Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

НЕТРАДИЦІЙНІ ВИДИ ПАЛИВА

3.3.1 Загальні відомості

У зв’язку зі стрімким скороченням традиційних видів палив учені світу все частіше звертаються до водню, запаси якого у водах Світового океану практично невичерпні. Потреба економіки у водні прямує по зростаючій. Ця найпростіша і найлегша речовина може використовуватися не лише як паливо, а як необхідний сировинний елемент у різних технологічних процесах.

За умов нестачі енергетичних ресурсів активізується робота щодо пошуку нетрадиційних джерел вуглеводнів: газогідратів,

водорозчинних газів, газів вугільних копалин, вуглеводнів нестабільного фазового та хімічного складів на значних глибинах.

За сучасними уявленнями, загальні ресурси нетрадиційних видів вуглеводневої сировини на порядок перевищують ресурси традиційних джерел. Потенціальні нетрадиційні ресурси природного

газу у світі оцінюються на 0,5 • 103 трлн м3, ресурси газу в

кристалогідратному стані в охолоджених зонах Світового океану - на

7 3*

10 трлн м, а гази, розчинені в пластових водах континентів, - на

Ш

5 5 З

трлн м.

3.3.2 Воднева енергетика

Воднева енергетика - це один із напрямів розвитку нетрадиційної енергетики, який вирішує питання використання водню як енергоносія та одного із засобів акумулювання енергії. З енергетичної точки зору водень - це альтернатива нафті та природному газу. Перспективне застосування водню зумовлено такими показниками:

- запаси водню в складі води практично невичерпні;

- теплота згорання водню в кілька разів вища, ніж у природних газів;

- водень як паливо може бути використаний для отримання теплової та електричної енергій, а також у двигунах різного виду;

- водень - екологічно чисте паливо.

З точки зору теплотворної здатності водень і деякі інші види палива характеризуються такими даними:

- 29,33-103 кДж/кг;

буре вугілля - антрацит

- нафта

- бензин

- метан

- водень

- 36,45-103 кДж/кг;

- 41,90-103 кДж/кг;

- 47,35-103 кДж/кг;

- 55,65• 103 кДж/кг (39,84 кДж/м3);

- 142,97-103 кДж/кг (12,78 кДж/м3).

Водень може використовуватися:

- для отримання теплової енергії при спалюванні;

- для отримання електричної енергії за допомогою мотор - генераторів або паливних елементів;

- як паливо автомобільного транспорту.

Теплову енергію для опалення й гарячого водопостачання можна отримувати під час спалювання водню з використанням промислових пальників. Для приготування їжі можуть бути застосовані звичайні побутові кухонні плити з деякими змінами в конструкції пальників для використання водню.

Рідкий водень поряд з іншими рідкими паливами (керосин, вуглеводи та їх сполуки) все ширше використовують як паливо для реактивних рідинних двигунів в авіації та космонавтиці.

Для вироблення електричної енергії в мотор-генераторі потужністю 100 кВт за 1 год роботи витрачається 5,5 кг (61м) водню. Для отримання 1 кВт-год електричної енергії за допомогою воднево-кисневого паливного елемента треба використати 33,12 г

З • З

(0,371м) водню і 264,96 г (0,186 м) кисню при ККД паливного елемента 0,8.

Калорійність водню становить 33 тис. ккал/кг, що втричі вище калорійності бензину. Експерименти показують, що навіть 5 %-на масова добавка водню до бензину підвищує економічні показники палива до 25 %, при цьому значно зменшується кількість шкідливих викидів в атмосферу.

Водень використовується також у багатьох галузях промисловості. Він потрібний у металургії для прямого відновлення руд, у харчовій промисловості - для вироблення маргарину, у хімічній промисловості - для виробництва добрив (приблизно половина всього водню, що виробляється у світі, йде на виробництво аміаку).

Ще одна галузь, де водень зможе знайти широке використання, - отримання кормів для домашніх тварин. Уже в позаминулому столітті
було відкрито воднеокиснюючі бактерії, біомаса яких при поглинанні водню подвоюється за кілька годин. Такі бактерії вміщують 50-75 % білка. Цю біомасу нині широко використовують при відгодовуванні худоби й птиці.

