№68-13

Аналіз типів геотермальних систем для використання теплового ресурсу закритих шахт

Д.В. Рудаков1, О.В. Інкін1, Н.І. Деревягіна1

1 Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Дніпро, Україна

Coll.res.pap.nat.min.univ. 2022, 68:145-156

https://doi.org/10.33271/crpnmu/68.145

Full text (PDF)

АНОТАЦІЯ

Мета. Виконання комплексного аналізу експлуатації геотермальних систем різних типів, які використовуються для освоєння теплового ресурсу непрацюючих шахт з визначенням їх переваг та недоліків, а також обґрунтування рекомендацій щодо пріоритетних місць та умов розташування окремих типів систем на Донбасі.

Методика. Геолого-гідрогеологічний та геотехнічний аналізможливості використання геотермальних систем різних типів в гірничо-геологічних умовах закритих шахт Донецького вугільного басейну з урахуванням конструктивних особливостей систем і досвіду їх промислового і експериментального застосування в різних країнах.

Результати. Встановлено, що геотермальні безповоротні системи зі скидом термічно відпрацьованих вод у поверхневі водотоки можуть бути рекомендовані на шахтах з незначною мінералізацією вод та водовідливом, який забезпечує гідродинамічну безпеку прилеглих територій. Скид вод в ставки-відстійники енергетично доцільний лише в літній період при розташуванні ставків поблизу місць відбору води. Системи зі зворотним скидом води у шахту застосовні у разі неможливості скидання вод у водотоки через екологічні обмеження. Скид термічно використаних вод до ствола, з якого вони відбираються, є прийнятним лише на шахтах з незначним відбором, потужною зоною затоплення і великими значеннями геотермічного градієнта. Геотермальні U-подібні та коаксіальні зонди в умовах непрацюючих шахт можуть бути встановлені у верхній частині закладеного ствола з відбором тепла від гірських порід і у затоплених гірничих виробках з відбором тепла від шахтних вод.

Наукова новизна. Уперше для закритих вугільних шахт Донецького басейна визначені умови оптимального застосування на їх базі безповоротних та циркуляційних геотермальних систем відкритого типу, що враховують мінералізацію шахтних вод, потужність зони затоплення, конструкцію системи водовідливу, гірничотехнічні, геотермальні та гідродинамічні особливості.

Практична значимість. Отримані рекомендації щодо ефективності роботи різних геотермальних систем в гірничо-геологічних та геотехнічних умовах непрацюючих шахт Донбасу будуть використані для визначення пріоритетних місць їх розташування.

Ключові слова: закриті шахти, геотермальні системи, аналіз роботи, ефективність,пріоритет, розташування.

