A petroltermikus energia a geotermikus energia olyan iránya , amely a száraz kőzetek hőjét használja fel.
A geotermikus erőforrásokat hidrotermikusra és petrotermikusra osztják. A hidrotermikus energia a természetes eredetű felszín alatti vizekből történő hő kinyerésére irányul . Petrotermikus - közvetlenül magukból a kőzetekből hőt vonni ki , amelyek hőmérséklete minél magasabb, annál mélyebben helyezkednek el. A kőzethőmérséklet növekedésének mértékét a növekvő mélységgel geotermikus gradiens jellemzi : átlagosan 0,02 °C/m [1] , ilyen gradiens mellett a földkéreg hőmérséklete eléri a 100 °C-ot a mélységben. 5 km.
Jelenleg a hidrotermikus technológia a legelterjedtebb, mivel sokkal könnyebben kivitelezhető. Hidrotermikus rendszer kialakítása azonban csak ott lehetséges, ahol megfelelő geotermikus vizek állnak rendelkezésre, például vulkáni zónákban. Ezért a Föld összes felhasználható geotermikus erőforrásának csak körülbelül 1%-a hidrotermikus, míg a fennmaradó 99%-a petroltermikus. Ez lehetővé teszi petroltermikus rendszerek létrehozását szinte bárhol a Földön. [2] [3]
A geotermikus keringtető rendszereket (GCC) használják a petroltermikus energia kinyerésére . [négy]
Ez a rendszer földalatti tározót, besajtoló kutat, termelő kutat és a rendszer működését biztosító berendezéseket tartalmazó felszíni komplexumot foglal magában.
A kollektor egy áteresztő zóna a kőzetben, amelyen keresztül a hűtőfolyadék áramlik. Fejlett hőcserélő felülettel kell rendelkeznie, hogy a hűtőfolyadék hatékony hőátadást biztosítson a kőzetből. Ezenkívül megfelelő áteresztőképességgel kell rendelkeznie ahhoz, hogy a hűtőfolyadék keringhessen. A kollektor lehet természetes és mesterséges eredetű is.
Hőhordozóként általában vizet használnak.
A hűtőfolyadék befecskendező kúton keresztül jut a kollektorba. A kollektoron átáramló hűtőfolyadék hőt vesz fel, és a termelő kúton keresztül távozik. A keletkező hőt fűtésre vagy villamosenergia-termelésre lehet felhasználni. Ezt követően az elhasznált hűtőfolyadékot ismét a befecskendező kútba vezetik.
Ha a kollektor le van szigetelve, akkor a hűtőfolyadék veszteségei jelentéktelenek és működés közben csökkenni fognak [5] .
A petroltermikus energia fő előnye a gyakorlati kimeríthetetlenség és a petroltermikus erőforrások mindenütt elérhetősége. [2] [6]
Emellett előnyei közé tartozik a hulladékmentesség, a környezetbiztonság és a viszonylag alacsony munkaintenzitású létrehozás és üzemeltetés. [6]
A hátrányok közé tartozik a kőzetek alacsony energiapotenciálja 3 km mélységig. Hőellátó állomások létrehozásához 150 °C hűtőfolyadék hőmérséklet elegendő. A legtöbb helyen azonban ez a hőmérséklet csak 6 km-es mélységben érhető el, és csak néhány - 3 km-en. A hőerőmű létrehozásához 250-280 °C hőmérséklet szükséges, ami 10 km-es mélységnek felel meg. Az ilyen kutak fúrása nagyon drága, és versenyképtelenné teszi a petroltermikus állomásokat. [7]
További hiányosságok közé tartozik a kommunikáció helytelensége és az energiaforrások tárolásának lehetetlensége, ellentétben az üzemanyag-energiával. [6]
Azon a területen, ahol az állomás található, az éghajlat helyi lehűlése lehetséges. A Leningrádi Bányászati Intézet Bányászati Termikus Fizikai Probléma Laboratóriuma szerint azonban az állomás elkészülte után 13 000 éven belül a semleges réteg hőmérsékletének maximális csökkenése legfeljebb 0,1 °, ami elhanyagolható a bázishoz képest. természetes éghajlati ingadozások. [nyolc]
A geotermikus rendszerek kollektorainak stimulálása földrengéseket válthat ki. A maximális szeizmikus aktivitás elérheti a 3,0-3,7 egységet a Richter-skála szerint [9] .