Таким чином, водень може замінити природний газ для побутових потреб, бензин - у двигунах внутрішнього згоряння, крім того, замінити спеціальні види палива в ракетній промисловості, ацетилен - у процесах зварювання металів, кокс - у металургійних процесах тощо. До того ж, при використанні чистого водню як палива значно зменшуються шкідливі викиди в атмосферу.

Новий підхід до використання водню в енергетиці полягає в допалюванні водню разом із парою; в результаті отримується більш висока температура пари і, як наслідок, більш високий ККД турбіни - до 55 %.

Водень легко транспортується по трубопроводах, тому що в нього дуже мала в’язкість. Перекачка водню на відстань 500 км приблизно в десять разів є дешевшою, ніж передача такої ж кількості електроенергії по лініях електропередачі, але на 20-30 % є дорожчою, ніж природного газу. Водень транспортується в різних формах: у стиснутому і рідкому стані, а також у вигляді гідридів металів із використанням спеціально обладнаних ємностей.

Порівняння вироблення та транспортування електричної енергії і водню наведено в таблиці 3.3.1.

Таблиця 3.3.1 - Порівняння вироблення та транспортування

електричної енергії і водню

Стаття витрат

Електроенергія, дол. США/(кВт-год)

Водень, дол. США/(кВт-год)

Виробництво

0,1

0,11-0,12

Система розподілу серед споживачів

0,061

0,012

Передача на 100 км

0,023

0,02

Загальна вартість

0,184

0,142-0,152

Що до зберігання водню використовується таке:

- у вигляді газу - газгольдери;

- у вигляді стисненого газоподібного - балони, ресивери;

- у зв’язаному стані - хімічні сполуки та гідриди металів;

- у рідкому стані (кріогенна форма) - балони.

Потреби у водні швидко зростають, так у 1970 р. обсяг виробництва водню становив 18 млн т, а у 2002 - ЗО млн т.

Сировиною для отримання водню є викопне органічне паливо (природний газ, кам’яне та буре вугілля, горючі сланці) і вода, запаси якої необмежені і поновлювальні, оскільки водень при окисненні (спалюванні) перетворюється в екологічно чисту воду.

На сьогодні можна виділити десять методів отримання водню (рисунок 3.3.1):

1) парофазна конверсія метану (природного газу);

2) термічне розкладання вуглеводів; термохімічні цикли;

парофазна конверсія водню з кам’яного, бурого вугілля, торфу; підземна газифікація вугілля; залізопарофазний спосіб; електроліз води та пари; за допомогою енергоакумулюючих речовин; фотоліз води з отриманням водню й кисню (сонячно-воднева енергетика);

10) за допомогою біокаталітичних систем.

Пароф аз на конверсія природнього. гази

Термо­

хімічний

Термічний розпад Зуглебоднід

Парофазна кон­версія боднв з кам'яного, 5ирого б ц гілля і торфц

Залізо­

парофазний

Мет оди отримання Ьодню

Сонячно - доднеба енергет ика

Електроліз 6оди та пару

За допомогою біокаталітичних систем

За допомогою [AS

f Підземна

Г газифікація J V бугілля у

Рисунок 3.3.1 - Методи отримання водню

Розглянемо основні положення отримання водню вищезазначених методів.

Парофазна конверсія метану (природного газу). Цей метод отримання водню є одним із найбільш масштабних та економічних виробництв, завдяки якому у світі отримують більше 50 млн т водню.

Конверсія природного газу, що вміщує 88 - 95 % метану і 3 - 8 % етану, відбувається при температурі вище 600 °С водяною парою або діоксидом вуглецю відповідно до реакцій:

СН4 + Н20 —» СО + ЗН2 - 206,1 кДж/моль;

СО + Н20 —> Н2 + С02 +41,17 кДж/моль;

СН4 + С02 -> 2СО + 2Н2 - 247,27 кДж/моль;

С2Н6 + 2Н20 -> 2СО + 5Н2 - 347,3 кДж/моль.

Для отримання теплоти при проведенні ендотермічних реакцій спалюється частина газу. При дозованій стехіометричній подачі кисню процес окиснення метану відбувається за реакцією СН4 + 02 —> СО2 + 2Н2 +318,71 кДж/моль з екзотермічним ефектом. Діоксид вуглецю з отриманої суміші газів видаляють шляхом промивання водою або розчином карбонату натрію.

