Classification of geothermal heat extraction technologies

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-176-183

Читать на русскоя языкеV.A. Lebedev, A.N. Fedotkina
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №2 / 2025 p.176-183

Abstract: This article deals with the issue of developing a new classification of geothermal energy extraction technologies by generalizing and analyzing existing theoretical and experimental studies in this field. The existing approaches to the classification of geothermal systems are considered, distinguishing hydrothermal and petrothermal technologies, as well as their application depending on different conditions of their use. The paper emphasizes the importance of introducing new technologies and updating the classification of the existing ones to achieve sustainable development of the Russian energy system. It is emphasized that geothermal energy is an environmentally friendly resource, geothermal systems are scalable, and geothermal energy belongs to inexhaustible energy resources. The focus is on creating a systematic approach to classification that takes into account the diversity of technologies and their specific characteristics. The proposed classification includes five levels covering the heat sources, location of the extraction zone, depth of the heat source, principle of implementation and type of heat source extraction. The paper discusses advantages and disadvantages of different systems. The study evaluated and ranked the technologies according to the criteria of cost, environmental safety, reliability and potential for scaling. The proposed classification and evaluation criteria will make it possible to systematically describe and compare different types of technologies for geothermal energy extraction, which can help in selecting the most appropriate technology for specific regions and conditions. Based on the study, it is found that geothermal thermosyphons with natural circulation of the working medium are a rational choice when applied in petrothermal circulation systems

Keywords: geothermal energy, thermosyphon with natural circulation, heat transfer, ranking method, petrothermal energy, hydrothermal energy

For citation: Lebedev V.A., Fedotkina A.N. Classification of geothermal heat extraction technologies. Russian Mining Industry. 2025;(2):176–183. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-176-183

Article info

Received: 16.01.2025

Revised: 05.03.2025

Accepted: 18.03.2025

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

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.

Authors’ contribution

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

A.N. Fedotkina – obtaining data for analysis, creation of schemes, writing the text of the article.

References

1. Серегина А.А. Перспективы зеленой энергетики для России. Геоэкономика энергетики. 2023;21(1):108–122. https://doi.org/10.48137/26870703_2023_21_1_108 Seregina A.A. Prospects of green energy for Russia. Geoeconomics of Energetics. 2023;21(1):108–122. (In Russ.) https://doi.org/10.48137/26870703_2023_21_1_108

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: 23.12.2024). 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: 23.12.2024).

3. 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. 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

4. Романенко А.В., Жинов А.А. Определение оптимальных параметров геотермальной паротурбинной установки. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024;(5):90–99. Режим доступа: https://izvuzmash.bmstu.ru/catalog/pow_met/turb/2222.html (дата обращения: 23.12.2024). Romanenko A.V., Zhinov A.A. Determination of the optimum parameters of a geothermal steam turbine installation. BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2024;(5):90–99. (In Russ.) Available at: https://izvuzmash.bmstu.ru/catalog/pow_met/turb/2222.html (accessed: 23.12.2024).

5. Тимашев Э.О. Методика расчета пневмокомпенсаторов для плунжерных насосов с погружным приводом. Записки Горного института. 2020;245:582–590. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.5.10 Timashev E.O. Method of calculating pneumatic compensators for plunger pumps with submersible drive. Journal of Mining Institute. 2020;245:582–590. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.5.10

6. Литвиненко В.С., Цветков П.С., Двойников М.В., Буслаев Г.В. Барьеры реализации водородных инициатив в контексте устойчивого развития глобальной энергетики. Записки Горного института. 2020;244:428–438. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.4.5 Litvinenko V.S., Tsvetkov P.S., Dvoynikov M.V., Buslaev G.V. Barriers to implementation of hydrogen initiatives in the context of global energy sustainable development. Journal of Mining Institute. 2020;244:428–438. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.4.5

7. Сергеева А.В., Кирюхин А.В., Усачева О.О., Рычкова Т.В., Карташева Е.В., Назарова М.А., Кузьмина А.А. Влияние вторичного минералообразования на показания Na-K-геотермометра на примере гидротермальной системы Долины гейзеров (Кроноцкий заповедник, Камчатка). Записки Горного института. 2023;262:526–540. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15806 (дата обращения: 23.12.2024). Sergeeva A.V., Kiryukhin A.V., Usacheva O.O., Rychkova T.V., Kartasheva E.V., Nazarova M.A., Kuzmina A.A. The impact of secondary mineral formation on Na-K-geothermometer readings: a case study for the Valley of Geysers hydrothermal system (Kronotsky State Nature Biosphere Reserve, Kamchatka). Journal of Mining Institute. 2023;262:526–540. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15806 (accessed: 23.12.2024).

8. 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

9. 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. 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.)

10. 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

11. Борщев Н.О. Тепловая математическая модель двухфазного контура с механическим насосом и тепловым гидроаккумулятором. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2023;(2):73–83. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-2-73-83 Borschev N.O. Thermal mathematical model of a two-phase circuit with mechanical pump and thermal hydraulic accumulator. BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2023;(2):73–83. (In Russ.) https://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-2-73-83

12. 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: 17.12.2024). 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: 17.12.2024).

