Спосіб одержання геотермальної енергії

УКРАЇНА (19) UA (11) 17751 (13) U (51) МПК F24J 3/08 (2006.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЇ ЕНЕРГІЇ 1 2 (13) 17751 (11) лена лімітуванням витрати води в підземному геотермальному теплообміннику, через загрозу «теплового пробою» тобто надходження не нагрітої води у виробку, що видає; - висока собівартість одержуваної енергії через дорожнечу робіт із проектування, підготовки, проведення гірничих виробок і пов'язаних із цим природоохоронних заходів; - спосіб має доволі низьку надійність внаслідок загрози заповнення порожнин підземного теплообмінника частками гірської породи або кристалами солей, що виростають у високомінералізованих водах. Найбільш близьким до корисної моделі аналогом, що заявляється по сукупності істотних ознак, є спосіб одержання геотермальної енергії, що виноситься із шахти потоком відпрацьованого повітря [Сулковський Й., Дренда Я., Розаньський 3. // Пошук і використання додаткових джерел енергії в шахтах / Netradicni metody vyuziti lozisek/Vysoka skola banska - Technicka univerzita Ostrava // Ostrava 12.-13. listopad 1998, -S. 259-267.]. Спосіб передбачає: подачу повітря з поверхні через стовбур у гірничі виробки; переміщення повітря по мережі діючих гірничих виробок шахти із припустимою швидкістю за рахунок напору вентиляторів і нагрівання його від гірських порід до температури близько 25 С; видачу повітря на поверхню через UA Корисна модель відноситься до гірничої промисловості, а саме до технології одержання геотермального тепла з надр, може знайти застосування в гірничовидобувній промисловості для забезпечення тепловою або похідними від неї видами енергії шахт або об'єктів на поверхні. Може бути використано як на діючих, так і на законсервованих шахтах. Відомий спосіб одержання геотермальної енергії [Баумгертнер С., Жерар А., Барма P., Ви П./ Теплота земних надр: форма енергії майбутнього для верхньорейнського регіону / Глюкауф. 2002. Грудень №4, - с. 14-16] який передбачає проведення з поверхні двох або більше вертикальних або похилих гірничих виробок (наприклад, свердловин) до глибини, де температура гірських порід перевищує температуру кипіння води; створення між ними, шляхом вибуху або гідророзчленовування, проникного тріщинуватого або пористого гірського масиву (називаного підземним геотермальним теплообмінником); подачу в одну з виробок води; фільтрацію води крізь теплообмінник, де відбувається її нагрівання; видачу нагрітої води на поверхню через другу виробку; утилізацію накопиченою водою геотермальної енергії. Аналог не забезпечує технічного результату так як: - обмежена продуктивність способу, обумов U бленому просторі каналу, при цьому термін перебування теплоносія у каналі визначають за формулою: 0 .1 * * c * F 2 * ln Tm Tb * П2 , де: - щільність теплоносія, кг м-3; с- тепломісткість теплоносія, Дж*кг-1*К-1; - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт кг-1 К-1; F - площа поперечного перетину каналу, м2; П - периметр каналу, м; Tm - температура масиву гірських порід, К; Tb - температура повітря на вході до каналу, К. (19) (21) u200603621 (22) 03.04.2006 (24) 16.10.2006 (46) 16.10.2006, Бюл. № 10, 2006 р. (72) Костенко Віктор Климентійович, Костенко Олексій Вікторович, Костенко Тетяна Вікторівна (73) ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (57) Спосіб одержання геотермальної енергії, що включає подачу теплоносія з поверхні в підземні гірничі виробки й переміщення його мережею гірничих виробок шахти, видачу нагрітого теплоносія і утилізацію накопиченої геотермальної енергії, який відрізняється тим, що теплоносій з подавальних виробок спрямовують до створеного у виро 3 17751 4 вентиляційний стовбур і утилізацію накопиченої гії, що передбачає подачу теплоносія з поверхні в повітрям геотермальної енергії споживачем, зокпідземні гірничі виробки й переміщення його мерема, «тепловим насосом». режею гірських виробок шахти, утилізацію спожиДіапазон припустимих у різного типу гірничих вачем накопиченої повітрям геотермальної енергії, виробок швидкостей повітря по мінімальній і мактеплоносій з подавальних виробок, спрямовують симальній величині обумовлений вимогами «Прадо створеного у виробленому просторі каналу, при вил безпеки у вугільних шахтах». Цими ж «Правицьому термін перебування теплоносія у каналі лами...» обмежено нагрівання повітря до визначають за формулою: температури не більше 25 С, тому що ця величина 0 .1 * * c * F 2 * ln Tm Tb є критичною на робочих місцях у підземних умовах * П2 з точки зору єрготермічних навантажень на організм людини. де: - щільність теплоносія, кг м-3; Ознаки найбільш близького аналога, які збігас- тепломісткість теплоносія, Дж*кг-1*К-1; ються з суттєвими ознаками корисної моделі: - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, - подача теплоносія з поверхні в підземні гірВт кг-1 К-1; ничі виробки й переміщення його мережею гірниF - площа поперечного перетину каналу, м2; чих виробок шахти; П - периметр каналу, м; - утилізацію споживачем накопиченої теплоноTm - температура масиву гірських порід, К; сієм геотермальної енергії. Tb - температура повітря на вході до каналу, К. Засобами найбільш близького аналога не заПричинно-наслідковий зв'язок ознак, що склабезпечується досягнення ефективного технічного дають суть корисної моделі і технічний результат, результату по наступних причинах: що досягається, пояснюються наступним. Створе- обмежена продуктивність способу, обумовні у виробленому просторі канали дозволяють залена лімітуванням витрати теплоносія в мережі безпечити збір теплової енергії теплоносієм з погірничих виробок шахти за швидкісним фактором; верхні оголених гірських порід. По мірі відбору - низький показник добування енергії з надр, енергії вона відновлюється шляхом переносу тептому що тепло віддає тільки частина породного ла з надр. Як показали шахтні дослідження, при масиву, розташована поблизу контуру діючих гірдовжині шляху теплоносія в підземних гірничих ничих виробок за порівняно нетривалий час їхньовиробках 500м і більш, встановлюється динамічна го існування. У Донбасі тривалість існування однорівновага у процесі теплопереносу, яка зберігаєтьго кілометра дільничних виробок, що ся десятками років. При цьому обсяг одержаної підготовляють, складає 1,5...2,5 року (у країнах теплоти пропорційний площині поверхні каналів та Європи цей показник ще менше), для очисних вирізниці температур стінок виробок та теплоносія. робок тривалість існування в межах незмінного Таким чином створення штучних каналів дає змогу породного контуру не перевищує кількох годин, за суттєво підвищити продуктивність способу за рацей період охолодження значних об'ємів порід хунок збільшення добування геотермальної енергії неможливе; з гірського масиву. Використання капітальних гір- висока вартість провітрювання шахти й неганичих виробок існуючих шахт дозволяє суттєво тивний вплив на екологічну обстановку через визнизити витрати на реалізацію способу. Область користання для роботи вентиляційних установок застосування способу може бути розширена на енергії, одержуваної з викопних видів пального, які шахти що піддають ліквідації. Одержана екологічвідносяться до непоправних і таких, що вичерпуно чиста геотермальна енергія сприяє зменшенню ються, видів енергоносіїв; негативного впливу шахти на навколишнє середо- спосіб має обмежену область застосування, вище і забезпечується за рахунок скорочення вийого можна ефективно реалізувати, тільки провіттрат електроенергії, одержуваної з видів енергорюючи мережу гірничих виробок діючої шахти, і носіїв, що вичерпуються та непоправних, яка нераціонально застосовувати після її закриття витрачається на пересунення теплоносія по гірнивнаслідок високих експлуатаційних витрат і низької чим виробкам та тіплообміннику. продуктивності. Приклад. Сутність корисної моделі пояснюєтьВ основу корисної моделі поставлене завданся прикладом конкретного виконання способу оденя вдосконалення способу одержання геотермаржання геотермальної енергії. На фігурі 1 предльної енергії з теплоносія, який видається з гірниставлена схема реалізації способу, де 1 чих виробок шахти, у якій шляхом введення вертикальний шахтний стовбур що подає повітря; конструктивних додаткових ознак забезпечується: 2 - виробка що подає повітря; 3 - очисна виробка; - підвищення продуктивності способу; 4 - вентиляційна перемичка з регулятором; 5 - ви- розширення області застосування способу на робка що відводить повітря; 6 -канали, що пройдешахти що ліквідують; ні у виробленому просторі; 7 - вентиляційна пере- збільшення добування геотермальної енергії мичка; 8 - виробка що відводить повітря; 9 з гірського масиву; компресор; 10 - вихрова труба; 11 - вентиляційний - зниження витрат на реалізацію способу й нешахтний стовбур; 12 - виробка для відводу холодгативного впливу на навколишнє середовище за ного повітря. рахунок скорочення витрати електроенергії, одерСпосіб одержання геотермальної енергії реажуваної з видів енергоносіїв, що вичерпуються та лізовано таким чином. В якості теплоносія викоринепоправних. стовували повітря. Його подавали з поверхні через Поставлене завдання вирішується тим, що у вертикальний стовбур 1 у гірничі виробки що повідомому способі одержання геотермальної енердають повітря 2. Із цих виробок повітря надходило 5 17751 6 в очисну виробку 3, а потім у вироблений простір. ткість та коефіцієнт теплопровідності теплоносія; Регулювали напрямок потоку повітря і його витраF=4м2, П=8м - відповідно площа поперечного пету за допомогою переносних вентиляційних переретину та