Теоретично для отримання 1 т водню таким шляхом необхідно витратити 2,5 т метан} , практично - значно більше. Тому з економічної точки зору для отримання теплоти доцільно використовувати вугілля, що має значно меншу ціну.

Термічне розкладання вуглеводнів. Термічне розкладання метану відбувається при температурі близько 1000 °С з поглинанням теплоти:

СН4 —> С + 2Н2 - 74,8 кДж/моль з отриманням вуглецю у вигляді сажі або пірографіту.

При гідротермальному розкладанні метану реакція має вигляд

СН4 + Н20 —> 4Н2 + С02.

Залежно від умов проведення реакції можна отримати:

ЗСН4 + С02 + 2Н20 -> 4СО + 8Н2.

Продукти цієї реакції можуть бути використані для каталітичного синтезу метанолу, етанолу та інших органічних сполук.

Термохімічні цикли. Термохімічні цикли виробництва водню належать до теоретично найбільш перспективних. Із великої кількості циклів найбільш перспективними вважаються цикл Вестингауза (Марк-2) і карбонат-галогенідний.

H2S04(koh4.) -> Н20(пл.) + S03 (347 - 400° С);

S03 -> 0,502 + S02 (780 - 920° С); Н20(п. п.) НгО(р.) (100° С);

S02 + H20^H2S04 + H2.

Сумарна реакція 3H20 = ЗН2 +1,502.

Витрати на отримання їм Н2 становлять близько 8 кВт-год, що значно більше, ніж при електролізі води, розрахунковий ККД процесу дорівнює 44 %.

В карбонат-галогенідному термохімічному циклі сполучають хімічну реакцію з електрохімічною:

- хімічна реакція

МеС03 + Х2 -> 2МеХ + С02 + 0,502; електрохімічна реакція

2МеХ + С02 + Н20 -> МеС03 + X + Н2,

де Me - луговий метал;

X - галоген.

Інтерес становлять йодидні і бромидні системи, термохімічні процеси із залізом, міддю тощо.

Парофазна конверсія водню з кам’яного, бурого вугілля, торфу. Цей процес, який має назву процесу Боша, відбувається у дві стадії. На першій - водяна пара пропускається над розжареними до температури 1000 - 1100 °С коксом, вугіллям тощо, в результаті чого відбуваються реакції:

С + Н20 —> Н2 + СО -118,82 кДж/моль;

С + 2Н20 —> 2Н2 + СО2 - 75,31 кДж/моль;

С + С02 —> 2СО -162,33 кДж/моль.

На другій стадії проводиться конверсія оксиду вуглецю за реакцією

СО + Н20 —> Н2 + С02 +130,3 кДж/моль, додаючи воду і перетворюючи її в пару при оптимальній температурі 450 °С з додаванням каталізатора. Відділяють із газової суміші СО2 різними способами, наприклад обробкою підігрітим розчином карбонату калію.

Підземна газифікація вугілля. Процес підземної газифікації вугілля можна здійснювати за допомогою реакцій:

2С + 02 = 2С0 + 221,02 кДж/моль;

2СО + 2Н20 = 2Н2 + 2С02 + 82,34 кДж/моль.

Газоподібний СО2 після відділення від водню також можна подавати в зону реакції:

С + С02 = 2СО -172,47 кДж/моль.

В зоні горіння вугілля при наявності парів води можливі ендотермічні реакції:

С + Н20 = Н2 + СО -131,13 кДж/моль;

С + 2Н20 = 2Н2 + С02 - 90,13 кДж/моль.

Розрахунки показують, що в цьому разі вартість водню буде в 5 - 10 разів нижча вартості водню, отриманого за іншими технологіями, і буде становити 6,4-9,2 дол. США/ГДж, і практично не залежатиме від вартості вугілля.

Залізопарофазний метод. Отримують водень залізопарофазним методом у дві стадії при температурі 650-900 °С. На першій стадії залізо окиснюється парами води до магнетиту за ендотермічними реакціями:

Fe + Н20 = Н2 + Fe - 23,0 кДж/моль;

3FeO + Н20 = Н2 + Fe304 - 80,9 кДж/моль.

На другій стадії магнетит й оксид заліза відновлюються синтез - газом при тих же температурах:

Fe304 + CO = 3FeO + С02 - 25,73 кДж/моль;

FeO + СО = Fe + C02 +17,74 кДж/моль;

Fe304 + H2 = 3FeO + H20 - 80,9 кДж/моль;

FeO + H2 = Fe + H20 - 23,0 кДж/моль.

