Ресурсы метана в основных угольных бассейнах России

млрд м³ [6]

Показатель	Кузнецкий	Донецкий (Ростовская обл.)	Печорский бассейн
Ресурсы метана, всего
В том числе:
На полях действующих шахт	211,5	2,5	26,4
На разведанных и перспективных площадях	12873,5	94,5	1915,6
На верхнем этаже до глубины 1200 м		55.0
На нижнем этаже (1200- 1800 м)		42,0

Из геолого-промышленных районов Кузнецкого бассейна максимальными ресурсами метана и метаноплотностью (млн м³/км²) обладают Ерунаковский, Томусинский, Кондомский, Бунгуро-Чумышский, Прокопьевско-Киселевский и др. районы (табл. 27).

Таблица 27

Ресурсы метана и метаноплотность основных районов Кузнецкого бассейна[6]

	Ресурсы метана,	Метаноплотность,
Район	млрдм3	млн м3/км2
Ерунаковский	3210,3
Томусинский	1460,4	Более 1000
Ленинский	1174,0	Более 1000
Терсинский	1125,5	Более 500
Кондомский	967,3	Более 1000
Бунгуро-Чумышский	758,9	Более 1500
Кемеровский	710,3	Более 500
Прокопьевско-Киселевский	601,0	Более 1500
Араличевский	498,1	Более 100
Мрасский	474,8	Более 1000
Титовский	406,3	Более 1000

Наряду с ресурсами метана важным показателем является метаноплотность, характеризующая степень концентрации этих ресурсов. Из конкретных участков наибольшей метаноплотностью обладают Талдинское месторождение в Ерунаковском и Томская площадка в Томусинском районе — более 3 млрд м³ /км², поле шахты "Коксовая" в Прокопьевско-Киселевском районе — 1,7 млрд mVkm², поле шахты "Ольжерасская" в Томусинском районе — 1,2 млрд м³ /км². В настоящее время работы по освоению методов добычи метана из угольных пластов ведет АО "Метан Кузбасса". Для ускорения этих весьма важных работ привлечено РАО "Газпром" и "Промгаз" обладающие необходимыми средствами и опытом проходки глубоких скважин.

Изложенный материал позволяет сделать следующие выводы:

1. Одним из альтернативных источников энергии является метан угольных пластов, мировые ресурсы которого (470 трлн м³) сопоставимы с ресурсами природного газа (400-650 трлн м³).

2. В ряде стран, в первую очередь в США, уже более 10 лет ведется добыча метана из угольных пластов через скважины, превысив 40 млрд м³ в год; совершенствуются известные, разрабатываются новые методы его добычи. Добыча метана из угольных пластов в мире, по оценкам специалистов, может в перспективе составить 96—135 млрд м³ в год, в том числе в США 45-60, России 12- 18, Китае 9- 14. В более отдаленной перспективе добыча метана может увеличиться до 470 — 600 млрд м³ в год и составить 21 — 25% мировой добычи природного газа. Стоимость добычи шахтного метана 40 -76 долл./1000 м³.

3. Метан в угле обычно находится в сорбированном состоянии (75 — 80%), связь системы "метан-уголь" очень тесная и разорвать ее для извлечения метана весьма сложно. Лишь на немногих месторождениях (типа Сан-Хуана в США) большая часть метана находится в суфлярном состоянии, заполняя пустоты, трещины, макропоры и т.д., что позволяет сравнительно легко и экономично извлекать его из угля.

4. В настоящей работе проведен анализ в основном литературных материалов по 35 угольным бассейнам и месторождениям России с целью выделения наиболее перспективных объектов для организации промышленной добычи метана из угольных пластов. Ресурсы метана в угольных пластах в России оцениваются в 100 - 120 трлн м³. Наиболее перспективны для освоения ресурсов метана Кузнецкий (13,1 трлн м³), Печорский (2 трлн м³). По остальным бассейнам и месторождениям из-за недостатка материалов можно сделать только предварительные выводы.

Несомненный интерес могут представить угли нижнекарбоновых месторождений Уральского региона, отличающиеся высокой газоносностью. Целый ряд объектов для организации добычи метана имеются в Восточной Сибири (Улугхемский и Минусинский бассейны), в Хабаровском крае (Буреинский бассейн). В Приморье (Партизанский) и бассейны на Северо - Востоке России. Для более обоснованных выводов в этих бассейнах провести комплексное изучение проблемы с бурением контрольных скважин и детальным исследованием всех вопросов газоносности углей.

