Перспективный газ

Несмотря на недостаток финансирования, в Украине продолжаются разработки технологий добычи газогидратов

Гидраты метана — один из самых перспективных источников энергии, коммерческое использование которого может начаться в обозримом будущем. В Украине пока еще нет эффективных промышленных технологий добычи метана из газогидратных месторождений. Тем не менее, по мнению доктора технических наук, ведущего научного сотрудника Института газа НАНУ Геннадия Жука, современные технологии позволяют использовать свойства метангидратов для транспортировки природного газа. Об этом и о других вопросах, связанных с возможностями этого источника энергии, ученый рассказал в интервью "ЭнергоБизнесу".

Нина ШЕРШОВА

— Геннадий Вилиорович, какие исследования ведутся в области добычи метангидратов в Украине. Можно ли уже говорить о каких-то результатах?

— Природные газогидраты оказались в фокусе внимания ученых относительно недавно — около двадцати лет назад. Активно изучать этот потенциальный источник энергии начали в США, позже к исследованиям присоединились и другие страны, в частности, Япония, Канада, Россия и Индия. После начала "сланцевой революции" разработки в США пока приостановились, но в других странах они по-прежнему продолжаются. В Украине этим вопросом занимался Институт геологических наук НАНУ. В 90-х гг. были проведены исследования в Черном море в соответствии с постановлением КМ №938 от 22.11.93 г. "О поисках газогидратного сырья в Черном море и создании эффективных технологий его добычи и переработки". В результате были обнаружены три зоны залегания метангидратов, запасы газа в которых оценивались в 50-60 трлн куб м метана. По оценкам ученых, с одного горизонта многослойной структуры месторождения можно получить 40-60 млрд куб м метана, а коэффициент добычи составит 10%.

Но в Украине, как и в мире, до сих пор нет эффективных промышленных технологий добычи метана из таких месторождений. Если они будут созданы, коммерческая разработка месторождений метангидратов может начаться к 2030 г.

— Какие разработки в этой области ведутся непосредственно в Институте газа?

— Мы создали первую в Украине установку для исследования гидратов метана (гидратный стенд СГ-16: 100). На ней мы изучаем процессы образования и распада гидратов метана и углекислого газа, а также проводим эксперименты по замещению метана в гидратах углекислым газом. В будущем эта установка позволит моделировать схемы добычи метана из гидратов, а также исследовать технологии их хранения и перевозки.

На установке мы искусственным путем получили гидраты метана и зафиксировали условия, когда они образуются. Давление в ее рабочей камере может достигать 100 атмосфер, а температура варьируется от комнатной до -16°C. Наши ученые изучают, как меняются условия образования гидратов метана в зависимости от состава воды, ее солености, наличия примесей или взвесей. После того, как будет накоплено достаточно данных, можно будет в сотрудничестве с геологами определять, где существуют подходящие условия для образования гидратов метана. Если геологи дадут нам образцы грунта на месторождении и воды, мы сможем опытным путем узнать, как нужно воздействовать, чтобы разложить гидраты и извлечь метан. Руководит этими исследованиями заместитель директора по научной работе Института газа НАН Украины Александр Пятничко.

— Есть ли у украинских месторождений метангидратов какие-либо особенности?

— Метангидраты Черного моря, как и у берегов Японии, залегают под морским дном. Для добычи метангидратов в Японии использовалась технология, подразумевающая понижение давления в месте извлечения метана. После понижения давления нарушалось термодинамическое равновесие в системе метан-вода-гидрат метана и начинал выделяться газ.

На северо-западе Канады в зоне вечной мерзлоты есть месторождение, где метангидраты находятся на небольшой глубине. Для их добычи использовались разные методы, но самые эффективные результаты были получены при замещении метана в метангидратах смесью углекислого газа и азота.

— Какую технологию добычи гидратов метана вы считаете наиболее перспективной?

— На сегодняшний день все технологии добычи метана из гидратов основаны на нарушении термодинамического равновесия в системе метан-вода-гидрат метана при помощи понижения давления, локального повышения температуры и добавления третьего активного компонента, в роли которого выступает углекислый газ. Метод понижения давления, который был опробован у побережья Японии, имеет свои технические недостатки. При локальном понижении давления метангидраты переходят в неустойчивое состояние, и начинает выделяться газ. Но при этом постепенно понижается температура, и метангидраты становятся стабильным соединением, т.е. выделение газа прекращается. Повторное понижение давления снова вызовет выделение газа, и снова локально понизится температура, а газ перестанет выделяться. В конце концов, температура снизится до нуля, а при этом происходит так называемая самоконсервация метангидратов — метан оказывается внутри ледяных капсул.

