Rezervoarele au fost create prin fracturare hidraulică. Adâncimea puțurilor primului colector a fost de aproximativ 2,7 km, temperatura rocilor a fost de 180 °C. Adâncimea puțurilor celui de-al doilea colector este de 4,4 km cu o temperatură de 327 °C. Sistemul a fost operat în modul de testare până în anul 2000. [22] Energia primită pe toată perioada de funcționare a acesteia este de 8 ori mai mare decât energia cheltuită pentru asigurarea circulației lichidului de răcire [8] .
În 1983, în Cornwall , Marea Britanie, a fost înființat un GCC petrotermal experimental folosind fracturare hidraulică . [23]
În 1986, a fost lansat un proiect comun francez, german și britanic pentru a construi un GCC petrotermal la Soultz-sous-Foret . Prima încercare de a crea un colector la o adâncime de 2,2 km a eșuat. Până în 1995-1997, a fost posibil să se creeze un rezervor la o adâncime de 3,9 km, unde temperatura rocilor a fost de 168 ° C și să se efectueze experimente de succes privind circulația lichidului de răcire. Puterea termică a sistemului a ajuns la 10 MW, în timp ce funcționarea echipamentelor de pompare a necesitat doar 250 kW; nu au existat pierderi de lichid de răcire. [24] Până în 2005 a fost construit un colector la o adâncime de 5,1 km, au fost efectuate teste de circulație, timp în care temperatura lichidului de răcire la ieșirea din colector a fost de aproximativ 160 °C, pierderile de lichid de răcire au fost nesemnificative [25] . A fost construită o centrală electrică care, începând cu anul 2016, a fost exploatată cu succes în regim continuu. Puterea sa electrică este de 1,7 MW. [26]
În Rusia, în 1991, în Tyrnyauz a fost creat un sistem de alimentare cu căldură petrotermală . S-a efectuat o fracturare hidraulică a unei formațiuni de granit la o adâncime de 3,7 km, unde temperatura a ajuns la 200 °C. Cu toate acestea, din cauza unui accident, precum și în legătură cu izbucnirea unui conflict militar , proiectul a fost închis. [2] Specialiștii care lucrează la el au trecut la proiectul geotermal din Sankt Petersburg , care a presupus realizarea unui sistem de alimentare cu căldură petrotermală [27] . Cu toate acestea, implementarea sa s-a limitat la forarea unui puț de explorare și efectuarea de lucrări de cercetare în zona Pulkovo . [opt]
Proiecte de sisteme petrotermale bazate pe tehnologia HDR au fost dezvoltate sau sunt în curs de dezvoltare în SUA, Germania, Franța, Italia, Japonia, Elveția, China și Australia și alte țări [17] .