5. В России с целью создания безопасных условий работы шахтеров уже многие годы ведется дегазация газоносных (5 — 30 м³/т) угольных пластов на шахтах, газообильность которых меняется от 5 до 100 м³/т. Однако, почти весь метан выбрасывается в атмосферу, а утилизируется (только в Печорском бассейне) всего - 47 млн м³ (10%) в год.

6. Министерству природных ресурсов совместно с угледобывающими предприятиями, РАО "Газпром", "Промгаз" и научно-исследовательскими институтами необходимо в кратчайшие сроки разработать "Комплексную программу переоценки перспектив развития добычи метана в угольных бассейнах России", в которой оценить общие и, реальные ресурсы метана в углях, отразить отечественный и мировой опыт метанодобычи из угольных пластов наметить очередность изучения и освоения метаноугольных месторождений страны.

Усилия геологов должны быть направлены на выявление в газоносных бассейнах зон с повышенной газоотдачей угольных пластов, залежей свободного газа и разработку соответствующих критериев. В задачу технологов входит разработка новых эффективных методов разрушения связи "уголь-метан" в месторождениях с сорбированным метаном для увеличения газоотдачи угольных пластов с 10 — 30 до 60 — 70%.

Водорастворенные газы [16]

Помимо нефтяных, газовых и угольных пластов в земной коре присутствуют огромное количество водоносных пластов. В них основные скопления углеводородных газов (и даже нефти) находятся в сорбированной минеральным или органическим веществом форме в растворенном или диспергированном состоянии. Ресурсы метана, растворенного в подземных водах составляют 10³—10⁵ трлн м³, т.е. многократно превышают ресурсы традиционных газов.

Основные факторы, определяющие газосодержание подземных вод — соотношение интенсивности газогенерации и процессов рассеивания газов, температура, давление, минерализация и состав подземных вод, состав пород.

Насыщенность подземных вод нефтегазоносных бассейнов определяется, прежде всего, типом бассейна, геологической историей и возрастом вмещающих пород. Для древних платформ (например, Восточно-Европейской) характерна низкая газонасыщенность вод (0,5 - 1 м³/м³). Здесь преобладают азотные воды. Для молодых платформ, например, Западно-Сибирской, Скифской и Туранской газонасыщенность повышается до 2 - 4 м³/м³ и в составе газов преобладает метан. Мощность зоны углеводородных вод колеблется от 1 до 6 км. Верхняя их граница залегает на глубине 0,3 - 2 км. Газонасыщенность углеводородными газами Сахалинской платформы составляет 2 - 4 м³/м³.

С глубиной газонасыщенность как правило, растет, на смену азотным газам приходят смешанные, которые переходят в углеводородные.

Главные факторы газообразования - температура и давление. Основной объем сорбированных углеводородных газов образуется на глубинах 2 - 4 км при температуре 100—170 °С. Степень минерализации вод обратно пропорциональна газонасыщенности, которая максимальных значений достигает при пониженной и низкой минерализации (до 30 г/л). Основными объектами поисков метановых вод на больших глубинах служат высокотермальные воды пониженной минерализации.

Содержание диспергированного (пузырькового) газа растет с увеличением температуры, давления и минерализации подземных вод.

В качестве таковых источников промышленного получения водорастворенных газов, по оценке специалистов, считается:

—подземные газонасыщенные воды малых глубин — до 1 км;

—газонасыщенные воды, контактирующие с традиционными газовыми залежами на глубинах 1,5 — 4,5 км;

—высокогазонасыщенные воды больших глубин — более 4,5 км.

Разработка водорастворенных газов на небольших глубинах ведется в Японии, Италии и Непале. Газы обычно разрабатываются на глубинах до 1 км. Площадь развития продуктивных комплексов достигает (км²): в Японии (Нипугата — 1000 на суше, 2000 на море, Ю. Канто — 600, Мобара — 200), в Италии (Полезано-Феррарский бассейн — 1000). Мощность продуктивной толщи — сотни метров. Газонасыщенность — 1—2 м³/м³, растет с глубиной. По составу газы метановые (75 — 97%) с низким содержанием азота, СО₂ и H₂S. Минерализация подземных вод невысокая — 2-34 г/л.