Перелік посилань

  1. Sribna, Y., Trokhymets, O., Nosatov, I., & Kriukova, I. (2019). The globalization of the world coal market – contradictions and trends. E3S Web of Conferences 123(4):01044, 1–9.
    https://doi.org/10.1051/e3sconf /201912301044.
  2. Coal Atlas – Facts and figures on a fossil fuel.(2015). Heinrich Böll Foundation, Berlin, Germany, and Friends of the Earth International, London, UK.
  3. Polunina, O., & Balan,S. (2021). Vuhilna reforma: kontseptsiia zminylasia.
    https://ua.boell.org/uk/2021/01/26/vugilna-reforma-koncepciya-zminilasya
  4. Golubeva, Ye. (2020). Situatsiya v ugol’noy otrasli Ukrainy.
    https://112.ua/statji/orzhel-posovetoval-detyam-shahterov-ne-idti-po-stopam-roditeley-pochemu-vlast-reshila-likvidirovat-shahty-522909.html
  5. Loredo, C., Roqueñí, N., & Ordóñez A. (2016). Modelling flow and heat transfer in flooded mines for geothermal energy use: A review. Int J of Coal Geology, 164, 115–122.
    https://doi.org/10.1016/j.coal.2016.04.013
  6. Gillespie, M.R., Cran, E.J., & Barron, H.F. (2013). Deep geothermal energy potential in Scotland British Geological Survey Geology and Landscape.Scotland Programme. Commissioned Report Cr,12(131).
  7. Banks,D., Athresh,A., Al-Habaibeh,A., &Burnside,N. (2019). Water from abandoned mines as a heat source: practical experiences of open- and closed-loop strategies, United Kingdom. Sustainable Water Resources Management, 5,29–50.
  8. Ramos,E., Breede,K., &Falcone,G. (2015). Geothermal heat recovery from abandoned mines: a systematic review of projects implemented worldwide and a methodology for screening new projects. Environ Earth Sci,73, 6783–6795.
    https://doi.org/10.1007/s12665-015-4285-y.
  9. Sadovenko,I., Rudakov,D., &Inkin,O. (2014). Geotechnical schemes to the multi-purpose use of geothermal energy and resources of abandoned mines.Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining,443–450.
  10. Burnside,N. M., Banks,D., &Boyce,A. J. (2016). Sustainability of thermal energy production at the flooded mine workings of the former Caphouse Colliery, Yorkshire, United Kingdom. Int J Coal Geol,164, 85–91.
  11. Ni,L., Dong,J., Yao,Y., Shen,C., Qv,D., &Zhang,X. (2015). A review of heat pump systems for heating and cooling of buildings in China in the last decade. Renewable Energy, 30–45.
    http://doi.org/10.1016/j.renene.2015.06.043.
  12. LANUV, N. (2018). Landesamt für Natur, Umwelt, und Verbraucherschutz nordrhein-westfahlen: Potenzialstudie warmes Grubenwasser–Fachbericht 90. Recklinghausen, Germany.
  13. Rudakov,D., &Inkin,O. (2021). Validation of the operation efficiency criteria for geothermal probes in flooded mine workings. NaukovyiVisnykNatsionalnohoHirnychohoUniversytetu, 5, 100–105.
    https://doi.org/10.33271/nvngu/2021­5/100
  14. Zhanga, H., Baeyensb, J., Cáceresc, G., & Degrèvea, J. (2016). Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science, 53, 1-40.
    https://doi.org/10.1016/j.pecs.2015.10.003
  15. Viessman Planungshandbuch. Wärmepumpen. (2011). Viessman GmbH.
  16. Karu,V., Robam,K., &Valgma,I. (2012). Potential usage of underground minewater in heat pumps. Estonian Geographical Society, 1–20.
  17. Landesamt für Natur, Umwelt, und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfahlen: Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW. (2015). Technischer Bericht 40. LANUV NRW. Recklinghausen.
  18. Bremerich-Ranft,B. (2020). Das Erdwärmesonden-Testfeld am Energiezentrum Willich – Vorstellung und bisherige Erkenntnisse. Präsentation an 16. NRW Geothermiekonferenz.
  19. Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung. Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e.V. (DGG). (2015).Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT).
  20. Final Technical Report. A Demonstration System for Capturing Geothermal Energy from Mine Waters beneath Butte, Montana.DOE Award Number: 10EE0002821.
  21. Bockelmann,F., &Fisch,M. N. (2019). It Works Long-Term Performance Measurement and Optimization of Six Ground Source Heat Pump Systems in Germany.Energies, 12.
    https://doi.org/10.3390/en12244691.
  22. Liu,H., Zhang,Y., &Javed,S. (2020). Long-Term Performance Measurement and Analysis of a Small-Scale Ground Source Heat Pump System. Energies, 13.
    https://doi:10.3390/en13174527.
  23. Xiaobing, L., &Jeffrey,M. (2013). Field Test and Evaluation of Residential Ground Source Heat Pump Systems Using Emerging Ground Coupling Technologies. Oak Ridge National Laboratory, TM-2013/39. Final Report. UT-BATTELLE, LLC for the U.S. Dept of Energy under contract DE-AC05-00OR22725.
  24. Casasso,A., &Sethi,R. (2019). Assessment and Minimization of Potential Environmental Impacts of Ground Source Heat Pump (GSHP) Systems. Water, 11.
    https://doi:10.3390/w11081573.
  25. Extraction of geothermal energy from a mine shaft located in the hard coal mining district of Aachen, Germany. Sustainable Heating. April 9, 2019 in Brussels.Ingenieurbüro Heitfeld-Schetelig GmbH, Energeticon,D.
    https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/8.5_schetelig_sustainable_heating.pdf.
  26. Liu,X., Malhotra,M., Walburger,A., &Skinner,J. (2016). Performance analysis of a ground-source heat pump system using mine water as heat sink and source.ASHRAE Transactions, 122(2).