Studies of the geothermal heat transfer process using a geothermal thermosyphon with natural circulation

V.A. Lebedev, E.A. Zaitseva, O.L. Gorina, A.N. Fedotkina
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №2 / 2025 p.114-122

Abstract: Active development of technologies that allow using “environmentally neutral” renewable energy sources is necessary to in order to achieve the goals of sustainable development of modern society and increase the share of energy resources in the energy balance of the Russian Federation with the minimal man-induced impact on the environment. One of these energy resources is geothermal energy of the Earth, i.e. the energy of natural thermal reservoirs formed mainly as a result of the lithospheric plates activity in the Earth's crust. Currently, geothermal energy is being actively developed in industry, energy, and agriculture of most countries. The choice of extraction method directly depends on the depth of the thermal collector. There are technologies for extracting heat from a depth of more than 3 km, such methods involve high investment risks and capital costs. Currently, heat transfer technologies using near-surface systems are widely used. One of the promising technologies is heat transfer using a geothermal thermosyphon with natural circulation of the working fluid. Operation of a geothermal thermosyphon is analyzed, which is based on the phenomenon of free movement of the working fluid, with a decomposition of its operation stages. While searching for options to increase the efficiency of such systems, an experimental installation was designed to study the patterns of the heat transfer process depending on the geometric parameters of the thermosyphon and its design features. The heat transfer process is investigated depending on the height of the experimental model and the introduction of a structural separator for the ascending and descending flows. It is determined that with an increase in the temperature of the soil mass, the amount of the transferred heat increases due to the presence of a medium separator by an average of 25%.

Keywords: energy, geothermal energy, renewable energy sources, thermosyphon with natural circulation, alternative energy sources

Acknowledgements: The research was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation “Fundamental interdisciplinary research of the Earth's interior and processes of integrated development of georesources” (FSRW-2023-0002).

For citation: Lebedev V.A., Zaitseva E.A., Gorina O.L., Fedotkina A.N. Studies of the geothermal heat transfer process using a geothermal thermosyphon with natural circulation. Russian Mining Industry. 2025;(2):114–122. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-114-122

Article info

Received: 24.01.2025

Revised: 03.03.2025

Accepted: 11.03.2025

Information about the authors

Vladimir A. Lebedev – Cand. Sci. (Eng.), Professor, Department of Heat engineering and thermal power engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; e-mail: Lebedev_VA@pers.spmi.ru

Ekaterina A. Zaitseva – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Thermal Engineering and Thermal Power Engineering, St. Petersburg Mining University of Empress Catherine II, St. Petersburg, Russian Federation; e-mail: Yushkova_EA@pers.spmi.ru

Olga L. Gorina – Postgraduate Student, Department of Heat engineering and thermal power engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; Saint Petersburg, Russian Federation; e-mail: OlyaG@yandex.ru

Anastasia N. Fedotkina – Postgraduate Student, Department of Heat engineering and thermal power engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; Saint Petersburg, Russian Federation; e-mail: fedotkina.anastasiy@yandex.ru

Author’s Contribution

V.A. Lebedev – generation of the idea and setting of the research objectives research.

E.A. Zaitseva – writing the text of the article, creating diagrams.

O.L. Gorina – obtaining data for analysis, creating diagrams, writing the text of the article.

A.N. Fedotkina – writing the text of the article, performing work on the systematization of the material, data analysis, design and creation of an experimental installation.

References

1. Шахназаров Б.А. ЕSG-принципы и устойчивое развитие. Правовые аспекты. Мониторинг правоприменения. 2022;(1):2–11. https://doi.org/10.21681/2226-0692-2022-1-2-11 Shakhnazarov B. ESG principles and sustainable development: Legal aspects. Monitoring of Law Enforcement. 2022;(1):2–11. (In Russ.) https://doi.org/10.21681/2226-0692-2022-1-2-11

2. Непша Ф.С., Варнавский К.А., Воронин В.А., Заславский И.С., Ливен А.С. Перспективы применения генерации на возобновляемых источниках энергии на угледобывающих предприятиях. Записки Горного института. 2023;261:455–469. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16215 (дата обращения: 27.01.2025). Nepsha F.S., Varnavskiy K.A., Voronin V.A., Zaslavskiy I.S., Liven A.S. Integration of renewable energy at coal mining enterprises: problems and prospects. Journal of Mining Institute. 2023;261:455–469. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16215 (accessed: 27.01.2025).