В Японии утилизация растворенного в водах метана была начата в 20-х годах XX века. В районе Ю. Канто перспективно месторождение Мобара в 50 км от Токио, которое разрабатывается с 1935 г. Основная добыча ведется из отложений плиоцена с глубины 200 — 600 м, местами — 1000 м. Скважины расположены по сетке 150 х 150 м, средний дебит по газу 2,3 тыс. м³/сут. Площадь месторождения 200 км², ресурсы метана 35 млрд м³. Состав газа (%): СН₄ — 98-99, СО₂ - 0,2-1,5, N₂ - 0,1-0,5, H₂S - нет. Это позволяет использовать газ не только для сжигания, но и в химической промышленности. Воды содержат много йода (до 120 мг/л). В этом районе из вод добывается основная часть общего производства йода в Японии (1800 т/г).

В Италии добыча газа из подземных вод в разные годы велась в Полезано-Феррарском газоносном бассейне. Продуктивные песчано-глинистые отложения кайнозоя морского происхождения характеризуются газонасыщенностью 1 — 1,2 м³/м³. Минерализация вод 5 — 27 г/л. На глубинах до 800 м выделено 5 продуктивных горизонтов.

В Непале водорастворенный газ добывается из четвертичных озерно-болотных отложений с глубины 180 — 300 м. Газонасыщенность вод 0,2-0,6 м³/м³. В составе газа СН₄ - 75-80%, СО₂ — 14 — 23%, H₂S — нет. Запасы газа на площади 4 км² — 47 млн м³. Газодобывающая установка имеет мощность 500 м³/сут.

Себестоимость газа, добываемого из неглубокозалегающих горизонтов вод (долл. за 1000 м³): в Японии - 50- 100, Италии - 100, Непале — 75, США — 180 — 360, что выше себестоимости традиционного газа, но при отсутствии других источников этот газ может быть рентабелен.

Методика разработки месторождений газонасыщенных вод предусматривает бурение рядов нагнетательных скважин, перемежающихся с рядами откачивающих скважин. Когда газосодержание добываемой воды падает ниже экономически допустимых пределов, бурят новый ряд откачиваемых скважин. Причем нагнетательные скважины имеют небольшой диаметр, что снижает общие расходы на добычу газа. В Италии применяется метод пяти точек (конвертный). Четыре нагнетательные скважины бурятся по углам четырехугольного участка, а откачивающая — в центре. Как правило, вся откачанная вода после дегазации возвращается обратно в резервуар, что предотвращает просадки поверхности месторождений.

Газонасыщенные воды больших глубин (более 4 км) находятся в условиях высоких температур и аномально высоком пластовом давлении (геопрессированные зоны). Газосодержание в них высокое и может достигать 5—10 м³/м³. Исследования таких вод были проведены в США в Мексиканском заливе, где было пробурено 13 глубоких скважин. Получены следующие результаты: мощность резервуаров 40 — 300 м, пористость 15 — 35%, газосодержание 5—17 м³/м³, дебит 1 — 3 тыс. м³/сут., редко больше, температура 120—150 °С, давление 57—153 МПа, минерализация 5—130 г/л. Результаты исследований показали, что резервуары газосодержащих вод в основном мелкие. Себестоимость водорастворенного газа колеблется от 150 до 1000 долл./тыс. м³. Она может быть снижена за счет утилизации минеральных компонентов, геотермической и гидравлической энергии подземных вод.

Бурение скважин и добыча газосодержащих вод с больших глубин связано со значительными затратами и дороже, чем бурение нефтяных скважин, что связано с применением обсадных труб большого диаметра. Стоимость одной скважины глубиной 4 км составляет 2 — 2,5 млн долл. В настоящее время разработка газосодержащих вод глубокозалегающих месторождений нерентабельна. Затраты на добычу вод могут быть снижены за счет использования "сухих" газовых скважин. Характеристика качества газосодержащих резервуаров приведены в табл. 29.

Таблица 29

Показатели оценки качества резервуаров [16]

Качество резервуара	Дебит скважины, м3/сут.	Период устойчивого дебита, лет	Мощность резервуара, м	Объем резервуара, км3	Проницаемость, мкм2
Высшее	5000-10000
Хорошее	1000-5000	10-20	50-100	10-100	0,1-1
Умеренное	50-1000	5-10	10-50	1-10	0,01-0,1
Плохое					0,01

Таким образом, в настоящее время определенный интерес может представлять добыча водорастворенных газов, залегающих на небольших глубинах в нефтегазоносных, реже угленосных бассейнах в первую очередь в областях молодых платформ — Западно-Сибирской, Скифской и Туранской, а также в современных геосинклинальных областях (Сахалин).

