Petroterminen energia on geotermisen energian suunta, joka käyttää kuivien kivien lämpöä.
Geotermiset resurssit jaetaan hydrotermisiin ja petrotermisiin. Hydrotermisellä energialla pyritään ottamaan lämpöä luonnollista alkuperää olevasta pohjavedestä . Petroterminen - lämmön poistamiseksi suoraan itse kivistä , joiden lämpötila on korkeampi, sitä syvemmällä ne sijaitsevat. Kivien lämpötilan nousuasteelle syvyyden kasvaessa on ominaista geoterminen gradientti : keskimäärin se on 0,02 °C / m [1] , sellaisella gradientilla maankuoren lämpötila saavuttaa 100 °C:n syvyydessä. 5 km.
Tällä hetkellä hydroterminen tekniikka on yleisin, koska se on paljon helpompi toteuttaa. Hydrotermisen järjestelmän luominen on kuitenkin mahdollista vain siellä, missä sopivia geotermisiä vesiä on saatavilla, esimerkiksi vulkaanisilla alueilla. Siksi vain noin 1 % kaikista maapallon käytettävissä olevista geotermisistä luonnonvaroista on hydrotermisiä, kun taas loput 99 % ovat petrotermisiä. Tämän avulla voit luoda petrotermisiä järjestelmiä lähes kaikkialla maapallolla. [2] [3]
Geotermisiä kiertojärjestelmiä (GCC) käytetään petrotermisen energian talteenottoon . [neljä]
Tämä järjestelmä sisältää maanalaisen säiliön, ruiskutuskaivon, tuotantokaivon ja pintakompleksin, joka sisältää laitteiston, joka varmistaa järjestelmän toiminnan.
Kerääjä on kalliossa oleva läpäisevä vyöhyke, jonka läpi jäähdytysneste virtaa. Siinä on oltava kehittynyt lämmönvaihtopinta, jotta jäähdytysnesteen avulla voidaan varmistaa tehokas lämmönsiirto kivestä. Sillä on myös oltava riittävä läpäisevyys, jotta jäähdytysneste pääsee kiertämään. Keräilijä voi olla sekä luonnollista että keinotekoista alkuperää.
Lämmönsiirtoaineena käytetään yleensä vettä.
Jäähdytysneste syötetään kerääjään ruiskutuskaivon kautta. Keräimen läpi virtaava jäähdytysneste ottaa lämpöä ja poistuu tuotantokaivosta. Tuloksena oleva lämpö voidaan käyttää lämmitykseen tai sähköntuotantoon. Sen jälkeen käytetty jäähdytysneste syötetään uudelleen ruiskutuskaivoon.
Jos keräin on eristetty, jäähdytysnesteen häviöt ovat merkityksettömiä ja pienenevät käytön aikana [5] .
Petrotermisen energian tärkeimmät edut ovat käytännöllinen ehtymättömyys ja petrotermisten resurssien arjen saatavuus. [2] [6]
Lisäksi sen etuja ovat ei-jätteet, ympäristöturvallisuus ja suhteellisen alhainen luomisen ja käytön työvoimaintensiteetti. [6]
Haittoja ovat kivien alhainen energiapotentiaali jopa 3 km:n syvyydessä. Lämmönsyöttöasemien luomiseen riittää 150 °C jäähdytysnesteen lämpötila. Useimmissa paikoissa tämä lämpötila on kuitenkin saatavilla vain 6 km:n syvyydessä ja vain muutamassa - 3 km:ssä. Lämpövoimalaitoksen rakentamiseen tarvitaan 250–280 °C lämpötila, mikä vastaa 10 km:n syvyyttä. Tällaisten kaivojen poraus on erittäin kallista ja tekee petrolämpöasemista kilpailukyvyttömiä. [7]
Muita puutteita ovat viestinnän kiinteys ja mahdottomuus varastoida energiaresursseja, toisin kuin polttoaineenergia. [6]
Alueella, jossa asema sijaitsee, ilmaston paikallinen viileneminen on mahdollista. Kuitenkin Leningradin kaivosinstituutin kaivostermisen fysiikan ongelmalaboratorion mukaan 13 000 vuoden kuluessa aseman valmistumisesta neutraalikerroksen lämpötilan enimmäislasku on enintään 0,1 °, mikä on merkityksetöntä verrattuna luonnolliset ilmastonvaihtelut. [kahdeksan]
Geotermisten järjestelmien keräilijöiden stimulointi voi laukaista maanjäristyksiä. Suurin seisminen aktiivisuus voi olla 3,0-3,7 yksikköä Richterin asteikolla [9] .
Samanlaisia maanjäristyksiä tapahtui Sveitsissä, Saksassa ja muissa maissa [10] . Vuonna 2017 Etelä-Koreassa tapahtui 5,4 magnitudin maanjäristys[11] .
Uusien teknologioiden käyttö voi kuitenkin vähentää merkittävästi seismistä aktiivisuutta hydraulisen murtamisen aikana [9] .
Termiä "petroterminen" käyttivät ensimmäisen kerran vuonna 1982 W. Roberts ja P. Kruger. [12]
Englanninkielisessä kirjallisuudessa on epäselvyyttä geotermisiin järjestelmiin liittyvästä terminologiasta. [12]
Joten vuonna 1970 otettiin käyttöön käsite "kuuma kuiva kivi" (hot dry rock, HDR), mikä tarkoitti keinotekoisia keräysjärjestelmiä, jotka ottavat lämpöä kuumista kivistä, joissa ei ole luonnollista alkuperää olevaa vettä. Jotkut kivet sisältävät kuitenkin jonkin verran luonnossa esiintyvää vettä, joten vuonna 1998 niille otettiin käyttöön käsite "hot wet rocks" (hot wet rock, HWR). Myös vuonna 2003 otettiin käyttöön käsite "kuumarakeinen kivi" viittaamaan luonnollisesti murtuneisiin läpäiseviin kiviin. Kaikki ne kuuluvat petrotermisiin resursseihin. [12]
Seuraavat käsitteet liittyvät myös petrotermisiin järjestelmiin: syvälämmön louhinta (DHM), "stimuloidut geotermiset järjestelmät" (stimuloidut geotermiset järjestelmät, SGS), "parannetut" tai "keinotekoiset geotermiset järjestelmät" (tehostetut tai suunnitellut geotermiset järjestelmät, EGS). Jälkimmäiset termit viittaavat geotermisiin kiertojärjestelmiin , joihin on sovellettu keinotekoista säiliöstimulaatiota [13] , ja ne viittaavat paitsi petrotermisiin, myös hydrotermisiin järjestelmiin. [12]
Lisäksi joissakin teoksissa käytetään käsitettä "akviferivarat kuumien sedimenttikivikompleksien joukossa" (hot sedimentary aquifers, HSA). Sillä tarkoitetaan sedimenttialkuperää olevia kiviä, jotka sisältävät tietyn määrän luonnollista alkuperää olevaa vettä, mutta toisin kuin hydrotermiset resurssit, joissa vallitsee johtava lämmönsiirto, mikä tuo ne lähemmäksi petrotermisiä resursseja. Tälle luokalle ei kuitenkaan ole olemassa selkeitä, yleisesti hyväksyttyjä kriteerejä. [12]
Vuonna 1898 K. E. Tsiolkovsky ilmaisi ajatuksen mahdollisuudesta ottaa lämpöenergiaa pitkällä aikavälillä syvistä kuumista kivistä johtuen lämmönvaihdosta kylmän veden kanssa. Tätä ajatusta kehitettiin hänen vuosina 1903 ja 1914 julkaistuissa teoksissa. [14] [6] [8]
Vuosina 1904 ja 1919 Charles Parsons teki ehdotuksen erittäin syvän kaivoksen perustamisesta lämpöenergian louhintaa varten [8] .
Vuonna 1920 akateemikko V. A. Obruchev kuvaili tarinassa "Thermal Mine" GCS:ää, joka ottaa energiaa graniittimassiivista 3 km:n syvyydessä. Vaikka hänen ehdottamansa järjestelmä oli tehoton ja tuskin toteuttamiskelpoinen, V. I. Vernadsky ja A. E. Fersman , samoin kuin I. M. Gubkin , A. A. Skochinsky , A. N. Tikhonov , tukivat sitä ideaa . [14] [6]
Neuvostoliitossa geotermisen lämpöfysiikan perustan loi V.I.:n mukaan nimetyn Leningradin kaivosinstituutin professori. Plekhanov Yu. D. Dyadkin , Ukrainan tiedeakatemian akateemikot A. N. Shcherban ja O. A. Kremnev . Tämän tieteenalan puitteissa tutkittiin lämmön ja massan siirtymisen prosesseja eri ympäristöissä ja kehitettiin menetelmiä geotermisen, mukaan lukien petrotermisen, energian talteenottoon. [15] [16]
Maailmassa on tällä hetkellä toteutettu useita petrotermisten lämmönjakeluasemien ja voimalaitosten hankkeita, mutta ne muodostavat erittäin pienen osan kokonaisenergiataseesta [17] .
Ensimmäinen petroterminen GCC, jossa käytettiin huokoisten kivien lämpöä, rakennettiin Pariisissa vuonna 1963 ja sen oli tarkoitus lämmittää Brodkastin Chaos -kompleksia . [18] [19] [15]
Vuonna 1969 Melunin kaupungissa otettiin käyttöön keskuslämmitysjärjestelmä, joka lämmitti 3 000 asuntoa [8] [20] .
Myöhemmin samanlaisia lämpöhankkeita toteutettiin Saksassa, Unkarissa, Romaniassa, Yhdysvalloissa ja muissa maissa, mukaan lukien Venäjällä (Dagestanissa, Krasnojarskin alueella ja Kamtšatkassa) [8] .
Yhteensä Ranskassa toteutettiin vuoden 2013 tietojen mukaan yli 60 petrotermistä järjestelmää ja Yhdysvalloissa yli 224 petrotermistä järjestelmää, joissa käytetään luonnollisesti läpäisevien säiliöiden lämpöä. Niitä käytetään lämmitykseen ja sähköntuotantoon. [viisitoista]
Vuonna 1970 Yhdysvaltain Los Alamosin kansallinen laboratorio kehitti ja patentoi petrotermisen energian talteenoton [21] . Vuonna 1974 se käynnisti Fenton Hill -projektin, joka oli ensimmäinen GCC, joka otti lämpöä läpäisemättömistä kivistä. Säiliöt luotiin hydraulisella murtolla. Ensimmäisen keräimen kaivojen syvyys oli noin 2,7 km, kivien lämpötila 180 °C. Toisen keräimen kaivojen syvyys on 4,4 km ja lämpötila 327 °C. Järjestelmä toimi testitilassa vuoteen 2000 asti. [22] Koko sen toiminta-ajan aikana vastaanotettu energia on 8 kertaa suurempi kuin jäähdytysnesteen kierron varmistamiseen käytetty energia [8] .
Vuonna 1983 Cornwalliin , Iso-Britanniaan , perustettiin kokeellinen petroterminen GCC, jossa käytettiin hydraulista murtamista . [23]
Vuonna 1986 käynnistettiin Ranskan, Saksan ja Ison-Britannian yhteinen hanke petrotermisen GCC:n rakentamiseksi Soultz-sous- Foretiin . Ensimmäinen yritys luoda keräilijä 2,2 km:n syvyydessä epäonnistui. Vuoteen 1995-1997 mennessä oli mahdollista luoda säiliö 3,9 km:n syvyyteen, jossa kivien lämpötila oli 168 ° C, ja suorittaa onnistuneita kokeita jäähdytysnesteen kierrosta. Järjestelmän lämpöteho saavutti 10 MW, kun taas pumppauslaitteiden toiminta vaati vain 250 kW; jäähdytysnestettä ei hävinnyt. [24] Vuoteen 2005 mennessä 5,1 km syvyyteen rakennettiin keräin, suoritettiin kiertotestejä, joiden aikana jäähdytysnesteen lämpötila keräimen ulostulossa oli noin 160 °C, jäähdytysnesteen häviöt olivat merkityksettömiä [25] . Rakennettiin voimalaitos, joka on vuodesta 2016 alkaen toiminut menestyksekkäästi jatkuvatoimisesti. Sen sähköteho on 1,7 MW. [26]
Venäjällä vuonna 1991 Tyrnyauzissa luotiin petroterminen lämmönsyöttöjärjestelmä . Graniittimuodostelman hydraulinen murtaminen suoritettiin 3,7 km:n syvyydessä, jossa lämpötila saavutti 200 °C. Hanke kuitenkin lopetettiin onnettomuuden vuoksi sekä sotilaallisen konfliktin puhkeamisen vuoksi. [2] Sen parissa työskentelevät asiantuntijat siirtyivät Pietarin geotermiseen projektiin , mikä merkitsi petrotermisen lämmönjakelujärjestelmän luomista [27] . Sen toteuttaminen rajoittui kuitenkin koekaivon poraukseen ja tutkimustyöhön Pulkovon alueella . [kahdeksan]
HDR-teknologiaan perustuvia petrotermisiä järjestelmiä on kehitetty tai kehitteillä Yhdysvalloissa, Saksassa, Ranskassa, Italiassa, Japanissa, Sveitsissä, Kiinassa ja Australiassa sekä muissa maissa [17] .