Всі реакції оборотні, реакції окиснення й відновлення заліза краще проводити роздільно.

До переваг залізопарофазного методу можна віднести високу концентрацію отриманого водню (98 %) і відносну простоту процесу.

Електроліз води та пари.

Електроліз води один із найбільш відомих і добре досліджених методів отримання водню. Суть його полягає в пропусканні через воду постійного струму, в результаті чого на катоді виділяється водень, а на аноді - кисень.

Електрохімічний метод отримання водню з води характеризується такими позитивними показниками:

- висока чистота одержуваного водню - до 99,99 % і вище;

- простота технологічного процесу, його безперервність, відсутність рухомих частин в електролітичному середовищі, можливість повної автоматизації процесу;

- можливість отримання цінних побічних продуктів - важкої води і кисню;

- загальнодоступна і невичерпна сировина - вода;

- гнучкість процесу та можливість отримання водню безпосередньо під тиском;

- фізичне розділення водню і кисню в самому процесі електролізу.

Електролітичний водень є найбільш доступним, але дорогим продуктом. У промислових і дослідно-промислових установках реалізований ККД електролізера становить 70-80 % при густині струму менше 1 А/см, зокрема для електролізу під тиском. Теоретична витрата електроенергії на виробництво 1 м водню становить 2,95, а практична - 4,21-5,0 кВт-год/м Н2.

Кисень, який виділяється при електролізі, знайде своє місце не тільки як окиснювач в технологічних процесах, але і як незмінний очищувач і оздоровлювач водоймищ, промислових стоків; спалювання в кисні побутових відходів, кількість яких зростає, зможе вирішити проблему твердих викидів великих міст.

Ще більш цінним побічним продуктом електролізу води є важка вода - хороший сповільнювач нейтронів в атомних реакторах. Крім того, важка вода використовується як сировина для отримання дейтерію, який є одним з елементів термоядерної енергетики.

Отримання водню за допомогою енергоакумулюючих речовин. Енергоакумулюючі речовини є специфічною групою речовин, які можна багаторазово окиснювати і відновлювати для отримання енергії на основі водню. Енергоакумулюючі речовини поділяються на дві групи: які виділяють акумульовану енергію при хімічній взаємодії з водою і які виділяють акумульовану енергію в результаті фізичного впливу на них.

До першої групи належать гідриди металів (LiH, NaH, MgH, СаН тощо), карбіди, нітриди та інші високоенергетичні сполуки (метанол, аміак тощо), які мають водень.

Енергоакумулюючі речовини можна отримувати на основі низькосортового високозольного вугілля Донбасу і Львівсько - Волинського басейнів. При відновлюванні шлаків на теплових електростанціях отримують високореакційні сплави, які при взаємодії з водою виділяють водень із високими швидкостями.

Значні перспективи мають енергоакумулюючі речовини на основі алюмінію, бору, кремнію, магнію та інших металів.

До другої групи належать спеціальні сплави й деякі метали, які мають властивість при підвищенні тиску водню оборотно поглинати його, а при підвищенні температури виділяти значні об’єми молекулярного водню. До таких речовин належать LaNi5H6, FeNiHx, LaPdHg і багато інших. Ємність гідридів по водню

дуже висока, і тому вони використовуються для гідридних акумуляторів водню.

Фотоліз води з отриманням водню й кисню (сонячно-воднева енергетика). Існують два підходи використання сонячної енергії з точки зору сонячно-водневої енергетики:

- використання фотоелементів для отримання електричної енергії з послідуючим її використанням для отримання водню шляхом електролізу води (рисунок 3.3.3).

- перетворення енергії світлового потоку Сонця шляхом фотоелектролізу води в сонячних енергетичних установках, які забезпечують роздільне отримання водню і кисню (рисунок 3.3.2);

Рисунок 3.3.3 — Схема сонячної енергетичної установки для отримання електроенергії з послідуючою її конверсією у водень шляхом

електролізу води

На фотоелектрохімічній установці потужністю 10 кВт, розробленій у Німеччині, отримана питома витрата електроенергії, що

з ^ ^

дорівнює 3,84 кВт-год/м Н2. Цей показник еквівалентний витраті електроенергії при отриманні водню високотемпературним електролізом води.

