Подземные источники энергетики

Разработка нетрадиционных энергоресурсов. Во многих странах усиленно ведутся работы над поиском и освоением новых «нетрадиционных» источников энергии, более дешевых и доступных, не связанных со сжиганием топлива. К ним относятся такие возобновляемые источники: солнечная и ветровая энергия, энергия морских приливов и отливов, сил вулканизма, извлечение водорода из недр планеты и др.

Для нетрадиционных энергоресурсов характерна значительная сложность или даже не разработанность техники и технологии и соответственно высокая стоимость получаемой продукции. Иными словами, нетрадиционные источники энергии – это такие ресурсы, освоение которых в современных условиях технически затруднено и экономически нерентабельно.

Гидрогенизация угля. Гидрогенизация (от лат. Hydrogeniun – водород) – процесс получения жидких углеводородов из твердых горючих ископаемых (угли, сланцы) и тяжелых нефтяных остатков под воздействием водорода.

Возможны два варианта гидрогенизации угля: на поверхностных установках и в подземных условиях на месте залегания угля.

В поверхностные установки загружают предварительно измельченный уголь и в определенных термодинамических условиях насыщают его водородом. При этом 85-90 % угля переходит в жидкое состояние, образуя флюид, близкий по свойствам природной нефти. Процесс перевода угля в жидкое состояние происходит при температуре 400-450 ^оС и давлении водорода 10–12 МПа.

Подземная гидрогенизация угля находится в стадии исследований. Жидкое топливо из угля можно получить через систему добычных скважин, пробуренных с поверхности. Возможен вариант гидрирования угля в шахтах через скважины, пробуренные из горных выработок или путем бурения скважин из этих выработок на новые угольные горизонты.

Разработка газогидратных месторождений. Газовые гидраты, или твердый газ – новый крупнейший источник получения тепловой энергии и химического сырья на Земле.

Раннее открыто свойство природных газов находиться при определенном соотношении температуры и давления в твердом состоянии.

Внешне газовые гидраты похожи на непрозрачный лед. Они образуются в недрах Земли, в ее верхнем осадочном чехле из соединения метана, этана, пропана и других газов с водой при давлении 0–15 МПа и отрицательных или небольшой положительной температуре (до 20 ^оС). В одном объеме гидрата содержится до 200 объемов газа, хотя при обычных условиях в 1 м³ воды трудно растворить более 4 м³ природного газа.

Проведенные исследования показали, что благоприятные условия для образования в недрах планеты твердого газа существуют на 27 % суши, в основном в зоне вечной мерзлоты и ледников, а также на 9/10 площади дна Мирового океана.

Низкая температура воды на дне Мирового океана и высокое давление создают благоприятные условия для образования газогидратов. Поднятый со дна Черного моря геологоразведочный керн частично состоял из газового гидрата. Прогнозные оценки запасов газа в твердом состоянии на дне морей и океанов подтверждают, что они исчисляются тысячами триллионов кубометров.

Ученые пришли к выводу: газ из твердого состояния в свободное должен быть переведен непосредственно в недрах Земли геотехнологическими способами. Такой перевод можно осуществить бурением геотехнологических скважин на газогидратные пласты за счет снижения пластового давления, повышения температуры, а также ввода в пласт антигидритных жидкостей (растворов солей, спиртов и др.).

Значительные ресурсы и широкое распространение газогидратных месторождений могут при повышении цены на « традиционный» природный газ и истощение его ресурсов сделать рентабельной разработку в широких масштабах этого нового источника топлива и химического сырья.

Использование глубинной теплоты Земли. Геотермальные ресурсы связаны как с природными динамическими носителями тепловой энергии Земли – геотермальными водами (вода, пар, пароводяные смеси), так и с сухими нагретыми горными породами, которые практически водонепроницаемы. Ресурсы первого вида называются гидротермальными, второго – петрогеотермальными.

Существует несколько способов получения глубинной теплоты из недр: бурение глубоких скважин в расчете на самоизлив пароводяной смеси; нагнетание холодного теплоносителя (например, воды) в одну из скважин и вывод горячей воды (пара) через другую скважину; из естественных термальных источников; использование теплообменных устройств на устье скважины.

На основе имеющихся гипотез можно считать, что глубинное тепловое поле Земли обусловлено двумя основными факторами: радиоактивным распадом и гравитационной сепарацией веществ ядра.

Другой источник глубинной теплоты – результат сепарации вещества земного ядра.

Геотермальная энергия может извлекаться и использоваться в любой точке Земли, разница только в параметрах теплоносителей и глубинах. Можно утверждать, что геотермальная энергия везде является местным энергоресурсом. Освоение его будет идти от легкодоступных к более трудным для извлечения, но это характерно для всей истории промышленного освоения традиционных энергоресурсов.

Освоение гидротермальных ресурсов. Технологическая схема действующих систем извлечения глубинной теплоты из недр изображена на рис. . Термальные воды, пар и пароводяные смеси из пласта термоводозабором 1 по выдачной скважине 2 выдаются на поверхность через запорную арматуру 3. В сепараторах циклонного типа 4 теплоноситель очищается от механических примесей и происходит разделение воды и пара. Осушенный и очищенный теплоноситель поступает в теплообменник 5 потребителя. Опробированный теплоноситель направляется на вторичное использование потребителю низкопотенциальной теплоты, после чего сбрасывается опять в пласт термоводозабора по нагнетательной скважине 6.

Эксплуатация горячих горных пород. Использование теплоты горных пород (петрогенной теплоты) – плодотворная идея, т.к. расход и качество теплоносителя могут задаваться человеком.

Процесс получения глубинной теплоты Земли может быть реализован при бурении нагнетательной и выдачной скважин и создании между ними системы с хорошей фильтрацией (рис. ). Холодная вода закачивается насосом в нагнетательную скважину и, нагреваясь в тепловом массиве горных пород, смешивается с пластовой водой и подается по выдачной скважине в теплообменник. В верхней части выдачной скважины предусмотрен обратный клапан.

В теплообменнике нагревается техническая вода, не содержащая минеральных солей, а пластовая вода снова подается в нагнетательную скважину.

Геотермальная энергетика. Как показал опыт, глубинная теплота недр планеты один из самых дешевых энергоисточников.

При эксплуатации геотермальных ресурсов стоимость одного Гкал теплоты для нагрева воды до 100°С меньше стоимости одного Гкал теплоты, получаемой от сжигания в котельных газа, торфа и угля соответственно в 5–5,5; 7,5 и 8–10 раз. Схема геотермального теплоснабжения приведена на рис.

Использование тепловой энергии вулканов. По современным представлениям вулкан – внешняя форма проявления магматизма. В недрах Земли на глубине 5-300 км образуются очаги расплавленной магмы.

Ресурсы тепловой энергии вулканов - наиболее концентрированная форма размещения глубинной теплоты в недрах планеты. Температура внутри вулканических очагов – в пределах 1300-1500° С.

Вулканические процессы собственно не относятся к геотехнологическим, однако методами геотехнологии можно поставить вулканическую деятельность на службу человека (рис. ).

Для выработки электроэнергии по этой схеме требуется получение пара. Холодная вода закачивается по скважинам в толщу горячих вулканических пород, испаряясь и пар на поверхности, вращая турбины вырабатывает электроэнергию.