автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.12, диссертация на тему:Разработка технологии гидроподъема для получения гидротермальной океанической энергии с целью геолого-экономической оценки нового месторождения

1 Состояние вопроса, задачи и методы исследования

1.1 Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

1.2 Состояние работ по НВИЭ в России

1.3 Задачи и методы исследования (выводы по главе 1)

2 Получение энергии из океанических гидротермальных вод

2.1 Формализованная модель месторождения на базе курильщика

2.2 Метод обеспечения возможности превращения потенциальной гидростатической энергии океана в другие виды энергии

2.3 Возможные технологии получения энергии от гидротермальных вод из подводных океанических разломов

2.4 Энергетический показатель совершенства перевода гидростатической энергии в другие виды энергии. Выводы по главе

3 Технические средства освоения энергии гидротермальных разломов

3.1 Испытание модели для отбора потенциальной (гидростатической) энергии столба воды в океане

3.2 Параметры добычного судна

3.3 Подводный сбор гидротермальной воды от нескольких "курильщиков"

3.4 Экспериментальное изыскание оптимальной формы и конструкции купола

3.5 Технические средства для испарения термальной воды

3.6 Производство водородного топлива с помощью электроэнергии на борту судна

3.7 Методика расчета параметров судовой установки Выводы по главе

4 Особенности геолого-экономической оценки нового месторождения и кондиций на его оконтуривание

4.1 Общие положения

Человеческое общество является обществом потребления ресурсов. Среди потребляемых природных ресурсов огромный объем занимает энергетические ресурсы. Основную роль в них несут топливные минеральные ресурсы (уголь, нефть, газ). Но они, к сожалению, являются невосстанавливаемыми, а новые месторождения, как правило, открываются в удаленных, необжитых районах со слабо развитой инфраструктурой и отличаются сложными горно-геологическими условиями.

Использование традиционных источников приводит к комплексу экологических проблем, демографическим потокам и другим негативным факторам. Ограниченность запасов традиционных источников и их неравномерность размещения на земном шаре вызывают необходимость поиска новых источников.

Одним из таких перспективных энергоисточников являются ф гидротермальные воды Мирового океана.

При этом родилась идея использовать кипящую воду в качестве источника энергии.

Но для превращения природного феномена в ресурс необходимо иметь технологическое решение и оценить запасы (объемы) ресурса, которые рентабельно, при использовании разработанной технологии, можно будет использовать. Оценка ресурса производится при использовании комплекта кондиционных требований. Нетрадиционность гидротермальных вод "курильщиков" требует научного анализа состава кондиций на оконтуривание промышленных зон.

Актуальность решения возросла с открытием "курильщиков" вщБеринговом море на глубине до 2 км [22]. Интерес к проблеме может быть повышен не только наличием источников у берегов экологически сложных районов Чукотки и Камчатки, но и тем, что многие узлы возможного для добычи судна повторяют по добыче океанических металлоносных конкреций и корок.

Для оценки перспективности океанического энергетического ресурса и целесообразности проведения оценочных работ необходимо было решить актуальную научную задачу разработки технологии получения энергии за счет теплоносителей глубоководных зон океана с определением кондиционных требований на поиск месторождений этих носителей.

Основная идея работы заключается в том, что при подъеме гйдротермальных вод "курильщиков" возможен отбор энергии не только за счет градиента температуры, а также градиента гидростатического давления.

Основной целью работы являются разработка технологии использования энергии, носителями которой являются воды зон А "курильщиков", и составление требований на их поиск.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.

1. Современное состояние техники и технологии морского дела позволяют перевести тепло вод дна океана в природный ресурс для получения энергоносителей.

2. С ростом глубины погружения основной составляющей определяющей эффективность получения энергоносителей является гидростатическое давление. При этом температура воды является так же функцией глубины погружения.

