ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

ВОДА ЗАКРЫТЫХ ШАХТ — ИСТОЧНИК ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ Часть 2

Впоследние десятилетия добыча угля Проходческие и добычные работы, проведенные при добыче во многих регионах сократилась, вызвав угля, создали в массиве пород увеличенную гидравлическую прозакрытие шахт. Шахты во Франции, Гер- ницаемость. У шахты еще во время работы накоплен опыт откачки мании, Великобритании, Нидерландов, 4 млн м3 в год с температурой около 25–30 ⁰С с глубины 1 000 м. Польши, Испании, Словакии, Украины Температура породного массива на глубине, достигнутой гормогут стать базой и объектами детального изуче- ными работами, 1 200 м может составлять 30–50 ⁰С и служить оснония и развития геотермального использования вой для сезонной системы аккумулирования тепла. В шахте имеподземного пространства. ется 141 км подземных маршрутов с общей площадью добычи

Мы уже писали, что после закрытия шахты ее угля — 165 км2, что позволяет создать большую объемную вмевыработанное пространство становится резерву- стимость для аккумулирования тепла. Подземные работы связаны аром подземных вод, подогреваемых геотермаль- с поверхностью четырьмя вертикальными стволами и конвейерной энергией. ным наклонным стволом.

Отработанные и затопленные шахты представ- Уровень подземных вод в центральной и северной частях отраляют собой большой потенциал для использо- ботанной площади ожидается на глубине 600 м. Это означает, вания геотермальной энергии низкотемпературной воды из подземных пространств, образовавшихся в результате отработки угольных пластов.

Университетом Бохума в Германии разработан концептуальный проект аккумулирования тепла в закрытой шахте Проспер-Ханиэль угольного района Рур, земля Северный Рейн-Вестфалия. Основанная в 1863 г. шахта добывала 3 млн т угля в год и закрылась в 2018 г. после прекращения государственных субсидий. C конца 2018 по 2021 гг. для шахты будет продолжаться процесс сворачивания Фрагмент схемы вскрытия шахты Проспер-Ханиэль горных работ, после чего до 2035 г. резервуар заполнится шахтной водой. (наклонный конвейерный и вертикальные стволы): sohle (нем.) — горизонт; floz (нем.) — пласт; forderberg (нем.) — наклонный ствол

что энергия, необходимая для откачки этого объема, сильно превысит полученную термальную энергию, даже если температура воды достигнет 35 ⁰С. Возможное повышение температуры откачиваемой воды и эффективности работы общей схемы могут быть созданы хранением сезонного тепла других источников в подземных структурах шахты, что пока не осуществлено.

Шахта Проспер-Ханиэль обладает некоторыми преимуществами для решения этой задачи:

3 шахта пока продолжает работать, ее основные выработки и полости доступны. Пути движения воды созданы добычей угля и необходимостью проведения для этого породных и пластовых выработок. Эти пути доступа, включая стволы и другие выработки, созданные в результате инженерной деятельности по добыче угля, продолжают поддерживаться в рабочем состоянии; 3 высокая плотность населения в районе, примыкающем к шахте, определенно будет хорошим рынком для принятия тепла, сохраняемого под землей. Это тепло может быть использовано для снабжения жилых районов и коммерческих предприятий. В концептуальном проекте описаны конкретные детали такого решения: тепло хранится на шахтном горизонте 7, примыкающем к стволу 10. Анализ устойчивости пород в которых размещается подземное термальное водохранилище на горизонте 7 показал, что здесь ожидается их значительно меньшая конвергенция (сближение кровли

Копер шахты Проспер-Ханиэль Выработанное пространство (коричневый цвет) объединенных шахт Проспер и Франц Ханиэль: Forderschacht — наклонный ствол, sonstiger Schacht — вертикальные стволы 1, 2, 9, 10

Резервуар шахтной воды на 7-м горизонте шахты Проспер-Ханиэль: HT-MTES (High Temperature-Mine Thermal dams — перемычки,

Energy Storage) — проект хранения shaft — вертикальный ствол, термальных вод, mine drainage― дренаж шахтной воды.

Красным показаны горные выработки, заполненные водой и создающие резервуар, расположенный между стволами 9 и 10. Синим — обходная дренажная выработка

Использование 7-го горизонта шахты Проспер-Ханиэль для сезонной системы хранения тепла: injection of excess... — ввод излишнего production of stored... — извлечение тепла летом, хранимого тепла зимой, seasonal — сезонный, heat storage — хранимое тепло

и почвы основных выработок и полостей), чем на добычных участках шахты. Породный массив этого горизонта на глубине 1 159 м, вскрытый, но не испытавший влияния добычных работ, будет нагрет до температуры 50 ⁰С.

Избыток тепла, источником которого может служить, например, биогаз, летом хранится в подземных выработках, а затем расходуется зимой для отопления и горячего водоснабжения локальной сети поселков, прилегающих к шахте. Биогаз получают из биоотходов при водородном или метановом брожении биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Биогаз может использоваться для любых отопительных целей, например, для приготовления пищи.