Повышение эффективности добычи таких газов на больших глубинах может быть достигнуто за счет следующих мер:

—использование фонда глубоких скважин, пробуренных на нефть и газ и оставленных, как признанных пустыми или законтурными;

—разработка месторождений водорастворенных газов с использованием глубокой закачки отработанных вод;

—разработка новых технологий извлечения водорастворенного метана, в том числе способов формирования техногенных газовых залежей, не связанных с отбором больших масс воды;

—разработка замкнутых технологических циклов по комплексному использованию минеральных компонентов подземных вод их энергетического потенциала в виде метана, высокотермальных вод и их гидравлической энергии.

Нефть и газ в породах с низкой проницаемостью [16]

Ресурсы углеводородов, заключенные в низкопроницаемых породах, на порядок превышают ресурсы в традиционных коллекторах. Эти породы распространены широко и относятся к комплексам различного генезиса и структурного положения.

Продуктивные нефтегазонакопления в нетрадиционных коллекторах осадочных пород.Эти коллектора распространены во всех нефтегазоносных бассейнах. К числу примеров относятся Иркутский амфитеатр, Кузнецкая и Южно-Минусинская котловина, Предуральский прогиб, осадочные бассейны Скалистых гор (США) и др. Песчано-глинистые, карбонатные, кремнистые коллектора в этих районах характеризуются малой пористостью и низкой проницаемостью. Их освоение требует применения специальных технологий.

Зоны дисперсного газонасыщения низкопроницаемых пород.Значительные ресурсы газа связаны с зонами интенсивного насыщения в низкопроницаемых терригенных породах. Например, в Актюбинском Приуралье газонасыщенные пермские отложения имеют мощность 2,8 км (дебит скважин достигает 50 тыс. м³/сут.). В США в девонских битуминозных сланцах запасы газа достигают 14 трлн. м³. Крупные газовые скопления в терригенных низкопроницаемых породах выявлены в Канаде, Франции, Германии.

Нефтегазоносность некондиционных коллекторов традиционных месторождений. Значительные ресурсы неучтенного углеводородного сырья находятся в низкопроницаемых породах месторождений нефти и газа. На Астраханском, Оренбургском и других месторождениях ведется попутная добыча газа из некондиционных коллекторов. Для оценки ресурсов таких газов рекомендуется разбуривание площадей по более плотной сетке скважин для дренажа пород с применением технологий для интенсификации притоков.

Газоносность соляных отложений.В соляных породах газы находятся в сорбированном состоянии, растворенными в кристаллической решетке, в виде микро- и макровключений. Такие газы известны на Березниковском руднике, Соликамском, Верхнекамском, Индерском, Старообинском месторождениях калийных солей, на калийных рудниках Германии и Белоруссии.

Нефтегазоносность глинистых образований.Эти образования развиты во многих районах — кумекая свита Кавказа, менилитовые сланцы Предкавказья, миоценовые сланцы Сахалина, баженовская свита в Западной Сибири, нижнемеловая глинистая толща Ульяновского Поволжья, сланцы Монтерей бассейна Лос-Анжелес, битуминозные сланцы Грин-Ривер и др. Эти породы, обогащенные органикой (5 — 20%) имеют морское происхождение и называются доманикитами. Они представляют несомненный интерес как объект для детального изучения в качестве нетрадиционного источника углеводородов.

Породы промежуточного комплекса.Эти породы залегают в основании осадочного чехла молодых и древних платформ. Они выполняют глубокие каньоны и грабены фундамента Западной Сибири, Предуралья, Восточного Предкавказья, платформ Северной Америки, Африки, Азии и Австралии. Промежуточные комплексы представляют собой мощные (4 — 5 км) не выдержанные по площади сильно нарушенные толщи обычно с перерывами в осадконакоплении. Они часто изолированы друг от друга и представляют собой самостоятельные структуры. Обычно кровля этих структур залегает на глубине 4 км, а подошва — на 8 км. Покрышкой служат глинистые породы осадочного чехла. Породы промежуточного комплекса представляют собой объекты для поисков месторождений углеводородов таких как Малоиченское в Западной Сибири или Байджановское в Предкавказье. Причем, залежи углеводородов могут концентрироваться, как в основании осадочного чехла, так и внутри самого комплекса.