13. Белова Т.П., Ратчина Т.И. Исследование сорбции лития катионитом КУ-2-8 из модельных растворов, имитирующих геотермальные теплоносители в динамическом режиме. Записки Горного института. 2020;242:197–201. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.2.197 Belova T.P., Ratchina T.I. Research of lithium sorption by KU-2-8 cation exchanger from model solutions simulating geothermal fluids in the dynamic mode. Journal of Mining Institute. 2020;242:197–201. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.2.197

14. 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

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: 17.12.2024). 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: 17.12.2024).

16. Петров И.В., Меркулина И.А., Харитонова Т.В. Научно-методический подход к экологической оценке горнодобывающих и энергетических проектов Арктики. Уголь. 2023;(5):77–83. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-77-83 Petrov I.V., Merkulina I.A., Kharitonova T.V. Scientific and methodological approach to environmental assessment of mining and energy projects in the Arctic. Ugol’. 2023;(5):77–83. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-77-83

17. Васильев Л.Л., Журавлев А.С., Шаповалов А.В., Родин А.В., Олехнович В.А., Драгун Л.А. и др. Термосифоны и тепловые трубы в системах для использования низкопотенциального тепла. Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2019;(2):34–40. Vasiliev L.L., Zhuravlev A.S., Shapovalov A.V., Rodin A.V., Olekhnovich V.A., Dragun L.A. et al. Thermosyphons and heat pipes in systems for low-grade heat utilization. Vestnik Gomelskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. P.O. Sukhogo. 2019;(2):34–40. (In Russ.)

18. 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

19. Шевчук А.М., Карасёв С.Ю., Лебедь Б.П., Сивохина Н.В. Применение новых строительных материалов и технологий дистанционного зондирования участков местности в экостроительстве. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023;(8):116–124. Shevchuk A.M., Karasev S.Yu., Lebed B.P., Sivokhina N.V. Application of new building materials and technologies for remote sensing of terrain in eco-costruction. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Tekhnicheskie Nauki. 2023;(8):116– 124. (In Russ.)

20. 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.)

21. Zhang Y., He Z., Qu F., He D., Hao H., Jiang H. Numerical simulation of geothermal energy from dry hot rocks with gravity heat pipe. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;647:012124. https://doi.org/10.1088/1755-1315/647/1/012124

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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: 17.12.2024). 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: 17.12.2024).

26. Koulakov I., Gordeev E.I., Dobretsov N.L., Vernikovsky V.A., Senyukov S., Jakovlev A., Jaxybulatov K. Rapid changes in magma storage beneath the Klyuchevskoy group of volcanoes inferred from time-dependent seismic tomography. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2013;263:75–91. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2012.10.014

27. 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.

28. Лебедев В.А., Зайцева Е.А., Федоткина А.Н. Геотермальный термосифон с естественной циркуляцией рабочего тела. Патент RU 222634 U1 Российская Федерация. Заявл. 27.11.2023, опубл. 16.01.2024.

29. 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

30. Максимов В.И., Нурпейис А.Е. Новый подход к моделированию процесса формирования теплового режима термосифонов больших размеров для использования геотермальной теплоты. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019;330(8):78–86. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/8/2214 Maksimov V.I., Nurpeiis A.E. New approach to modelling the formation of large-sized thermosiphons thermal regime for using geothermal heat. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2019;330(8):78–86. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2019/8/2214

31. Eidan A.A., Najim S.E., Jalil J.M. An experimental and a numerical investigation of HVAC system using thermosyphon heat exchangers for sub-tropical climates. Applied Thermal Engineering. 2017;114:693–703. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.027

32. 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.1, 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

33. 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. Education and Science Journal. 2023;25(4):12–36. https://doi.org/10.17853/1994-5639-2023-4-12-36

34. Мовчан И.Б., Шайгаллямова З.И., Яковлева А.А. Выявление факторов структурного контроля коренных золоторудных проявлений методом беспилотной аэромагниторазведки на примере Нерюнгринского района Якутии. Записки Горного института. 2022;254:217–233. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.23 Movchan I.B., Shaygallyamova Z.I., Yakovleva A.A. Identification of structural control factors of primary gold ore occurrences by method of unmanned aeromagnetic survey by the example of the Neryungrisky district of Yakutia. Journal of Mining Institute. 2022;254:217–233. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.23

35. Куликова Е.Ю., Полянкин А.Г., Потокина А.М. Специфика управления геотехническими рисками при проектировании подземных сооружений. Записки Горного института. 2023;264:895–905. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/iew/15784 (дата обращения: 17.12.2024). Kulikova E.Y., Polyankin A.G., Potokina A.M. Specifics of geotechnical risk control in the design of underground structures. Journal of Mining Institute. 2023;264:895–905. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15784 accessed: 17.12.2024).

36. 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