Осуществление этого проекта требует наличия большого объема воды, для того чтобы хранить большой запас тепла. Этот объем должен быть надежен, экономически эффективен, интегрирован в городскую сеть инфраструктуры. Для обеспечения экономической эффективности комплекс должен функционировать 40–50 лет.

Город Хеерлен расположен на юго-востоке Нидерландов. Муниципалитет Хеерлен занимает площадь 45,53 км2, его население составляет 88 000 человек. В конце XIX — начале XX в. Хеерлен стал центром угледобывающей промышленности Нидерландов. Уголь был обнаружен в 1874 г., а добыча продолжалась до 1975 г.,

Схема технологии проекта Mijnwater-1: System — система извлечения энергии, flooded coal measure — затопленное Hot — горячий, пространство угольного пласта Warm — теплый, когда шахты начали закрываться. В результате регион пережил эпоху экономического, социального и культурного упадка. Новой вехой развития города стал проект Mijnwater — инициатива по откачке шахтных вод, которая началась в 2003 г. с концепции использования воды затопленных шахт как геотермального источника устойчивой энергии. В отличие от добычи угля, проект Mijnwater представляет собой инновационную зеленую технологию.

В 2003–2008 гг. была разработана технология первого этапа Mijnwater-1. На этом пилотном этапе изучались возможности извлечения экологически чистой геотермальной энергии шахтных вод для отопления и охлаждения наземных объектов. Были пробурены пять скважин: по две для теплой и холодной воды и одна — посредине этих четырех скважин. Скважины для откачки теплой воды с температурой 28 ⁰С пробурены на глубину 700 м, холодной воды с температурой около 16 ⁰С — до глубины 250 м. Пятая скважина глубиной 350 м посредине территории экспериментального участка используется для возвращения в горный массив теплой воды с температурой 18–22 ⁰С после операционного цикла. 1-й этап эксперимента продолжался до 2012 г. Геотермальная энергия использовалась офисом Центрального статистического бюро площадью 22 000 м2 и комплексом жилых зданий, супермаркетов, офисов, общественных объектов площадью 30 000 м2. Испытания показали отличные экономические и экологические результаты, но они имели некоторые недостатки. Один из них — ограниченная гидравлическая и тепловая производительность системы, другой —система не управляется спросом. Это означает, что система может снабжать потребителя холодной водой только летом (апрель — сентябрь) или теплой водой только зимой (октябрь — март). Отмечалась также неустойчивость во взаимодействии работы скважин. Проект не мог обеспечивать обмен энергией между строениями.

В связи с этим началась разработка проекта Mijnwater-2, который предусматривает устранение недостатков предыдущего варианта. Система Mijnwater-2 преобразовала пилотный проект в развитую сетевую систему. По предварительным оценкам, в 2015 г. территория, обслуживаемая Mijnwater-2, составит 500 000 м2. В муниципалитете Хеерлен это приведет к сокращению выбросов углекислого газа на 65 %. Для достижения нулевого уровня выбросов углерода предполагается разработка перспективной схемы Mijnwater-3.

Компанией Ropak Can Am Ltd (производство пластиковой упаковочной продукции) отопление и охлаждение производственных помещений в Спрингхилле, штат Новая Шотландия, Канада, производится с использованием воды трех затопленных шахт. Вода с температурой 18 ⁰С перекачивается с производительностью 4 л/с через систему тепловых насосов и после использования сбрасывается в другую отдельную, но связанную горными выработками шахту. Годовая экономия энергии объектов этого производства, зани-

Представление художника о проекте Mijnwater-2: clusters with mix... — группа зданий ATES warm wells — скважины теплой смешанных видов, воды геотермальной технологии с cluster connections — группа связей, открытой петлей, backbone — опорная трубная система, ATES cold wells — скважины холодной воды, геотермальная технология

Разрез по угольным пластам района Спрингхилл (сплошными линиями показаны разрабатываемые участки пластов, пунктиром — неразрабатываемые): Sea level — уровень моря

Схема водной системы шахт Спрингхилл: after use... — после использования approximate water level — примерный вода возвращается к шахте № 3 при уровень воды, температуре около 13 ⁰С (зимой) или direction of flow — направление потока, 23 ⁰С (летом), 4 km to bottom — полная длина 4 км, ground level — уровень земли, interconnecting tunnels — связывающие mine — шахта, туннели, supply well... — по скважине к системе depth of well — глубина скважины 140 м подается вода с температурой 18 ⁰С, Расположение города над шахтами (сплошными линиями показаны выходы пластов на поверхность земли)

мающих территорию более 7000 м2, составляет 600 000 кВч.

Хотя идея использования шахтной воды как источника тепла, не нова в Старом Свете, в Канаде подобные установки ранее не применялись. Свыше 200 лет подземная добыча угля в Новой Шотландии оставляла многие квадратные километры старых горных работ, часто расположенные под городами, которые росли между надшахными наземными зданиями и копрами. В течение многих лет подземные пространства отработанных угольных пластов заполнялись водой.