Нефтегазоносность кристаллических пород.Наличие углеводородов в метаморфических и магматических породах установлено во многих районах, например, в кимберлитовых трубках алмазных месторождений Якутии и Южной Африки, на полиметаллических рудниках Норильского района и Швеции, на золото­рудных месторождениях Казахстана и Южной Африки, на железорудных месторождениях Кривого Рога (Украина) и Кливленда (Австралия). Образование и накопление углеводородов происходило благодаря воздействию интрузий на органическое вещество окружающих осадочных пород. Так, на меторождении Бестюбе (Казахстан) источником газа служили богатые органикой осадки ордовика, в Норильском районе — пермские угленосные породы. Вмещаю­щие кимберлитовые трубки породы нижнего палеозоя содержат битумы и нефти. Максимальный дебит газов в Норильском районе достигал 20 тыс. м³/сут., в Якутии — 40 тыс. м³/сут. Обычно газы рудных месторождений изучают в связи с безопасным ведением горных работ. Но в ряде случаев они могут представлять собой объект добычи нетрадиционных энергетических ресурсов для местного газоснабжения.

Гидраты углеводородных газов [13,16]

Гидраты газов — соединения, включения (клатропы), в которых молекулы газов заполняют пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды. Образуются при температуре 50 - 350 К (- 223 - + 77 °С при давлении 2 Па— 1,7 ГПа. На доступных для изучения глубинах порядка 2 — 3 км термодинамические условия гидратообразования представлены в табл. 30.

Таблица 30

Условия гидратообразования

Температура, °С	-20	-10	-5	±0	+ 5	+ 10	+ 15	+ 20
Давление, МПа		2,5

Внешне газогидраты похожи на спрессованный снег или рыхлый лед. Один объем воды в гидратном состоянии связывает от 70 до 300 объемов газа. Плотность гидратов 900 — 1100 кг/м³. Снизу газогидратная залежь контактирует с подошвенной водой или нефтяной залежью, сверху — с газовой залежью или со свободной водой (в акватории океана). В придонной части мирового океана толщина залежи 100 — 400 м, площадь 320 млн км2. В акваториальной области залежи гидратов залегают на глубине 400 — 600 м, в арктической области — 100 — 250 м. На материках залежи гидратов приурочены к охлажденным зонам земной коры. Их толщина 700— 1500 м. Общая площадь суши, перспективная для формирования газогидратов около 40 млн км². Ресурсы их на материках 105 трлн м³, а в акватории Мирового океана 2 х 107 трлн м³.

В России газовые гидраты развиты в Тимано-Печорской, Западно-Сибирской, Хатангско-Вилюйской и Лено-Тунгусской провинциях. Открыто более 30 газогидратных месторождений, в том числе Мессояхское, Мархинское Средневилюйское, Намское и др. В США на Аляске известны месторождения Барроу, Томпсон, Прадхо-Бей, в Канаде — Кеналуак, Нерлерк, Коакоак и др. Добыча газогидратов производится из скважин путем перевода их в газообразное состояние за счет повышения температуры выше равновесной, вводом катализаторов разложения гидратов, электрическими, акустическими, термохимическими методами воздействия на пласт. Методы разработки газогидратных месторождений можно разделить на три группы: снижение давления внутри залежи (депрессионный метод), повышение температуры залежи и механическое разрушение. Понижение давление ниже равновесного приводит к выделению газов в свободное состояние. Метод мало перспективен по многим причинам. Нагревание залежи достаточно сложная задача. Залежь должна быть прогрета до равновесной температуры, на что расходуется до 10% от энергии получения метана. Прогрев породы производится закачкой горячей воды или пара через скважины в залежь или ее подошву. Широкое освоение газогидратных месторождений представляется делом достаточно отдаленного будущего. Ультразвуковые, электрические, акустические и другие методы воздействия на пласт не имеют практического значения из-за низких КПД.

Синтетическое жидкое топливо из угля [4,8,17]

Постоянное сокращение запасов природной нефти, удорожание ее добычи делает актуальной проблему получения синтетического жидкого топлива (СЖТ) из угля, ресурсы которого на порядок превышают ресурсы нефти.