3. Шпенст В.А., Бельский А.А., Орел Е.А. Повышение энергоэффективности автономного электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной регулировки режимов работы. Записки Горного института. 2023;261:479–492. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16177 (дата обращения: 27.01.2025). Shpenst V.A., Belsky A.A., Orel E.A. Improving the efficiency of autonomous electrical complex with renewable energy sources by means of adaptive regulation of its operating modes. Journal of Mining Institute. 2023;261:479–492. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16177 (accessed: 27.01.2025).

4. Рыженков А.Я., Буринова Л.Д. Развитие возобновляемых источников энергии и их значение для перехода России на стандарты «зеленой» экономики. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Экономика. Управление. Право. 2022;22(4):432–439. https://doi.org/10.18500/1994-2540-2022-22-4-432-439 Ryzhenkov A.J., Burinova L.D. Development of renewable energy sources and their importance for Russia’s transition to the standards of a “green” economy. Izvestiya of Saratov University. Economics. Management. Law. 2022;22(4):432–439. (In Russ.) https://doi.org/10.18500/1994-2540-2022-22-4-432-439

5. Павлов А.А., Лавренов А.В. Перспективы внедрения инновационных технологий в получении геотермальной энергии. В кн.: 27-я Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM’2024), г. Санкт-Петербург, 22–24 мая 2024 г. СПб.: ЛЭТИ; C. 515–518. Режим доступа: https://scm.etu.ru/assets/files/2024/sbornik-novyj/515-519.pdf (дата обращения: 27.01.2025).

6. Пашкевич М.А., Данилов А.С. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Записки Горного института. 2023;260:153–154. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16233 (дата обращения: 27.01.2025). Pashkevich M.A., Danilov A.S. Ecological security and sustainability. Journal of Mining Institute. 2023;260:153–154. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16233 (accessed: 27.01.2025).

7. Егоров А.С., Большакова Н.В., Калинин Д.Ф., Агеев А.С. Глубинное строение, тектоника и геодинамика Охотоморского региона и структур его складчатого обрамления. Записки Горного института. 2022;257:703–719. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.63 Egorov A.S., Bolshakova N.V., Kalinin D.F., Ageev A.S. Deep structure, tectonics and geodynamics of the Sea of Okhotsk region and structures of its folded frame. Journal of Mining Institute. 2022;257:703–719. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.63

8. Богуславский Э.И., Смыслов А.А., Вайнблат А.Б., Смирнова Н.Н., Егоров С.В. Оценка количественных показателей ресурсов приповерхностной геотермальной энергии по регионам России и разработка карт перспективных ресурсов для различных глубин на примере одного из регионов: отчет о научно-исследовательской работе. СПб.: СПГГИ (ТУ); 2006.

9. Богуславский Э.И., Смыслов А.А., Вайнблат А.Б., Смирнова Н.Н., Егоров С.В. Оценка количественных показателей ресурсов приповерхностной геотермальной энергии по регионам России и разработка карт перспективных ресурсов для различных глубин на примере одного из регионов: отчет о научно-исследовательской работе. СПб.: СПГГИ (ТУ); 2006.

10. Алексеенко С.В. Перспективы развития геотермальной энергетики: лекция. Режим доступа: https://rutube.ru/video/970d77e49242404ced3f4af47876ce54/ (дата обращения: 27.01.2025).

11. Breede K., Dzebisashvili K., Liu X., Falcone G. A systematic review of enhanced (or engineered) geothermal systems: past, present and future. Geothermal Energy. 2013;1:4. https://doi.org/10.1186/2195-9706-1-4

12. Богуславский Э.И., Смирнова Н.Н., Егоров С.В. Тепломассообмен в приповерхностных геотермальных системах. Записки Горного института. 2010;187:24–30. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/6618 (дата обращения: 27.01.2025). Boguslavskiy E.I., Smirnova N.N., Egorov S.V. Heatmasstransfer to nearsurface geothermal systems. Journal of Mining Institute. 2010;187:24–30. (In Russ.) Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/6618 (accessed: 27.01.2025).