Шахты разрабатывали от одного до семи параллельных пластов. Наибольшая глубина горных работ достигла 1 350 м. На рисунке «Разрез по угольным пластам района Спрингхилл» показано расположение города относительно выходов пластов на поверхность и подземных горных работ. Здесь прерывистыми линиями обозначено выработанное пространство пластов. Непосредственно над горными работами расположена западная часть города Спрингхилл. Анализ показал, что часть города — так называемый «Индустриальный парк» — находится в лучшем месте для использования ресурсов шахтной воды. В западной части города, включая площадь вокруг мэрии, возможно бурение вертикальных скважин на горизонты пластов 6 и 7. В шахтах Спрингхилл пространство, заполненное водой, равно 4,2 х 106 м3. Объем воды, откачиваемой из шахт, составляет 1000 м3/сут. Уровень воды поддерживается на глубине 50 м от поверхности.

Теплая шахтная вода откачивается по пластовой наклонной выработке шахты 2 длиной 4 км, пройденной под углом 320, а затем поступает по скважине с горизонта 140 м в теплообменную установку. В течение отопительного сезона тепловые

насосы извлекают тепло, снижая температуру воды с 18 до 13 ⁰С. Затем вода возвращается в шахту на горизонт 30 м через инъектирующую скважину.

В летний сезон десять тепловых насосов передают шахтной воде тепло воздуха, таким образом охлаждая его. Поскольку шахты связаны старыми горными работами на разной глубине, вернувшаяся вода рециркулирует. Эффективность извлечения термальной энергии достигает 70 %. За годы ее использования общее число предприятий, потребляющих эту энергию, достигло восьми, в том числе ресторан пиццы, изготовители котлов и свинцовых аккумуляторов и др.

Великобритания стала первой страной в мире, которая официально взяла на себя обязательство прекратить добычу угля. Ископаемое топливо в стране резко сократилось за последние 10 лет, а его вклад в производство электроэнергии в Великобритании упал более чем на 80 % с 2012 г. К октябрю 2024 г. предусмотрено ограничить выбросы угольных электростанций или полностью их закрыть при отсутствии технологии улавливания углерода.

Франция планировала поэтапно отказаться от угольных мощностей к концу 2022 г., но ее нынешнее правительство, избранное после того как решение было принято, еще не разработало какой-либо конкретной политики, направленной на достижение этой цели. НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ

В рамках соглашения американское агентство выделило Nokia $14,1 млн.

Компания построит первую космическую

LTE/4G-сеть, которая обеспечит более надежную передачу данных на поверхности Луны на более дальние расстояния и с более высокой скоростью, чем позволяют нынешние стандарты радиосвязи.

В дальнейшем сеть будет усовершенствована до 5G.

По словам исследовательского центра Nokia, вышки сети будут более компактны и энергоэффективны, чем действующие на Земле. Сеть будет поддержик 2028 г.

Однако президент Эммануэль Макрон подтвердил свое намерение довести эту цель до конца, назвав 2021 г. новым крайним сроком.

К концу 2016 г. Канада объявила, что к 2030 г. она исключит уголь из своего энергобаланса. В четырех из 10 провинций страны работают угольные электростанции, на которые в совокупности приходится около 10 % общих выбросов диоксида углерода СО2.

Германия исторически была одним из крупнейших производителей угля в Европе, но у нее есть планы поэтапного отказа от всех угольных предприятий к 2038 г. Стране потребуются инвестиции в размере около 45 миллиардов долларов, чтобы снизить зависимость от угольных электростанций, на которые приходится 40 % производства электроэнергии в Германии.

Дания подтвердила свое обещание прекратить использование угля к 2030 г., Финляндия предполагает отказаться от использования угля к маю 2029 г. Такую же политику с 2016 г. проводит Бельгия.

Многие другие планы в настоящее время находятся в разработке по всему миру. Исследование, спонсируемое Министерством энергетики США, показало, что геотермальное тепло от шахт может быть многообещающим источником обильной дешевой энергии по всей территории США. В США насчитываются тысячи заброшенных шахт на частных и федеральных участках земли, и большинство из них уже не работают и затоплены.

Угольные шахты — самые вероятные кандидаты на получение геотермальной энергии, поскольку они наиболее

Nokia развернет 4G-сеть на Луне дЛя NaSa

вать дистанционное управление и навигацию луноходов, а также прямую трансляцию видеопотока в высоком разрешении. Она сможет использоваться, например, для коммуникации NASA с космическими аппаратами на Луне и космонавтов, исследующих поверхность спутника, — с базой.

Также сеть Nokia будет устойчива к воздействию экстремальных температур, радиации, условиям космического вакуума и сильным вибрациям, создаваемым ракетами при пуске с Луны.

Сроки реализации проекта не названы. Известно, что NASA планирует развернуть на Луне постоянную базу доступны.