Hasonló földrengések történtek Svájcban, Németországban és más országokban [10] . 2017-ben 5,4 -es erősségű földrengés történt Dél-Koreában [11] .
Az új technológiák alkalmazása azonban jelentősen csökkentheti a szeizmikus aktivitást a hidraulikus rétegrepesztés során [9] .
A "petrotermikus" kifejezést először 1982-ben W. Roberts és P. Kruger használta. [12]
Az angol nyelvű szakirodalomban zavarok vannak a geotermikus rendszerekkel kapcsolatos terminológiát illetően. [12]
Így 1970-ben bevezették a "forró száraz kőzetek" (hot dry rock, HDR) fogalmát, amely mesterséges kollektorrendszereket jelöl, amelyek hőt vonnak ki olyan forró kőzetekből, amelyekben nincs természetes eredetű víz. Néhány kőzet azonban tartalmaz bizonyos mennyiségű természetben előforduló vizet, ezért 1998-ban bevezették rájuk a „hot wet rocks” (hot wet rock, HWR) fogalmát. Szintén 2003-ban vezették be a "forró repedezett kőzet" fogalmát a természetesen repedezett, áteresztő kőzetekre utalva. Mindegyik a petroltermikus erőforrásokhoz tartozik. [12]
A következő fogalmak is kapcsolódnak a petrotermikus rendszerekhez: mély hőbányászat (DHM), „stimulált geotermikus rendszerek” (stimulált geotermikus rendszerek, SGS), „javított” vagy „mesterséges geotermikus rendszerek” (erősített vagy mesterséges geotermikus rendszerek, EGS). Ez utóbbi kifejezések azokra a geotermikus keringető rendszerekre vonatkoznak, amelyekre mesterséges tározóstimulációt alkalmaztak [13] , és nemcsak a petroltermikus, hanem a hidrotermális rendszerekre is vonatkoznak. [12]
Ezenkívül egyes munkák a „forró üledékes kőzetek komplexumában lévő víztartó erőforrások” (hot sedimentary quifers, HSA) fogalmát használják. Az üledékes eredetű kőzetekre vonatkozik, amelyek bizonyos mennyiségű természetes eredetű vizet tartalmaznak, de a hidrotermikus erőforrásokkal ellentétben, ahol a vezető hőátadás dominál, ami közelebb viszi őket a petrotermikus erőforrásokhoz. Ennek a kategóriának azonban nincsenek egyértelmű, általánosan elfogadott kritériumai. [12]
1898-ban K. E. Tsiolkovsky kifejtette a hőenergia hosszú távú kinyerésének lehetőségét a mély forró sziklákból a hideg vízzel való hőcsere miatt. Ezt a gondolatot 1903-ban és 1914-ben megjelent munkái fejtették ki. [14] [6] [8]
Charles Parsons 1904-ben és 1919-ben javaslatot tett egy ultramély bánya létrehozására a hőenergia kitermelésére [8] .
1920-ban V. A. Obruchev akadémikus a „Thermal Mine” című történetben leírta a GCS-t, amely 3 km mélységben lévő gránitmasszívumból nyeri ki az energiát. Bár az általa javasolt séma nem volt hatékony és aligha kivitelezhető, V. I. Vernadsky és A. E. Fersman , valamint I. M. Gubkin , A. A. Szkocsinszkij , A. N. Tikhonov maga az ötletet támogatta . [14] [6]
A Szovjetunióban a geotermikus termikus fizika alapjait a Leningrádi Bányászati Intézet egyik professzora fektette le, amelyet V.I. Plekhanov Yu. D. Dyadkin , az Ukrán Tudományos Akadémia akadémikusai A. N. Shcherban és O. A. Kremnev . Ennek a tudományágnak a keretében tanulmányozták a különböző környezetekben zajló hő- és tömegátadási folyamatokat, és módszereket dolgoztak ki a geotermikus, ezen belül a petroltermikus energia kinyerésére. [15] [16]
Jelenleg a világon számos petroltermikus hőszolgáltató állomás és erőmű projektje valósult meg, ezek azonban rendkívül kis részt teszik ki a teljes energiamérlegben [17] .