Отримання водню за допомогою біокаталітичих систем. У біологічних системах можливі окисно-відновні реакції з виділенням молекулярного водню біокаталізаторами відповідно до:

Н20 + bk* -> Н2 + ЬЮ;

bkO -> bk* + 0,502.

Біокаталізатори активують виділення водню гідрогенезами, які є термінальними ферментами в процесі утворення молекулярного водню мікроорганізмами.

Інтерес становлять біофотолітичні системи отримання водню й кисню. Фотоліз води за участю кліток мікроорганізмів дозволяє отримати кисень при світлі і водень у темноті відповідно до реакцій: 2Н20 + 2С02 —> (світло) —> {СН20}+ 202;

2{СН20}+02 —> (темнота) —> 2Н2 + С02.

Максимальна продуктивність фотосинтезуючих систем по кисню досягає (і - 5)М02 /(м2-добу), а по водню - (2 - 10)МН2 / (м2-добу).

Щодо практичного вироблення водню, то на теперішньому рівні розвитку технологій близько 95 % маси водню отримується при використанні органічної сировини шляхом парової конверсії метану, парокисневої конверсії, газифікації вугілля тощо. Перспективним є метод застосування електролізних установок, на яких водень отримують методом розкладання води. Питомі витрати електричної енергії в традиційних електролізних установках для виробництва водню становлять близько 4,8 кВт-год/м. За рахунок нововведень питомі витрати в удосконалених електролізерах досягають значення

З • З

3,2 кВт-год/м при теоретично мінімальному значенні 3 кВт-год/м.

Підвищення рівня ефективності використання електролізерів досягається за рахунок підвищення температури електроліту (127— 1027 °С), використання високого тиску, підвищення густини струму на електродах, використання твердих електролітів, збільшення потужності окремих електролізних апаратів тощо.

Сьогодні в науці розглядаються питання про можливе використання як первинних джерел енергії Сонця, вітру та гідроенергії для отримання водню. Більшість напрацювань у цьому напрямі стосується використання енергії вітру, результатом чого є створення українськими і датськими вченими першої в Європі вітроводневої станції в Фолькицентрі (Данія).

За останні ЗО років активні розробки з водневої енергетики проводилися більш ніж у ЗО країнах світу, особливо в СІЛА, Німеччині, Японії, країнах ЄЕС, Росії, Китаї. В СІЛА, Німеччині та Японії на реалізацію національних програм з водневої енергетики щорічно виділяється по 150-200 млн. дол. СІЛА.

Найбільш потужною будовою в плані вироблення водню є установка в Ер-Рияді (Саудівська Аравія, 1991 p.), яка при потужності

З w

фотоелектричної станції 550 кВт виробляє 279 м /добу водню, який використовується як паливо в автомобілях.

Воднева енергетика стрімко розвивається, але все частіше йде мова про атомно-водневу енергетику, тому, що є потреба в значних енергетичних витратах для отримання водню. Тандем „ядерний реактор - водневий генератор” претендує на роль енергетичного лідера в економіці XXI ст.

Використання водню для отримання електричної енергії в паливних елементах має економічне обґрунтування, про що свідчать дані таблиці 3.3.2 [1].

Таблиця 3.3.2 - Порівняння основних параметрів різних способів

виробництва електроенергії

Параметри

Тип станції

ПГУ

ГТУ

ТЕС

АЕС

АВЕС

ПЕ

ККД, %

50-65

44-65

25-37

30-35

50-65

>70

Вартість 1 кВт

встановленої потужності, дол. США

600-

1000

1100-

1600

1000-

1700

2000-

3000

1000-

1500

800-

1700

Скид С02 при рівній потужності,

%

50

75

100

0

0

0

Радіоактивне

забруднення,

%

1-2

1-2

100

1

1

1

Примітка - 111 У - парогазові установки; 1 1У - газотурбінні установки ТЕС - теплоелектростанції; АЕС - атомні електростанції; АВЕС - атомно водневі електростанції; ПЕ - паливні елементи.

Воднева енергетика стрімко розвивається, але не дарма все частіше говорять про атомно-водневу енергетику, тому що є потреба в значних енергетичних витратах для отримання водню. Тандем “ядерний реактор - водневий генератор” претендує нині на роль енергетичного лідера в економіці XXI ст.