13. Богуславский Э.И., Фицак В.В. Технология и экономика освоения приповерхностных геотермальных ресурсов. Записки Горного института. 2017;224:189–198. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.189 Boguslavskii E.I., Fitsak V.V. Technology and economics of near-surface geothermal resources exploitation. Journal of Mining Institute. 2017;224:189–198. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.189

14. Лебедев В.А., Федоткина А.Н., Соловьев И.В. Моделирование работы геотермальной установки с естественной циркуляцией различных теплоносителей. Энергобезопасность и энергосбережение. 2024;(2):54–58. Lebedev V.A., Fedotkina A.N., Soloviev I.V. Simulation geothermal plant operations with natural circulation of various heat carriers. Energy Safety and Energy Economy. 2024;(2):54–58. (In Russ.)

15. Кирюхин А.В., Бергаль-Кувикас О.В., Лемзиков М.В., Журавлев Н.Б. Магматическая система Ключевского вулкана по сейсмическим данным и их геомеханической интерпретации. Записки Горного института. 2023;263:698–714. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16305 (дата обращения: 27.01.2025). Kiryukhin A.V., Bergal-Kuvikas O.V., Lemzikov M.V., Zhuravlev N.B. Magmatic system of the Klyuchevskoy volcano according to seismic data and their geomechanical interpretation. Journal of Mining Institute. 2023;263:698–714. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16305 (accessed: 27.01.2025).

16. Михайлов А.В., Соловьев И.В. Анализ грейферной выемки волокнистого торфяного сырья. Устойчивое развитие горных территорий. 2023;15(4):1098–1107. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-4-1098-1107 Mikhailov A.V., Soloviev I.V. Grab excavation analysis of fibrous peat raw material. Sustainable Development of Mountain Territories. 2023;15(4):1098–1107. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-4-1098-1107

17. Гендлер С.Г., Крюкова М.С., Алферова Е.Л. Исследование термодинамических параметров воздушной среды на линиях метрополитенов с однопутными и двухпутными тоннелями. Горные науки и технологии. 2024;9(3):250–262. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2024-02-223 Gendler S.G., Kryukova M.S., Alferova E.L. Investigation of thermodynamic parameters of the air environment in subway lines with single-track and double-track tunnels. Mining Science and Technology (Russia). 2024;9(3):250–262. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2024-02-223

18. Соловьев Б.А., Бодылев А.С., Павлов А.Д., Каекбирдина И.Д. Анализ перспектив развития геотермальной энергетики. Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023;19(1):117–124. Режим доступа: https://usptubulletin.ru/index.php/ele/article/view/11797 (дата обращения: 27.01.2025). Solovev B.A., Bodylev A.S., Pavlov A.D., Kaekbirdina I.D. Analysis of geothermal power engineering and development prospects. Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023;19(1):117–124. (In Russ.) Available at: https://usptubulletin.ru/index.php/ele/article/view/11797 (accessed: 27.01.2025).

19. Чучалов А.А., Сафин М.А. Проектирование системы автоматического управления вентиляцией зданий с помощью геотермальной энергии. Мехатроника, автоматика и робототехника. 2023;(12):52–55. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2023-12-52-55 Chuchalov A.A., Safin M.A. Design of automatic ventilation control system for buildings using geothermal energy. Mekhatronika, Avtomatika i Robototekhnika. 2023;(12):52–55. (In Russ.) https://doi.org/10.26160/2541-8637-2023-12-52-55

20. Mammadov P.Y. Investigating the geothermal energy potential of Absheron region for electricity generation using binary cycle technology. Geology and Geophysics of Russian South. 2024;14(1):162–171. https://doi.org/10.46698/VNC.2024.56.13.012.

21. Stroykov G., Cherepovitsyn A.Y., Iamshchikova E.A. Powering multiple gas condensate wells in russia’s arctic: power supply systems based on renewable energy sources. Resources. 2020;9(11):130. https://doi.org/10.3390/resources9110130.

22. Карабарин Д.И., Михайленко С.А. Использование низкопотенциальных источников энергии на основе органического цикла Ренкина. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2018;11(7):867–876. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0101 Karabarin D.I., Mihailenko S.A. The use of low-potential energy sources based on organic Rankine cycle. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2018;11(7):867–876. (In Russ.) https://doi.org/10.17516/1999-494X-0101

23. Cherepovitsyn A., Rutenko E. Strategic planning of oil and gas companies: The decarbonization transition. Energies. 2022;15(17):6163. https://doi.org/10.3390/en15176163

24. Martynova T.A., Gilenko E.V., Kitaeva E.M., Bondar V.A., Orlova E.V., Drozdova N.P., Cherenkov V.I. Interdisciplinary communicative competence: From conceptualising to operationalising. The Education and Science Journal. 2023;25(4):12–36. https://doi.org/10.17853/1994-5639-2023-4-12-36