периметр каналу; Тm =293К, Тb=313К мичок з регуляторами 4. У виробленому просторі, відповідно температура масиву гірських порід та що утворився після виїмки копалини паралельно повітря на вході до каналу. очисній виробці з інтервалом 40...70м проводили Таким чином, мінімальна тривалість перебуканали 6, що становлять собою виробку квадратвання повітря у геотеплообміннику складала ного перетину розміром 2 2м. Канали 6 з'єднані з 0.1 * 1.29 * 1000 * 16 * 3 456c. Цю вимогу було виробками що подають повітря 2 і виробкою що 0.024 * 64 відводить повітря 5, у яких зведені глухі вентилядосягнуто при довжині змієподібній траєкторії руху ційні перемички 7 між парами каналів таким чином, повітря у каналі близько 450м (два відрізка по що б забезпечувався протилежний напрямок руху 200м, яки дорівнюють довжині очисного вибою, та повітря в сусідніх каналах. Таким чином, сукуп50м відстані між ними) і швидкості повітря коло ність виробок 2 і 5 каналів 6 і перемичок 7 утво1м с-1. Температура повітря на виході з каналу рить лабіринтовий геотеплообмінник, у якому повіскладала коло 40 С. Енергія, яку одержує об'єм тря, рухаючись по змієподібній траєкторії, теплоносія що знаходиться у теплообміннику послідовно обмиває всю площу виробленого прос(приріст ентальпії) за термін проходження від вхотору й нагрівається до температури оточуючого ду до виходу, дорівнює близько Е=50 10-6Дж. масиву, збираючи геотермальну енергію. Термін При розвитку видобувних робіт та збільшенні перебування теплоносія у каналах складав: довжини каналу швидкість теплоносія може бути 0 .1 * * c * F 2 значно набавлена, результати досліджень наве* ln Tm Tb дені у таблиці 1. * П2 -3 -1 -1 де =1,29кг м , с=1000Дж кг К , =0,024Вт кг-1 К-1 – відповідно щільність, тепломісТаблиця 1 Вплив параметрів геотеплообмінника на відбір геотермальної енергії Довжина каналу, L, м Швидкість повітря, v, м/с Енергія теплоносія, Q 10-9, Дж Ресурси теплоти, що надходить із надр достатні для роботи теплообмінника протягом декількох століть. З геотеплообмінника тепле повітря надходить у виробку 8 що відводить повітря, а з неї в компресор 9. Компресор 9 є побудником руху повітря мережею діючих гірничих виробок шахти. З компресора 9 тепле повітря надходить у вихрову трубу 10, де відбувається поділ на два потоки гарячий і холодний. Гарячий, який містить теплоту, накопичену в геотеплообмінику, надходить на поверхню через вентиляційний стовбур 11 до споживача. Холодний потік повітря через виробку для відводу холодного повітря 12 рециркулює до гірничих виробок 2 що подають повітря. Фізичний зміст пропонованого способу одержання геотермальної енергії полягає у використанні теплоти породного масиву для нагрівання вихідного із шахти енергоносія, за рахунок цього відбувається збільшення його внутрішньої енергії. З геотеплообміннику, використовуючи в якості теплоносія шахтне повітря, геотермальна енергія передається в теплоперетворюючий пристрій, у цьому випадку - вихрову трубу, де відокремлюється потік молекул повітря, що мають найбільшу енергію, і використовуються для передачі її споживачеві. У способі використовується додатково створюваний геотеплообмінник, де відбувається добування геотермальної енергії з відпрацьованої площі родовища корисної копалини. Це дозволяє 500 1 0,0516 1000 2 0,1032 1500 3 0,4644 2000 3 0,6192 істотно збільшити показники добування енергії з надр і продуктивність процесу одержання енергії в порівнянні з відомими технічними рішеннями. Геотеплообмінник, що підживлюється енергією, яка потрапляє з надр, може функціонувати практично нескінченно. Час його продуктивної роботи обумовлюється стійкістю гірничих виробок і зносом устаткування. Значна площа перерізу штучно створених каналів у виробленому просторі, а також можливість доступу до них з метою ремонту або очищення, дозволяють суттєво підвищити надійність роботи установки по одержанню геотермальної енергії. Враховуючи конфігурацію та велику довжину каналів геотеплообмінника стає неможливим „пробої” холодного теплоносія з гірничих виробок що подають теплоносій до тих що відводять. Після відпрацьовуваннязапасів корисної копалини в межах гірничого відводу шахти вона може продовжувати існування як підприємствогенератор геотермальної енергії, яке складається з декількох геотеплообмінників. За рахунок використання геотермальної енергії для нагрівання повітря істотно зменшується витрата викопних енергоносіїв, що не відновлюються, таких як природний газ або вугілля, що забезпечує екологічний ефект від використання способу. При цьому, через зниження витрати палива, істотно зменшується собівартість виробленої шахтою продукції, у тому числі геотермальної енергії. 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 17751 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601