Водневу енергетику нерозривно пов’язують із паливними елементами, для яких водень може використовуватися як сировина. Використання дешевої електричної енергії під час спаду електричного навантаження енергетичної системи для вироблення і використання водню для отримання електричної енергії під час максимуму електричного навантаження - такий можливий напрям вирівнювання навантаження енергетичної системи в майбутньому.

Європейське бачення розвитку водневої енергетики і паливних елементів наведено на рисунку 3.3.4.

Економіка, орієнтована на використання водню

Безпосереднє отримання водню

з відновлювальних джерел; 2050

безвуглецеве водневе угрупування

Рисунок 3.3.4 - Схема Європейського проекту з водневої енергетики і паливних елементів

2050

икористання водню в авіації

Паливні елементи - технологія

Водень виробляється з викопного палива із секвестрацією вуглецю

Кластери локальних / л, Лг. х* 5 «ереж/.Л^>

Значне зростання генерації потужності при помітній ролі ПЕ

.#ч

бт.*У' jp

«Aw

w

Економіка, що базується на викопному паливі

.2000

Комерційні ніші для стаціонарних систем низькотемпературних ПЕ (< 50 кВт)

Серійне виробництво транспортних засобів на ПЕ для автомобілів (пряме бортове

перетворення водню) та іншого транспорту (судна); паливні елементи для допоміжних енергосистем
(включаючи перетворювач)

Стаціонарні низькотемпературні системи ПЕ (протообмінні мембрани) (< 300 кВт)

Стаціонарні високотемпературні системи ПЕ (ПЕ на розплавленні карбонату/твердооксидні ПЕ)

(< 500 кВт); розробка двигунів внутрішнього згорання на водні; демонстраційні парки автобусів на ПЕ

Виробництво водню / ^ / лтп

способом перетворення ^tjsPoN <у /У Системи дешевих високотемпературних ПЕ; комерційні ПЕ в

іного газу й електролізу А,<г^ // мікрододатках, конкурентоспроможні пасажирські автомобілі на ПЕ;

Збільшення безвуглецевого виробництва водню; поновлювальні джерела; викопне ->Q40 / <$>.

паливо із секвестрацією, нове ядерне паливо “ / ^ ^

Інфраструктура водневих мереж

2030 / ^

водневих

1Л1П

Локальні кластери заправних водневих

станцій, транспортування водню локальне виробництво на заправних / ™ ^ v (

станціях (перетворення та електроліз)/ ^

IlUnUIMUVUUJlDndA д/ivvpvjl, / л ✓ ✓ 4ЛШІІІІЛ11 VrflVHl

включаючи газифікацію біомаси/ /■' домінуюча тех

O*V/204° на транспорті,

комерційні гібридні й атмосферні твердооксиди ПЕ (<10 МВт) Перші водневі парки (перші покоління водневих сховищ)

в розподілених генераторах потужності і в мікрододатках

Водень як первинне паливо для транспортних засобів на ПЕ

Взаємозв’язок локальних розподільних мереж;

збільшення виробництва водню з поновлювальних джерел,

Друге покоління бортових сховищ водню для тривалих перевезень

природного

2010

Об’єм світових ресурсів метану вугільних пластів становить від

93,4 до 285,2 трлн м3. Україна по ресурсах метану входить у десятку країн світу, де перші місця займають Росія, Китай, Канада, США, Австралія. Кількість метану, що міститься у вугільних пластах України, за різними оцінками становить від 2,5-3 до 25-30 трлн м3.

• • • З

При видобуванні 1 т вугілля виділяється в середньому 10 - 12 м метану, в окремих родовищах на Донбасі питомий вміст метану у вугіллі досягає 500 м /т.

Промислове видобування вугільного метану найбільш широко розповсюджене в СІЛА. В 2000 р. в СІЛА видобуто й утилізовано 35 млрд м3 метану, що в газовому балансі СІЛА становило 7 % від

З г

об’єму добування природного газу (515 млрд м). При цьому в більшості випадків вартість добування метану в 2 - 3 рази дешевша, ніж природного газу. Досвід СІЛА свідчить, що вилучення метану як супутньої корисної копалини може досягати 70 - 80 %.

В межах України видобування вугільного метану може відбуватися в межах Донецького та Львівсько-Волинського вугільних басейнів.