3. Риск работы в океане определяют параметры горнодобывающего судна, которые определяются необходимостью нахождения в океане, а не производительностью по добыче. Поэтому рационально судно водоизмещением 50-75 тыс. тонн максимально использовать для размещения оборудования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ♦ рекомендаций подтверждается- сходимостью термодинамического анализа гидроподъема с данными проведенного лабораторного эксперимента, а также данными технико-экономического анализа и сопоставлением литературных данных с испытаниями на модели.

Научное значение работы состоит в установлении закономерности гидроподъема термальных вод с большой глубины при утилизации гидростатического давления.

Практическое значение заключается в разработке технологии гидроподъема гидротермальных вод в районе "курильщиков" с рекомендациями по параметрам кондиций на поиск промышленных объектов.

Реализация выводов и рекомендаций работы состоит в разработке кондиций на поиск месторождения нового типа.

Данная работа докладывалась на конференции "Неделя горняка" в Московском Государственном горном Университете в 1997 и 1998 годах, на конференции МГГА.

Публикации: основные результаты и научные положения опубликованы в 4-х работах:1. Перспективы создания добычного океанического комплекса. /Ю.В. Бубис, М.М Задорнов, Б.К. Ширяев, А.В. Гришин, Д.В. Семенюк/ЯОбилейный межвузовский научный сборник - 1998 - с. 176 -1842. Перспективы создания добычного океанического комплекса /Ю.В. Бубис, А.В. Гришин, Д.В. Семенюк, М.М. Задорнов, Б.К. Ширяев// Горный вестник -1999. -№1, с.20-25.

3. Новые направления океанической добычи полезных ископаемых /Ю.В. Бубис, JI.H. Молочников, Д.В. Семенюк, А.В. Гришин, Б.К. Ширяев/ Горный информационно - аналитический бюллетень - 1997 - №4, с.22-26.

4. Семенюк Д.В. Новые направления добычи экологически чистой энергии глубоководных зон океана /I экологическая конференция студентов и аспирантов, посвященная 850-летию основания Москвы. 24 апреля 1997 года.//М., МГГУ. 1997, - с.10-13.

Выводы по главе 4

1. Определен комплект кондиционных требований на оконтуривание месторождения.

2. Поисковые базовые кондиции должны включать:

- плотность количества разломов должна быть 0,7 источника/га.

- на глубинах менее 1 километра температура вод должна быть в пределах 300 - 400°С, на глубинах от 1 километра и более минимальная температура снижается от 180°С до 130 °С.

Заключение

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача разработки технологии гидроподъема для получения энергии за счет теплоносителей глубоководных зон океана, что позволило обосновать параметры кондиций на поиск месторождения этих носителей.

При этом можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Разработанная теплофизическая модель гидроподъема показывает, что наличие высокого гидростатического давления в зонах теплоносителей рифтовых разломов позволяет применить технологии с максимальным показателем оценки перевода этого вида энергии в другие, при нарушении равновесия природной системы.

Наиболее рациональным является схема гидроподъема с использованием паротурбогенератора. Пуск системы должен осуществляться специальным насосом, создающим первоначальный градиент давления.

Вызвано это тем, что температура геотермальных вод из разломов недостаточна, чтобы произошло испарение вод на глубине их формирования, и необходимо подавать воду в испаритель на меньших глубинах. Оставшийся после понижения градиент давления можно сработать в гидротурбине. В качестве трубопровода должна использоваться конструкция, предложенная отЖМК

2. Добычу энергии для получения водорода, экологически чистого топлива, рационально производить на горнодобывающем судне, параметры которого определяются условиями его эксплуатации и жизнеспособности в океане. Водоизмещение такого судна можно рекомендовать в пределах 50 -70 тыс. т.

3. Для обеспечения загрузки дедвейт судна эффективным производством необходимо использование для одного судна (одного трубопровода) нескольких разломных источников. Для этого рекомендуется использовать эластичные теплоизоляционные купола для накрытия 6 - 10 и более курильщиков, это позволяет получать 200 кг/ч жидкого водорода, что соответствует годовой продукции 1 280 т жидкого водорода и 10 240 т кислорода.