Начало технических разработок процесса ожижения угля относится к 20-м годам XX века. В годы Второй Мировой войны в Германии работало 14 заводов, производивших 4 млн т синтетической нефти в год (технология YGE). Моторы немецких танков работали на дизтопливе из бурого угля. Второй этап — 70-е годы, когда ОПЭК повысил цены на нефть. Были созданы установки: Н-Соа1 — 200-600 т/сут., EDS -250 т/сут., установки новой немецкой техники в Ботроке — 200 т/сут., SRC — 30 т/сут., установки Австрало-Японского альянса в Латроби 50 т/сут. и десятки небольших установок. В 1997 г. в Японии была освоена установка NBDO — 150 т/сут. Но с понижением цен на нефть работы в основном прекратились. Японцы продолжили работы в Австралии на установке 1 т/сут. В Ботроке установка работает. Но сейчас на ней перерабатывают пластмассы с выпуском высококачественных масел — 80 т/сут. В Англии работает установка Point of Air — 2,5 т/сут. В России работала установка 5 т/сут. — при низком давлении 10 МПа. Доказана возможность снижения давления до 6 МПа. В США много средств идет на научные разработки гидрогенизации, в 1995 г. — 156 млн долл. Осваиваются новые технологии и катализаторы. В странах ЕЭС предлагается гидрировать изношенные шины - 1,5 млн покрышек в год. В результате путем гидрокрекинга получат нафту и полукокс для металлургии.

В настоящее время промышленное производство СЖТ освоено в ЮАР на заводах фирмы САСОЛ, где перерабатывают до 30 млн т угля в год и выпускают до 8 млн т СЖТ и много других продуктов. Во многих странах, в том числе и в России, ведется разработка и совершенствование методов ожижения угля — гидрогенизации.

В Китае планируется производить из 20 млн т угля бассейна Шаньси 10 млн т "угольной" нефти.

Для гидрогенизации пригодны маломета-морфизованные — бурые, длиннопламенные и газовые угли (Ro — 0,4 — 0,8%) с малым содержанием инертинита (до 15%) и богатые витринитом и липтинитом, зольностью менее 15%. По методу, разработанному в Институте горючих ископаемых (ИГИ, Москва), тонкоизмельченный уголь в смеси с донором водорода, в присутствии катализаторов (молибдена, глинозема) подвергается гидрогенизации при температуре 430 °С и давлении 8—10 МПа. По этому методу превращение органической массы угля достигает 90 — 95% при выходе моторных 45 — 50% и КПД производства 80%. Для получения 1 т СЖТ расходуется 5 т бурого угля при себестоимости 1 т СЖТ (в ценах до 1991 г.) 130 руб./т, при стоимости угля 2,7 руб./т. Приведенные затраты 215 руб./т, капитальные вложения 460,6 руб./т.

Существуют проекты создания заводов для производства синтетического жидкого топлива производительностью 3 — 5 млн т в год. Однако, по мнению специалистов, выгоднее строить установки модульного типа в отдаленных районах и производить на них из угля 500 тыс. т СЖТ в год, в том числе 135 тыс. т бензина АИ-93 неэтилированного и 935 тыс. т дизтоплива с содержанием серы 0,5 %. Расход угля — 1,5 млн т каменного или 3 млн т бурого. В перспективе большое количество СЖТ может быть получено из мало-метаморфизованных углей Канско-Ачинского, Кузнецкого и других бассейнов, ресурсы которых оцениваются в 100 млрд т, в большинстве случаев пригодных для открытой добычи.

Необходимо иметь в виду, что тяжелые продукты ожижения угля в определенной степени канцерогенны, а бензиновые фракции содержат повышенное (по сравнению с природной нефтью) количество азотистых соединений и ароматических углеводородов. Поэтому проекты получения СЖТ из угля потребуют тщательной экологической экспертизы на всех этапах производства.

Искусственная нефть из недр

Интересно предложение А.Е. Воробьева с соавторами (Горный информ. — анал. сб., 2002, № 2), которые сделали попытку теоретически обосновать метод получения искусственной нефти в естественных условиях земных недр. Для этого могут быть использованы богатые органикой бытовые и промышленные жидкие отходы. Их следует закачивать в глубокозалегающие пористые породы, ограниченные водоупорами, в область повышенных температуры и давления. Там будет происходить шелочной гидролиз с образованием смолистых веществ, которые впоследствии могут быть прогидрированы с образованием нефти.

