Технологическая преемственность

Что делать с заброшенными шахтами и скважинами?
13.07.2021
Джек Ленард

Благодаря ископаемым топливам за последние полторы сотни лет мир сделал грандиозный скачок в технологическом развитии и повышении уровня жизни людей. И в результате получил огромное количество старой подземной инфраструктуры. Только в США имеется около десяти тысяч заброшенных шахт, из которых свыше пятисот выделяют полмиллиарда кубометров метана ежегодно. А некоторые из них заполнены кислотными растворами, выходящими на поверхность и отравляющими реки. Помимо этого в стране насчитывается несколько миллионов заброшенных скважин, ликвидация которых - дорогостоящее мероприятие, требующее от двадцати тысяч до миллиона долларов только на одну скважину.

Возникает естественная бизнес-идея - применить заброшенную инфраструктуру с новыми целями, превратив пассивы, то есть обязательства, в активы - источники дохода. Чтобы понять, как это лучше сделать, имеет смысл рассмотреть свойства шахт и скважин.

Тепловые якоря

Под землёй держится постоянная температура, от 17 до 30 °C в зависимости от географического положения и глубины: чем глубже, тем теплее. Между тем мы тратим огромное количество энергии для отопления зданий и поддержания производственных процессов. А может быть, подземные резервуары, образованные шахтами и скважинами, стоит использовать как источники тепла? Тем более что многие из них уже заполнены водой - хорошим агентом для теплопереноса.

Эта идея обсуждается с 1990-х, когда появились первые научные исследования по извлечению тепловой энергии из заброшенных угольных шахт. Дело в том, что при организации систем отопления на основе тепловых насосов одна из основных статей расходов - это строительство подземных (грунтовых и скважинных) коллекторов тепла. Если удастся задействовать выработанные шахты и скважины, эту расходную статью можно будет существенно сократить.

Затопленная угольная шахта в Саут-Тайнсайде
станет источником геотермальной энергии

Несколько подобных проектов запущено в разных уголках мира, в том числе в Великобритании. Там в районе Саут-Тайнсайд бывшие угольные шахты, расположенные на глубинах 300-400 м, будут задействованы в геотермальной системе отопления жилого квартала. Уже начато бурение нагнетательной и добычной скважин. Согласно плану циркуляционные насосы будут питаться от солнечной электростанции, а в отсутствие солнца - от мини-ТЭЦ.

Канадская ассоциация геотермальной энергетики занялась классификацией шахт в провинции Альберта и пропагандирует применение содержащихся в них геотермальных вод для обогрева и охлаждения зданий с помощью тепловых насосов.

Хранилища энергии

Подземная инфраструктура, о которой мы сейчас ведём речь, имеет и такие важные характеристики, как глубина и объём. Они входят в формулы для расчёта параметров различных накопителей энергии. Идеи разместить эти накопители под землёй тоже не новы. В Швейцарии выработанная шахта была превращена в хранилище сжиженных углеводородных газов ещё в 1940-х. Позже её переоборудовали с целью закачки метана. Во многих странах выработанные соляные шахты используются как сезонные газовые хранилища, которые наполняются летом и освобождаются зимой.

Жизнь угольной шахты Проспер-Ханиэль продолжится в новом качестве

Сегодня в немецком Ботропе (Рурская область Германии) строится гидроаккумулирующая электростанция мощностью 200 МВт, в которой старая шахта Проспер-Ханиэль будет служить нижним резервуаром. Здесь очень важно, что можно будет обойтись без затопления огромных земельных площадей, ведь они в этом регионе в большом дефиците. В американском штате Вирджиния компании Dominion Energy и Appalachian Power исследуют возможности задействовать брошенные шахты для строительства ГАЭС. Предварительные расчёты показывают, что горная местность позволит минимизировать стоимость строительных работ, так что экономически эффективны будут даже небольшие ГАЭС.

Другой проект, реализуемый на юго-западе Вирджинии, касается охлаждения центров обработки данных с использованием прохладной воды из затопленных шахт.

Старой шахте – новую жизнь!

Скважины тоже можно использовать для накопления энергии путём закачки газов или жидкостей в пласты под давлением.

Подземные реакторы

Можно ещё отметить, что глубоко под землёй наблюдается высокое гидростатическое давление. А это - необходимое условие для ускоренного растворения газов в жидкостях и эффективного протекания многих химических реакций. Опять же идея превратить глубокие скважины в химические реакторы возникла не сегодня. Ещё в 1980-х американская компания VerTech организовала окисление осадков сточных вод под землёй в скважинных реакторах с гравитационным сжатием.

Реактор с гравитационным сжатием на глубине 750 м
преобразует органическую массу в биотопливо

Интересно рассмотреть возможность задействовать не только глубину и повышенную температуру, но и метан, зачастую присутствующий в скважинах. С помощью метанотрофных гаммапротеобактерий, способных потреблять этот газ в качестве источника углерода и энергии, там можно производить биомассу. Имея уже растворённый в воде метан и стабильную повышенную температуру, легче обеспечить ускоренный рост микроорганизмов, которые выработают биомассу для производства топлива, кормов и различных органических веществ в химической промышленности. Кстати, активные метанотрофные бактерии недавно были обнаружены в шахте в Южно-Африканской Республике на глубине 1340 метров в растворе с кислотностью pH = 8,2-8,8 и температурой 35-37 °C.

По разным оценкам на территории США располагается от пяти сотен тысяч до двух миллионов заброшенных и плохо законсервированных скважин, через которые просачивается метан. Надо сказать, что этот газ создаёт примерно в двадцать раз более сильный парниковый эффект, чем CO2, так что метан, утекающий через шахты и скважины, даже лучше сжигать, чем выпускать в атмосферу. Но, конечно, идеальный вариант - перерабатывать его в различные коммерческие продукты. Расчёты, проведённые учёными по заказу агентства ARPA-E, показывают, что технологии улавливания метана должны быть экономически более эффективны, чем улавливание углекислого газа. В будущей системе углеродного учёта должен присутствовать механизм для зачёта сокращения эмиссии метана.

Из заброшенных скважин в атмосферу уходит
огромное количество метана

Мы потратили миллиарды долларов и огромные усилия, чтобы построить шахты и скважины, а теперь необходимы миллиарды для их экологичной ликвидации. Между тем в природной среде отходов не бывает - продукты жизнедеятельности одних организмов становятся пищей для других. И если мы хотим быть ближе к природе, нам нужно строить энергетику на таких же принципах.

Об авторе: Джек Ленард - директор программы американского агентства передовых энергетических исследований ARPA-E.

Источник: ARPA-E

Читайте другие наши материалы