Оцінка концентрації запасів метану в різних регіонах Донбасу

З 2

складає від 118 до 494 млн м /км. Для порівняння, концентрація в регіонах СІЛА з комерційним видобуванням метану коливається від 100 до 437 млн м3/км2.

Встановлено, що до глибини 1200-1300 м природний метановміст у вугільних пластах робочої потужності становить 40- 50 % загального об’єму ресурсів метану, а на частку вугільних пластів і пропластків неробочої потужності (менше 0,5 м) припадає 20-30 % і на частку вміщувальних порід - 30-40 %.

За результатами дослідження на наявність вугільного метану у вугільних родовищах Донбасу при геологорозвідувальних роботах визначено, що загальні ресурси його в породах і вугільних пластах становлять 22,2 трлн м (або 15,4 млрд ту. п.), а промислові - 11,86 трлн м (або 8,2 млрд т у. п.), в тому числі придатні до вилучення 3,0-3,7 трлн м (або 2,1-2,6 млрд ту. п.).

Вугільні пласти з високою газоносністю можуть розглядатися і розроблятися як комплексні родовища вугілля й газу, оскільки

кількість газу, що виділяється, в деяких випадках наближається до 100 м /т, що в перерахунку на теплотворну здатність становить більше 10 % від калорійності вугілля.

Головною проблемою добування шахтного метану є забезпечення безпечної роботи шахт, поліпшення екологічної обстановки, використання газу як палива.

В межах раціонального комплексного використання вуглегазових родовищ існують три перспективні технології добування метану.

1. Для дегазації масиву, що містить вугільні пласти, породи з розсіяною вугільною речовиною і газоносні пісковики, застосовується ефект часткового розвантаження масиву в результаті його підробки з відводом газу через спрямовані дегазаційні свердловини. Свердловини пробурюються як у зоні повних зрушень вуглепородного масиву при його підробці, так і в незруйнованій частині масиву, при цьому їх напрямок визначається специфікою гірничих робіт.

2. Попередня дегазація шахтних полів до будівництва застосовується при наявності геологічних структур, що включають антиклінальні, купольні і флекстурні системи, що мають газоносні пісковики, покриті шаром герметизуючих порід. Дегазаційні свердловини бурять у найбільш характерних точках з перебурюванням продуктивних щодо газу горизонтів; кріпляться свердловини обсадними колонами (для тривалого терміну експлуатації), перфорованими на ділянках потужності продуктивних горизонтів.

3. Технологія попередньої дегазації вуглепородного масиву із застосуванням гідродинамічного способу обробки вугільних пластів і газоносних порід. Сутність її полягає в накачуванні робочої рідини в пласт у кількості, яка перевищує природну приймальну здатність пласта. Внаслідок цього за рахунок розкриття і розширення природних тріщин, об’єднаних у єдину гідравлічну систему, орієнтовану до свердловини, після видалення рідкого компонента відбувається транспортування газу із пласта до свердловини.

В СІЛА з метановмісних пластів вугілля спочатку добувають метан через пробурені з поверхні свердловини в межах майбутніх шахтних полів до початку розробки протягом 5-10 років.

Здатність метану вугільних пластів до економічної конкуренції з природним газом залежить від таких критеріїв: вартості природного газу; терміну продуктивного життя свердловини; капітальних та

експлуатаційних витрат; наявності надійного й

конкурентоспроможного ринку для збуту видобутого газу; обсягів видобутку.

Видобутий газ може активно й ефективно використовуватися в місцевому газопостачанні, що сприятиме зниженню залежності хоча б одного з регіонів України від закордонних енергетичних ресурсів.

Видобуток метану з вугільних пластів здійснюється трьома способами:

- з дегазаційних свердловин (концентрація - 94-97 %, дебіт - до ЗО м3/хв, тиск - до 10 МПа);

- в процесі дегазації метаноповітряної суміші, яка містить близько

^ З

15-60 % об’єму метану, його витрата - 20-70 м /хв;

- з вентиляційного шахтного повітря (вміст метану в ньому всього 0,3-1 %, але має місце значна витрата повітря - близько 10 тис. м3/хв (близько 17 т на добу) на один вентиляційний ствол.