Биосырьё

Биосинтез — преобразование солнечной энергии в химическую энергию растений — имеет большие перспективы. Содержание биомассы в биосфере огромно — 800 млрд т. Ежегодно возобновляется 200 млрд т. Методы получения энергии и углеводородов:

—непосредственное использование сырья растительного или животного происхождения

—сжигание сырья растительного происхождения — дров, соломы и др.

—сжигание твердых бытовых отходов городов;

—использование растительных масел в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;

—биоконверсия или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях с образованием биогаза, этанола, бутанола и др.

—термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, синтез) твердых органических веществ (торфа, дерева и др.) с получением "синтез-газа", искусственного бензина.

В Москве и области 16 млн жителей производят 4 млн т твердых бытовых отходов в год (Энергия, 1997, № 4). Голландская компания "Гронтман" и российская компания "Геополис" построили в г. Мытищи демонстрационный полигон по переработке городских отходов. С его помощью обеспечивается электроэнергией и теплом свыше 100 тысяч домовладений. На двух действующих полигонах в г. Мытищи и Серпухове смонтированы модули по получению биогаза и преобразованию его в электрическую и тепловую энергию (рис. 17).

Рис. 17. План переработки твердых бытовых отходов в Москве

В странах СНГ ежегодное производство органических биоотходов оценивается в 500 млн т (по сухому веществу), в том числе отходы городского хозяйства и промышленности — 60 млн т, осадки сточных вод — 7 млн т, отходы животноводства и птицеводства 230 млн т. Их переработка позволит получать 150 млн т у.т.

Рис. 18. Установка для экологически чистого уничтожения твердых отходов ЭЧУТО-150.02 (г. Переславль-Залесский)

По заказу РАО ЕЭС в г. Переяславле-Залесском изготовлена установка для экологически чистого уничтожения твердых отходов ТЭЦ — замасленной ветоши, резинотехнических, упаковочных, древесных отходов, пленки, пластиковых бутылок и др.

Около половины населения мира в своем хозяйстве использует дрова хозяйства. Во многих крупных городах работают мусоросжигающие заводы. В Париже около 80% потребляемой энергии вырабатывается за счет сжигания отходов города. В Голландии правительство борется с захоронением отходов на полигонах путем повышенной оплаты сжигания отходов (75—105 евро/т) на специальных заводах.

В Великобритании строится электростанция мощностью 36 МВт, на которой топливом служит солома — 200 тыс. т в год. На станции в 10 МВт в качестве топлива будет использовать­ся подстилка для домашней птицы (Энергия, 1999, № 10).

В США на 1050 энергетических объектах, где в качестве топлива используется древесина, производится электроэнергия для снабжения заводов и поселков. Разводятся плантации "супердеревьев" — гибридных тополей и ив, растущих по 5 м в год. Доля дров в энергетическом балансе США намечено к 2015 г. увеличить с 1 до 15% (Энергия, 1994, № 7, 1999, № 10).

В Индии созданы так называемые "биобактерии", в которых для выработки электроэнергии используются биотходы овощей и фруктов. Из них готовится паста (без добавления воды), в которую погружается медный и цинковый электроды размером 40 х 25 х 0,5 мм. "Капустная" батарея дает ток напряжением 0,2 — 0,7 В, "морковная" - 0,2-0,6 В, "банановая" 0,7-1,3 В.

Разработана основа технологии быстрого пиролиза биомассы. Из тонны древесных опилок можно получить 700 кг жидкого топлива. При выращивании быстро растущих плантаций биомассы с урожайностью 40 т сухой массы с гектара, можно обеспечить жидким топливом каждый район.

В странах Африки и Южной Америки с теплым климатом, но с недостатком энергоресурсов, в качестве топлива широко используются растительные масла. В этих странах масляничные культуры молено выращивать круглый год. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на любом растительном масле — подсолнечном, рапсовом, кунжутовом и др. (Энергия, 2001, № 1). Автомобиль "фольксваген", работающий на рапсовом масле, расходует 4 — 5 л/100 км топлива. Двигатель экономичнее бензинового. Литр бензина стоит 1 долл., а масла 0,5 долл. В масле нет серы, двигатель не дает вредных выбросов. Производство масла не требует дорогостоящей переработки, как нефть. В Германии действует 15 масляных автозаправок. Стоимость литра масла — 1 марка, бензина — 2 марки. Перспективно использование определенных растений, содержащих повышенное количество углеводородов (до 30%). Это нефтяное дерево в Азии, сирийский ватник, южноамериканское копайбу, эвкалипты в Японии, клещевина, арахис, сахарный тростник, кукуруза. В Бразилии, Индии и США из сахарного тростника и кукурузы получают этиловый спирт, используемый в смеси с бензином (газохол). Из 1 млн т соломы можно получить 100 тыс. т этилового спирта, 140 млн м³ метана и десятки тысяч тонн удобрений. На биотопливе работают автомашины в Дании. Один шофер ездил на перегоревшем масле, оставшемся после обжаривания картофеля в Макдональдсе.