Az első, porózus kőzetek hőjét használó petrotermikus GCC- t 1963- ban építették Párizsban , és a Brodkastin Chaos komplexum fűtésére szolgált . [18] [19] [15]
1969- ben Melun városában központi fűtési rendszert indítottak , amely 3000 lakást fűt [8] [20] .
Ezt követően hasonló hőszolgáltatási projektek valósultak meg Németországban, Magyarországon, Romániában, az USA-ban és más országokban, köztük Oroszországban (Dagesztánban, Krasznojarszk Területen és Kamcsatkában) [8] .
A 2013-as adatok szerint összesen több mint 60 petroltermikus rendszert valósítottak meg Franciaországban, az USA-ban pedig több mint 224 petroltermikus rendszert, amelyek természetesen áteresztő tározók hőjét használják fel. Fűtésre és villamosenergia-termelésre használják. [tizenöt]
1970-ben az Egyesült Államok Los Alamos Nemzeti Laboratóriuma kifejlesztette és szabadalmaztatta a petroltermikus energia kinyerésének technológiáját [21] . 1974-ben elindította a Fenton Hill projektet, az első GCC-t, amely hőt von ki áthatolhatatlan sziklákból. A tározókat hidraulikus rétegrepesztéssel hozták létre. Az első kollektor kutak mélysége körülbelül 2,7 km, a kőzetek hőmérséklete 180 °C volt. A második kollektor kutak mélysége 4,4 km, hőmérséklete 327 °C. A rendszer 2000-ig teszt üzemmódban működött. [22] A teljes működési ideje alatt kapott energia 8-szor nagyobb, mint a hűtőfolyadék keringésének biztosítására fordított energia [8] .
1983-ban az Egyesült Királyságban, Cornwallban létrehoztak egy kísérleti petroltermikus GCC-t hidraulikus rétegrepesztéssel . [23]
1986-ban közös francia, német és brit projekt indult egy petroltermikus GCC építésére Soultz-sous- Foretben . Az első kísérlet egy gyűjtő létrehozására 2,2 km-es mélységben sikertelen volt. 1995-1997-re sikerült létrehozni egy tározót 3,9 km mélységben, ahol a kőzetek hőmérséklete 168 ° C volt, és sikeres kísérleteket végezni a hűtőfolyadék keringésével kapcsolatban. A rendszer hőteljesítménye elérte a 10 MW-ot, míg a szivattyúberendezések üzemeltetése mindössze 250 kW-ot igényelt; nem volt hűtőfolyadék veszteség. [24] 2005-re 5,1 km mélységben kollektort építettek, keringési vizsgálatokat végeztek, amelyek során a hűtőfolyadék hőmérséklete a kollektor kimeneténél kb. 160 °C volt, a hűtőfolyadék veszteségei elenyészőek [25] . Erőmű épült, amely 2016-tól sikeresen üzemel folyamatos üzemben. Villamos teljesítménye 1,7 MW. [26]
Oroszországban 1991-ben Tyrnyauzban petroltermikus hőellátási rendszert hoztak létre . Egy gránitképződmény hidraulikus rétegrepesztését 3,7 km mélységben végezték el, ahol a hőmérséklet elérte a 200 °C-ot. Egy baleset miatt, valamint egy katonai konfliktus kitörése miatt azonban a projektet lezárták. [2] A rajta dolgozó szakemberek áttértek a szentpétervári geotermikus projektre , ami egy petroltermikus hőellátó rendszer létrehozását jelentette [27] . Ennek megvalósítása azonban csak egy kutatófúrás fúrására és a Pulkovo területén végzett kutatási munkákra korlátozódott . [nyolc]
Az USA-ban, Németországban, Franciaországban, Olaszországban, Japánban, Svájcban, Kínában és Ausztráliában és más országokban HDR technológián alapuló petroltermikus rendszerek projektjeit fejlesztették vagy fejlesztik [17] .