Найбільш перспективним є перший спосіб, при якому для добування метану в більшості випадків використовується звичайна технологія буріння підземних і наземних дегазаційних свердловин із послідуючим підключенням їх до вакуумних станцій.

Попередні оцінки свідчать про те, що максимальні показники дебіту типової свердловини у перспективному районі Донбасу становитимуть 13-15 тис. м на добу. Таким чином, за 15-20 років експлуатації загальний об’єм видобутку з однієї свердловини становитиме 38-44 млн м3.

В середині 2004 р. в Донбасі почалася реалізація першого державного інвестиційного проекту “Добування газу метану шляхом дегазації поля шахти “Торецька”. Завдання проекту полягає в пробуренні з поверхні декількох десятків дегазаційних свердловин на глибину приблизно 1 км. Далі за допомогою мобільних компресорних станцій із вугільних пластів буде поступово відбиратися метан, який міститься в мікротріщинах масиву кам’яного вугілля під великим тиском. Видобутий таким чином метан буде зріджуватися і поставлятися на підприємства міста. Після завершення процесу проведення дегазаційних робіт частина шахтного поля шахти “Торецька” стане придатною ддя добування дорогих марок коксівного вугілля.

В 2000 р. з шахт Донбас)7 виділилося близько 2,5 млрд м метану,

^ З

з шахт Львівсько-Волинського басейну - близько 60 млн м ; при

цьому як палива використано лише 8 % цієї кількості, решта викинута в атмосферу.

Основна маса метану надходить в атмосферу через системи дегазації (так званий “каптований метан”), вентиляції, десорбції з вугілля та вугільної породи після видобутку та збагачення. Через невикористання метану вугільних шахт має місце зі збільшення викиду парникових газів. Частка метану в зростанні парникового ефекту вже досягла 19 %, що пояснюється його високою ефективністю як парникового газу (метан має в 21 раз більший парниковий потенціал, ніж вуглекислий газ). Крім того, метан є озоноруйнівним газом, Таким чином, використання метану вугільних родовищ матиме важливе значення для поліпшення екологічного стану в Україні, а за налагодження “торгівлі викидами”, відповідно до Кіотського протоколу, може стати джерелом надходження валюти та іноземних інвестицій.

Сьогодні метан шахт завдає шкоди не тільки під землею та в атмосфері, але й на поверхні. Так у деяких шахтних районах Донбасу шахтний метан виходить через пласти на поверхню і проникає в будинки і споруди. Вихід метану на поверхню відбувається також із закритих шахт. Щодо цього становить інтерес досвід Німеччини, де із закритих гірничих виробок шахт метан відкачується насосами і перероблюється на газодизельгенераторних установках в електроенергію. В теперішній час промислове добування шахтного метану із закритих шахт у Донбасі не проводиться.

Нині більше половини шахт України видобувають шахтний метан. Найбільш ефективно це відбувається на шахті ім. Засядько (дебіт З150м3/год, вміст метану 20%). За оцінками спеціалістів, добування метану вугільних шахт можна довести до 6-7 млрд. м3/рік.

Згідно з розробленим проектом використання метану вугільних шахт у північній частині Донбасу передбачено буріння 200 свердловин із максимальним дебітом усіх свердловин 2,6-3,0 млн м на добу.

Основними методами утилізації вугільного метану є використання його як палива в парових котлах, газотурбінних установках, як моторного палива у двигунах внутрішнього згорання, а також перероблення на газових заводах. Найбільш ефективним напрямком використання вугільного метану є створення ТЕЦ безпосередньо на шахтах (об’єднаннях), коли енергоресурс (метан) та генерована енергія не будуть товаром. Електрична потужність таких

ТЕЦ залежно від місцевих умов може становити від 25 кВт до

2,5 МВт або навіть 6 МВт, а капітальні вкладення на спорудження ТЕЦ залежно від потужності знаходяться в межах 800— 1200 дол. США/кВт.

Використання метану в економіці України дасть можливість на ЗО % зменшити імпорт газу, запобігти вибухам у процесі вуглевидобутку та забезпечити охорону довкілля.

Найважливішими завданнями в цьому напрямі є такі:

- розроблення методів вивчення й оцінки запасів метану;

- впровадження ефективних технологій і технічних засобів для розвідки й видобутку метану з вугільних родовищ;

- доведення видобутку метану у 2010 р. до 8 млрд м /рік.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox