La energía petrotérmica es una dirección de la energía geotérmica que utiliza el calor de las rocas secas.
Los recursos geotérmicos se dividen en hidrotérmicos y petrotérmicos. La energía hidrotermal tiene como finalidad la extracción de calor de las aguas subterráneas de origen natural. Petrotermia: para extraer calor directamente de las rocas mismas , cuya temperatura es más alta cuanto más profundas se encuentran. El grado de aumento de la temperatura de la roca al aumentar la profundidad se caracteriza por un gradiente geotérmico : en promedio, es de 0,02 °C/m [1] , con tal gradiente, la temperatura de la corteza terrestre alcanza los 100 °C a una profundidad de 5 kilómetros
Actualmente, la tecnología hidrotermal es la más común, ya que es mucho más fácil de implementar. Sin embargo, la creación de un sistema hidrotermal solo es posible cuando se dispone de aguas geotérmicas adecuadas, por ejemplo, en zonas volcánicas. Por lo tanto, solo alrededor del 1% de todos los recursos geotérmicos utilizables en la Tierra son hidrotermales, mientras que el 99% restante son petrotérmicos. Esto le permite crear sistemas petrotérmicos en casi cualquier lugar de la Tierra. [2] [3]
Los sistemas de circulación geotérmica (CCG) se utilizan para extraer energía petrotérmica . [cuatro]
Este sistema incluye un reservorio subterráneo, un pozo de inyección, un pozo de producción y un complejo de superficie que contiene equipos que aseguran la operación del sistema.
El colector es una zona permeable en la roca a través de la cual fluye el refrigerante. Debe tener una superficie de intercambio de calor desarrollada para garantizar una transferencia de calor eficiente de la roca por el refrigerante. También debe tener suficiente permeabilidad para permitir que el refrigerante circule. El colector puede ser tanto de origen natural como artificial.
Como portador de calor, por regla general, se usa agua.
El refrigerante se suministra al colector a través de un pozo de inyección. Al fluir a través del colector, el refrigerante toma calor y se extrae a través del pozo de producción. El calor resultante se puede utilizar para calefacción o generación de electricidad. Después de eso, el refrigerante gastado se alimenta nuevamente al pozo de inyección.
Si el colector está aislado, las pérdidas de refrigerante serán insignificantes y disminuirán durante el funcionamiento [5] .
Las principales ventajas de la energía petrotérmica son la inagotabilidad práctica y la disponibilidad ubicua de los recursos petrotérmicos. [2] [6]
Además, sus ventajas incluyen la ausencia de residuos, la seguridad ambiental y una intensidad de trabajo relativamente baja en la creación y operación. [6]
Las desventajas incluyen el bajo potencial energético de las rocas a profundidades de hasta 3 km. Para crear estaciones de suministro de calor, una temperatura del refrigerante de 150 °C es suficiente. Sin embargo, en la mayoría de los lugares, esta temperatura está disponible solo a una profundidad de 6 km, y solo en unos pocos, 3 km. Para crear una central térmica, se requiere una temperatura de 250 a 280 °C, lo que corresponde a una profundidad de 10 km. La perforación de tales pozos es muy costosa y hace que las estaciones petrotérmicas no sean competitivas. [7]
Otras deficiencias incluyen la estacionariedad de las comunicaciones y la imposibilidad de almacenar recursos energéticos, en contraste con la energía combustible. [6]
En el área donde se ubica la estación, es posible un enfriamiento local del clima. Sin embargo, según el Laboratorio de Problemas de Física Térmica Minera del Instituto Minero de Leningrado , dentro de los 13.000 años posteriores a la finalización de la estación, la disminución máxima de la temperatura de la capa neutra no será superior a 0,1 °, lo que es insignificante en comparación con fluctuaciones climáticas naturales. [ocho]
La estimulación de los colectores de los sistemas geotérmicos puede desencadenar terremotos. La actividad sísmica máxima puede alcanzar 3,0-3,7 unidades en la escala de Richter [9] .
Terremotos similares ocurrieron en Suiza, Alemania y otros países [10] . En 2017, se produjo un terremoto de magnitud 5,4 en Corea del Sur [11] .
Sin embargo, el uso de nuevas tecnologías puede reducir significativamente la actividad sísmica durante la fracturación hidráulica [9] .
El término "petrotérmico" fue utilizado por primera vez en 1982 por W. Roberts y P. Kruger. [12]
Existe confusión en la literatura en inglés sobre la terminología relacionada con los sistemas geotérmicos. [12]
Así, en 1970, se introdujo el concepto de "hot dry rocks" (roca seca caliente, HDR), que denota sistemas de colectores artificiales que extraen calor de rocas calientes en las que no hay agua de origen natural. Sin embargo, algunas rocas contienen cierta cantidad de agua natural, por lo que en 1998 se introdujo para ellas el concepto de "rocas húmedas calientes" (roca húmeda caliente, HWR). También en 2003, se introdujo el concepto de "roca fracturada en caliente" para referirse a rocas permeables naturalmente fracturadas. Todos ellos pertenecen a los recursos petrotérmicos. [12]
Los siguientes conceptos también están asociados con los sistemas petrotérmicos: minería de calor profundo (DHM), "sistemas geotérmicos estimulados" (sistemas geotérmicos estimulados, SGS), "sistemas geotérmicos artificiales" o "mejorados" (sistemas geotérmicos mejorados o diseñados, EGS). Los últimos términos se refieren a los sistemas geotérmicos de circulación a los que se les ha aplicado estimulación artificial de embalses [13] y se refieren no solo a los sistemas petrotérmicos sino también a los hidrotermales. [12]
Además, algunos trabajos utilizan el concepto de “recursos acuíferos en un complejo de rocas sedimentarias calientes” (acuíferos sedimentarios calientes, HSA). Se refiere a rocas de origen sedimentario que contienen cierta cantidad de agua de origen natural, pero, a diferencia de los recursos hidrotermales, con predominio de la transferencia de calor por conducción, lo que las acerca a los recursos petrotermales. Sin embargo, no existen criterios claros y generalmente aceptados para esta categoría. [12]
En 1898, K. E. Tsiolkovsky expresó la idea de la posibilidad de extraer energía térmica a largo plazo de rocas calientes profundas debido al intercambio de calor con agua fría. Esta idea fue desarrollada en sus obras publicadas en 1903 y 1914. [14] [6] [8]
En 1904 y 1919, Charles Parsons hizo una propuesta para crear una mina ultra profunda para la extracción de energía térmica [8] .
En 1920, el académico V. A. Obruchev describió en la historia "Mina térmica" el GCS, que extrae energía de un macizo de granito a una profundidad de 3 km. Aunque el esquema propuesto por él era ineficiente y difícilmente factible, sin embargo, la idea misma fue apoyada por V. I. Vernadsky y A. E. Fersman , así como por I. M. Gubkin , A. A. Skochinsky , A. N. Tikhonov . [14] [6]
En la URSS, un profesor del Instituto de Minería de Leningrado que lleva el nombre de V.I. Plekhanov Yu. D. Dyadkin , académicos de la Academia de Ciencias de Ucrania A. N. Shcherban y O. A. Kremnev . En el marco de esta disciplina, se estudiaron los procesos de transferencia de calor y masa en diversos ambientes y se desarrollaron métodos para la extracción de energía geotérmica, incluida la petrotérmica. [15] [16]
Actualmente, varios proyectos de estaciones de suministro de calor y centrales eléctricas petrotérmicas se han implementado en el mundo, sin embargo, representan una parte extremadamente pequeña en el balance energético general [17] .
El primer GCC petrotérmico, utilizando el calor de rocas porosas, se construyó en París en 1963 y estaba destinado a calentar el complejo Brodkastin Chaos . [18] [19] [15]
En 1969, se puso en marcha un sistema de calefacción central en la ciudad de Melun , calentando 3.000 apartamentos [8] [20] .
Posteriormente, se implementaron proyectos similares de suministro de calor en Alemania, Hungría, Rumania, EE. UU. y otros países, incluida Rusia (en Daguestán, el territorio de Krasnoyarsk y Kamchatka) [8] .
En total, según datos de 2013, se implementaron más de 60 sistemas petrotérmicos en Francia y más de 224 sistemas petrotérmicos que utilizan el calor de embalses naturalmente permeables en EE. UU. Se utilizan para calefacción y para generar electricidad. [quince]
En 1970, el Laboratorio Nacional de Los Álamos de los Estados Unidos desarrolló y patentó la tecnología para la extracción de energía petrotérmica [21] . En 1974, lanzó el proyecto Fenton Hill, el primer GCC en extraer calor de rocas impenetrables. Los yacimientos se crearon mediante fracturación hidráulica. La profundidad de los pozos del primer colector era de unos 2,7 km, la temperatura de las rocas era de 180 °C. La profundidad de los pozos del segundo colector es de 4,4 km con una temperatura de 327 °C. El sistema funcionó en modo de prueba hasta el año 2000. [22] La energía recibida durante todo el período de su funcionamiento es 8 veces mayor que la energía gastada para garantizar la circulación del refrigerante [8] .
En 1983, se estableció en Cornwall , Reino Unido , un GCC petrotérmico experimental que usa fracturación hidráulica . [23]
En 1986, se lanzó un proyecto conjunto francés, alemán y británico para construir un GCC petrotérmico en Soultz-sous-Foret . El primer intento de crear un colector a una profundidad de 2,2 km no tuvo éxito. Para 1995-1997, fue posible crear un depósito a una profundidad de 3,9 km, donde la temperatura de las rocas era de 168 ° C, y realizar experimentos exitosos sobre la circulación del refrigerante. La potencia térmica del sistema alcanzó los 10 MW, mientras que la operación de los equipos de bombeo requirió sólo 250 kW; no hubo pérdida de refrigerante. [24] Para el año 2005 se construyó un colector a una profundidad de 5,1 km, se realizaron pruebas de circulación, durante las cuales la temperatura del refrigerante a la salida del colector fue de unos 160 °C, las pérdidas de refrigerante fueron insignificantes [25] . Se construyó una central eléctrica que, a partir de 2016, ha sido operada con éxito en modo continuo. Su potencia eléctrica es de 1,7 MW. [26]
En Rusia, en 1991, se creó un sistema de suministro de calor petrotérmico en Tyrnyauz . Se realizó un fracturamiento hidráulico de una formación granítica a una profundidad de 3,7 km, donde la temperatura alcanzó los 200 °C. Sin embargo, debido a un accidente, así como en relación con el estallido de un conflicto militar , el proyecto se cerró. [2] Los especialistas que trabajaban en él cambiaron al proyecto geotérmico de San Petersburgo , que implicaba la creación de un sistema de suministro de calor petrotérmico [27] . Sin embargo, su implementación se limitó a perforar un pozo exploratorio y realizar trabajos de investigación en el área de Pulkovo . [ocho]
Se han desarrollado o se están desarrollando proyectos de sistemas petrotérmicos basados en tecnología HDR en EE.UU., Alemania, Francia, Italia, Japón, Suiza, China y Australia y otros países [17] .