4. Поиск объектов для разработанной технологии должен предусматривать оценку районов, где плотность количества разломов должна быть не менее 0,7 источника/га при этом на глубинах менее 1 километра температура вод должна быть в пределах 300 - 400 °С, а на глубинах от 1 км и больше она может быть снижена от 180 до 130°С. Эти параметры принять для оценки направления поисков.

1. Ainemer A.I., Krasnov S.G., Sudarikov S.V., Hydrothermal activity in the pacific (Proc. Offshore Technol. Conf. Houston, 1989.

2. Адиатулина P.И. Средства подъема для подводной добычи полезных ископаемых. М., 1989 г.

3. Амелин Б.А. Оборудование для разработки месторождений полезных ископаемых с морского дна за рубежом. М., НИИинформтяжмаш, 1975г.

4. Архаров A.M., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы. М., Машиностроение, 1988.

5. Ахмедов Р.Б. Возобновляемые горючие энергоресурсы океанов и морей. В кн. Техноко-экономические и экологические аспекты использования энергии океана. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985 г.

6. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М., Знание. 1988 г.

7. Ахмедов Р.Б. Состояние и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Изд. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984 г.

8. Ахмедов Р.Б. Технология использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В кн.: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии., М., ВИНИТИ, 1987 г.

9. Басков Е.А., Суриков С.Н., Гидротермы Тихоокеанского сегмента Земли. М., Недра, 1975 г.

10. Ю.Берченко М.А., Ахмедов Р.Б., Преобразование и аккумулирование солнечной энергии при помощи простых термохимических реакций. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. Часть 1. Новосибирск, Наука. 1985 г.

11. Биомасса как источник энергии. М., Мир, 1989 г.

12. М.Виссарионов В.И. Экологические аспекты возобновляемых источников энергии. Уч. пособие. М., МЭИ. 1996 г.

13. Водород: свойства, получение, транспортирование, применение. Справочник. М., Химия, 1989.

14. Возобновляемые источники энергии. Редкол: Б.И. Казанджан. М., МЭИ. 1990 г.

15. Вопросы подводной добычи полезных ископаемых и открытых гидравлических разработок. (Сборник статей) Под. ред. чл-кор. АН СССР В.В. Ржевского. М., 1971 г.

16. Геология методы поисков, разведки и оценки топливно-энергетического сырья, вып. 2 М., 1997 г.

17. Геофизика океана. Геодинамика (ред. О.Г. Сорохтин) М., Наука. 1976 г.

18. Грамберг И.С., Айнемер А.И. и др. Гидротермальные сульфидные руды и металлоносные осадки океана. С-Пб, «Наука», 1992 г.

19. Гриценко А.И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. М., ВНИИгаз. 1995г.

20. Гричук Д.В. Борисов М.В. Термодинамическая модель гидротермальной системы в океанической коре. Докл. АН СССР, 1983, т 270, №2

21. Гричук Д.В., Борисов М.В., Мельникова Г.Л. Термодинамическая модель гидротермальной системы в океанической коре: оценкаэволюции раствора (Геол. рудн. м-ний, 1985, №4)

22. Джейс Барни. Расход энергии при производстве первичного магния. ВЦПМ, 1977, №7/8 р. 19-31 /пер/.

23. Добрецов В.Б. Экология при подводной разработке полезных ископаемых. Учебное пособие. JL, ЛГИ. 1990 г.

24. Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов. Под общ. редак. В.Н.Костина. М., Недра. 1970 г.

25. Дробаденко В.П., Клочков Н.Н., Комплексное освоение и экология россыпных и морских месторождений. М., МГГА, 1998 г.

26. Ершов М.Е. Водород и экологические аспекты будущего. Минск. 1975 г.

27. Изучение гидротермального источника в Атлантическом океане из аппаратов "Мир" (А.П. Лисицын, A.M. Сагалевич, Г.А.Черкашёв, Н.Л. Шашков) Докл. АН СССР, 1990, №6.