25. Александров А.А., Акатьев В.А., Тюрин М.П., Бородина Е.С., Седляров О.И. Аналитическое исследование теплообмена при нагреве или охлаждении лимитированного объема жидкости. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. 2021;(6):17–34. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2021-6-17-34 Aleksandrov A.A., Akatev V.A., Tyurin M.P., Borodina E.S., Sedlyarov O.I. Analytical study of heat transfer when heating or cooling a limited volume of liquid. Herald of the Bauman Moscow State Technical University Series Natural Sciences. 2021;(6):17–34. (In Russ.) https://doi.org/10.18698/1812-3368-2021-6-17-34

26. Зимин Р. Ю., Сержан С. Л., Малеванный Д. В. Применение преобразователей на постоянном и переменном токе в автономных системах электроснабжения на основе ветрогенераторов в условиях арктического шельфа. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(6):69–87. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_69 Zimin R.Yu., Serzhan S.L., Malevannyi D.V. Application of DC/AC converters in self-contained power supply systems based on wind generators in the conditions of the Arctic Shelf. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(6):69–87. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_69

27. Пегин П.А., Филимонов Д.С. Особенности проектирования и строительства зданий в сейсмоопасных районах с многолетнемерзлыми грунтами. Известия Петербургского университета путей сообщения. 2023:20(4)878–890. https://doi.org/10.20295/1815-588X-2023-4-878-890. Pegin P.A., Filimonov D.S. Features of design and construction of buildings in seismically hazardous areas with permafrost soils. Proceedings of Petersburg Transport University. 2023:20(4)878–890. (In Russ.) https://doi.org/10.20295/1815-588X-2023-4-878-890.

28. Костенко С.А. Применение энергосберегающей геотермальной термостабилизации дорожного полотна на транспортных развязках, эстакадах и автостоянках аэропортов. Инновации и инвестиции. 2021;(10):102–109. Kostenko S.A. Application of energy-saving road clothing geothermal thermostabilization at airports' traffic intersections, overhead roads and parkings. Innovation & Investment. 2021;(10):102–109. (In Russ.)

29. Bist N., Sircar A. Hybrid solar geothermal setup by optimal retrofitting. Case Studies in Thermal Engineering. 2021;28:101529. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101529.

30. Осипов А.Л. Применение геотермальной энергии для систем отопления и охлаждения зданий. Экономика и управление: проблемы, решения. 2024;3(8):148–154. https://doi.org/10.36871/ek.up.p.r.2024.08.03.017 Osipov A.L. Application of geothermal energy for building heating and cooling systems. Ekonomika i Upravlenie: Problemy, Resheniya. 2024;3(8):148–154. (In Russ.) https://doi.org/10.36871/ek.up.p.r.2024.08.03.017

31. Соловьев И.Г., Паньшин А.Е. Линеаризованный алгебраический анализ предельных температурных состояний мерзлых оснований, обустроенных термосифонами. Вестник кибернетики. 2007;(6):25–32. Solovyev I.G., Pan'shin A.Ye. Linearized algebraic analylsis of extreme temperature conditions of frozen foundations supplied with freezing siphons. Proceedings in Cybernetics. 2007;(6):25–32. (In Russ.)

32. Епифанов А.А., Дымо Б.В., Долганов Ю.А., Анастасенко С.Н. Экспериментальное исследование двухфазных закрытых термосифонов для экономайзеров котлов. Проблемы региональной энергетики. 2020;(2):65–78. https://doi.org/10.5281/zenodo.3898239 Epifanov A.A., Dymo B.V., Dolganov Y.A., Anastasenko S.N. Experimental investigation of two-phase closed thermosyphons for boiler economizers. Problems of the Regional Energetics. 2020;(2):65–78. (In Russ.) https://doi.org/10.5281/zenodo.3898239

33. Guan B., Liu X., Zhang T. Analytical solutions for the optimal cooling and heating source temperatures in liquid desiccant air-conditioning system based on exergy analysis. Energy. 2020;203:117860. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117860

34. Pushkaryov S.D., Blumberga D., Gluchshenko T.I., Koshkin I.V. Theoretical studies of determining the efficiency indicators of heat pump installations under climatic conditions of the northern region of Kazakhstan Knstanay region. Universitet Enbekteri – University Proceedings. 2022;(2):272–277. https://doi.org/10.52209/1609-1825_2022_2_272