В Бразилии и ряде других стран в качестве топлива используют этиловый спирт, полученный из сахарного тростника. В США на нескольких заводах из биомассы производится 6 млн т топливного спирта в год.

Все большее значение во многих странах приобретает биоконверсия — разложение бытовых отходов без доступа воздуха с получением биогаза и других продуктов.

В России отходы животноводства составляют 20 млн т в год, при переработке которых можно получить 35 млрд м³ метана или 50 млн т у. т. Разработаны биореакторы для средних ферм и индивидуальных хозяйств.

Рис. 19. Биоэнергетическая система переработки куриного помета (ВНИИКОМЖ):

1 — птичник; 2 — сборник помета; 3 — метантенк; 4 — газгольдер; 5 — котел; 6 — центрифуга; 7 — накопитель; 8 — биопруды

В Китае во всех крестьянских хозяйствах используются биореакторы, которые вырабатывают газ из отходов и дополнительно получают компост для удобрения.

Крупный биореактор объемом 6000 м³ работает в г. Пярну (Эстония) при свинокомплексе в 54 тыс. голов. Производство биогаза (12 тыс. м³/сут) осуществляется в метантеках.

В Великобритании в г. Тетфорд действует крупнейшая в своем роде электростанция мощностью 40 МВт, где в качестве топлива используются отходы птицеферм — 400 тыс. т в год. Другая электростанция "Glandford" мощностью 13,5 МВт сжигает в сутки 260 тонн отходов птицеферм и снабжает энергией 26 тысяч индивидуальных домов (Энергия, 2000, № 9).

В Австралии (Энергия, 1997, № 2) сточные воды подвергаются биологической очистке: в небольших бассейнах их разлагают специально подобранными микроорганизмами с выделением метана и сероводорода. Бассейны накрывают пленкой, что позволяет собрать и использовать газы 5—12 тыс. м³ в энергоустановке мощностью 200 кВт. В лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М.В. Ломоносова биомасса используется для интенсивного выращивания микроводорослей с переработкой их в жидкие углеводороды и глицерол.

В институте фундаментальных проблем РАН (Пущино, Московская область) используют синезеленую водоросль анабену для синтезирования водородного топлива. Этой водоросли для фотосинтеза необходим солнечный свет, и она может служить для преобразования солнечной энергии в энергию водорода.

Определенное значение имеет термохимическая конверсия органических веществ (торфа, древесины и др.) с получением искусственного бензина и "синтез-газа".

Таким образом, производство биоэнергии путем сжигания бытовых отходов, биоконверсии органических веществ, использование растительных масел в качестве топлива имеет большие перспективы.

Вторичные энергоресурсы

Огромное количество тепла заключено в продуктах различных производств — раскаленном коксе, металле, шлаке, горячей воде, отработанном паре, горючих газах (коксовом, доменном, конверторном, нефтезаводском). Общий объем такого тепла в пересчете на условное топливо достигает нескольких сотен миллионов тонн. Утилизация горючих газов в качестве топлива производится в значительных масштабах. Некоторые предприятия за счет вторичных источников покрывают до 40% потребности в тепле, используя их для отопления рабочих помещений, жилых зданий, теплиц и др. Общее количество тепла, полученного от вторичных энергоносителей в России в 2000 г. составило 58 млн кал (Энергия, 2001, №9).

Вторая "жизнь" автопокрышек.

Большое количество энергии можно получить, сжигая обыкновенные автомобильные покрышки. В год их образуется огромное количество (тыс. штук): США - 17 000, Россия - 17 000, Япония — 700, Германия — 500, Франция — 400, Канада и Италия — по 200. Перед использованием покрышки измельчают тремя способами:

—с применением каскада дробилок;

—путем непрерывного сжатия и сдвига в замкнутом объеме в экструдерах — измельчителях;

— криогенное измельчение с использованием жидкого азота, воздуха и других газов.

Получаемые продукты состоят на 65% из резинов