28. Инженерно-геологические условия разработки полезных ископаемых морского дна. Сб. наун. тр. науч. ред. Я.В. Неизвестнов. СПб, 1996 г.

29. Иссерлин А.С., Рациональное использование газа в энергетических установках. Л., Недра, 1990 г.

30. Исследования перспективных энергетических-технологий. Редкол: Л.С. Беляев и др. Иркутск. 1995 г.

31. История гидросферы. М., Научный мир. 1998 г.

32. Калашников Н.Г. Альтернативные источники энергии. М., Знание. 1987 г.

33. Кирюхин В.А., Толстихин Н.И., Кирюхин А.В., Л, ЛГИ, 1989 г.

34. Кононов В.И. Геохимия термальных вод областей современного вулканизма. М., Наука, 1983 г.

35. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетике в энергетическом балансе России. Министерство топлива и энергетики РФ. М., 1994 г.

36. Кронен Д. Подводные минеральные месторождения. М., Мир, 1983 г.

37. Крыжановский Р.А. Ресурс будущего: морская вода. Эффективностьосвоения. М., Мысль, 1985 г.

38. Кулешов Н.В. и др. Водородная энергетика. Способы получения водорода для энергоустановок. Уч. пособие. М., МЭИ 1990 г.

39. Лаптеева Н.З. и др. Тепло Земли и его извлечение, Киев, «Наукова думка», 1974 г.

40. Лебланк Д.Р. Будущее развитие водорода в промышленности; направление развития и конечная цель., М., ВЦП, 1985 /пер/.

41. Лисицын А.П., Богданов Ю.А., Гурвич Е.Г. Гидротермальные образования рифтовых зон океана. М., Наука., 1990 г.

42. Лисицын А.П., Монин А.С. и др. Океанология. Геология океана. М., «Наука», 1980 г.

43. Мастепанов A.M. инвестиции в электроэнергетику России: альтернативные варианты. ТЭК., 1996 г.

44. Минеральные ресурсы развитых капиталистических и развивающихся стран (на начало 1989 г.) Гл. ред. Е.Н. Исаев. М. ВНИИзарубежгеология, 1990 г.

45. Минеральные ресурсы России. М. 1997 г.

46. Молочников Л.Н., Бубис Ю.В. Способ добычи геотермальной воды и устройство для его осуществления. Заявка № 4738221/03 от 19.04.89 г., положительное решение июль 1991 года.

47. Морские экспедиционные научные исследования России. М., Гидрометеоиздат. 1998 г.

48. Муравейник В.И. и др. Термодинамика влажного воздуха. Киев, КИСИ. 1978 г.

49. Научные основы создания подводной автоматизированной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. Сб. науч. тр. М., МГИ 1983 г.

50. Научный доклад "Оценка возможностей применения атомных станций малой мощности для электро- и теплоснабжения потребителей, расположенных в районах Дальнего Востока и Крайнего Севера впериод до 2010 года". М., Энергокомплекс. 1993 г.

51. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Новочеркасск, 1994 г.

52. Новая энергетическая политика России. М., Энергоатомиздат, 1995 г.

53. Новые направления океанической добычи полезных ископаемых /Ю.В. Бубис,, JI.H. Молочников, Д.В. Семенюк, А.В. Гришин, Б.К. Ширяев/ Горный информационно аналитический бюллетень - 1997 - №4 - с.22-26.

54. Новые технологии и технические средства гидромеханизации и подводной добычи. Сб. науч. тр. Редкол. М.И. Ялтанец. М., 1994 г.

55. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок (Учебник для ВУЗов по специальности ТО) М., Недра. 1970 г.

56. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок (Учебник для ВУЗов по специальности ТО) издание 3s, переработанное. М., Недра. 1985 г.

57. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М., Недра. 1981 г.

58. Общая и региональная геология, геология морей океанов, геологическоекартирование. М., 1997 г. 63.Основы термодинамики морской воды. М., МГУ. 1998 г.

59. Пакулов В.И. и др. Разработка подводных месторождений полезных ископаемых. М., МГИ. 1983 г.

60. Перспективы создания добычного океанического комплека. /Ю.В. Бубис, М.М Задорнов, Б.К. Ширяев, А.В. Гришин, Д.В. Семенюк/ЛОбилейный межвузовский научный сборник 1998 - с. 176 -184

61. Перспективы создания добычного океанического комплекса /Ю.В. Бубис, А.В. Гришин, Д.В. Семенюк, М.М. Задорнов, Б.К. Ширяев// Горный вестник -1999. -№1 с.20-25.

62. Подводные геологические исследования с обитаемых аппаратов (А.С.Монин, Ю.А.Богданов, Л.П.Зононштайн и др.) М., Наука, 1985 г.

63. Подгорный А.Н. Водородная энергетика. Киев, Знание. 1988 г.

64. Приоритетные направления исследований в области геологических, геохимических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России. М. ИПКОН РАН. 1996 г.

65. Проблемы гидромеханизации горных работ и морского горного дела. Сб. науч. тр. Редкол. Ю.В.Бруякин. М., МГИ. 1990 г.

66. Проблемы создания и эксплуатации энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии. Кратк. тез. Всесоюзн. научн технич. совещания. Владимир. 1991 г.

67. Прогноз развития энергетики России. Бушуев В.В., Вольфберг Д.Б., Макаров А.А. и др. Экономика ТЭК. 1994 г.

68. Программа Правительства РФ "Структурная перестройка и экономический рост в 1997 -2000гг." М., 1997 г.

69. Ржевский В.В., Бубис Ю.В., Молочников Л.Н., Бруякин Ю.В., Способ подводной добычи водорода и система для его осуществления. Заявка № 4656868/03 от 03.02.89 г., положительное решение от 28 августа 1989 г.

70. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды в критической области. М., И-во стандартов. 1970 г.

71. Семенов-Тян-Шанский В.В, Благовещенский С.Н., Холодилин А.Н. Качка корабля, л., Судостроение, 1969 г.

72. Семенюк Д.В. Новые направления добычи экологически чистой энергии глубоководных зон океана Я экологическая конференция студентов и аспирантов посвященная 850-летию основания Москвы. 24 апреля 1997года.//М., МГГУ 1997 г

73. Совершенствование гидромеханизации и подводной добычи полезных ископаемых. Тез. докл. и сообщ. Всесоюз. науч. техн. совещ. по совершенствованию гидромеханизации и подводной добычи полезных ископаемых. Редкол: Нурок Г.А, г. Москва 10-12 дек. 1986 г.

74. Судариков С.М. Провинции гидротерм Тихого океана. В кн.: Тезисы докладов 9 Всесоюзной школы морской геологии, т. 3. М., 1990 г.

75. Таубман Е.И., Пастушенко Б.Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. М., Энергоатомиздат, 1990 г.

76. Твайдел Джон. Возобновляемые источники энергии, (пер. с английского) М., Энергоатомиздат. 1990 г.

77. Теплофизические свойства перегретых жидкостей. Сб. статей. АН СССР Свердловск УМЦ АН СССР. 1978 г.

78. Технология и технические средства для разработки месторождений Мирового океана. Сб. научн. тр. Редкол. В.В.Ржевский. М., МГИ. 1987 г.

79. Турганников. Технология разработки рудных месторождений и проблемы освоения больших глубин. М., 1997 г.

80. Уделл Свен. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии, (пер. с шведского) М., Знание. 1980 г.

81. Хвант К. и др. Использование водорода как сырья в химической промышленности США. Потребность и ее обеспечение. М, ВЦП, /пер/, 1979

82. Хлорикьян С.Х. и др. Горное дело, Энциклопедический справочник, М., «Углетехиздат», 1957 г.