Таким образом, несмотря на подходящие условия, газ не выделяется, потому что не может пробить толстые стенки этих капсул. У этого способа (добыча путем понижения давления) есть и другие недостатки — он весьма энергозатратный, и расход энергии на поддержание условий, необходимых для извлечения метана, может превысить энергетическую выгоду от полученного газа.

Локальное повышение температуры в месте залегания метангидратов — еще более энергозатратный способ. Эти соединения на 70-80% состоят из воды, а вода обладает очень высокой теплоемкостью. Чтобы нагреть эту воду, потребуется много электроэнергии, и неизвестно, окупит ли полученный метан эти расходы.

Я считаю самым перспективным способом метод замещения метана в гидратах углекислым газом. Теплота разложения гидратов метана примерно равна теплоте образования гидратов углекислого газа. Если закачивать углекислый газ взамен высвобождающегося метана, эффекта понижения температуры не будет, и процесс не потребует дополнительного тепла.

Равновесные кривые образования гидратов СО₂ и СН₄

По данным Института газа НАН Украины

Кроме того, этот метод имеет преимущества и с экологической точки зрения. Глобальное потепление стимулирует разложение метангидратов, залегающих на дне моря, и метан начинает неконтролируемо выделяться в атмосферу. Он является парниковым газом, и при повышении его концентрации в атмосфере ее температура повышается. Так образуется замкнутый круг — глобальное потепление вызывает разложение метангидратов и выделение метана, что, в свою очередь, способствует глобальному потеплению.

Замещая в гидратах метан на углекислый газ, мы защищаем их от неконтролируемого распада, связанного с глобальным потеплением, и одновременно сокращаем выбросы одного из основных парниковых газов. Парниковый эффект метана в 20 раз сильнее, чем углекислого газа.

В Японии этот метод не использовали, потому что и тут есть свои технологические сложности. В первую очередь, для того чтобы разложились гидраты метана, должны образоваться гидраты углекислого газа. Их образование может занимать доли секунды, а может — несколько суток или год, что экономически невыгодно. Это зависит от внешних факторов и условий, в частности, от солености воды. Мы пытаемся решить эту проблему на нашей установке.

— Как далеко продвинулись исследования в области транспортировки природных гидратов метана?

— Я считаю, что перевозка гидратов метана, добытых с природных месторождений, нерентабельна. Гидратное месторождение выглядит как вкрапления газа в песке или льде. Оно может состоять на 70% из льда, и всего на 30% — из метана, и извлечь часть глыбы льда для перевозки достаточно трудно. Даже если это будет возможно, то затраты энергии на работы по извлечению и транспортировке будут очень велики.

В Японии не так давно освоили перевозку т.н. искусственных гидратов — метана в капсулах (пеллетах) из метана и воды. Технология производства таких капсул уже апробирована, и создано производство гидратных капсул производительностью 0.7 т/сутки. Одна тонна таких гранул содержит порядка 160 куб м газа. Гранулы хранятся в бункерах и транспортируются по морю при температуре около -20°С практически при атмосферном давлении, в то время как сжиженный метан нужно перевозить при -162°С и повышенном давлении. Перевозки "гранулированного" метана более безопасны, по сравнению с жидким метаном, потому что при аварии танкера, перевозящего сжиженный газ, есть высокий риск его быстрого перехода в газообразное состояние, что приведет к локальной экологической катастрофе. В отличие от сжиженного метана, гидратные капсулы выделяют газ очень медленно из-за эффекта самоконсервации. Единственным недостатком такого метода является то, что метан занимает всего четверть полезного объема бункера.

Ориентировочные капитальные затраты для различных способов транспортировки природного газа.

По данным Института газа НАН Украины

В Японии искусственно получают гидраты метана (NGH) на терминале СПГ. Полученные гидраты японцы перевозят в маленькие поселки, куда невыгодно тянуть трубопровод. Это актуально и для Украины, ведь у нас в стране тоже планируется строительство такого терминала. Расходы на транспортировку метана в таком состоянии оценивались различными специалистами, в том числе Норвежского научно-технологического университета. Согласно расчетам норвежских специалистов, расходы на перевозку NGH примерно на 12-26% меньше по сравнению с затратами на транспортировку LNG, в зависимости от объемов и дальности перевозок.

Конечно, сравнивать транспортировку NGH и LNG не совсем корректно, ведь уже давно накоплен опыт перевозок жидкого метана, в то время как технологии перевозки метана в капсулах только начинают развиваться. Но нельзя не признать их перспективность, особенно для Украины. В этой области нужно проводить эксперименты, реализовывать модельные перевозки и, возможно, в будущем создать пилотный проект. Нужно выделять средства на развитие технологий по добыче и транспортировке гидратов метана. Пусть они будут составлять всего один процент или полпроцента от тех средств, которые сейчас тратятся на сланцевый газ, но этим надо заниматься, чтобы иметь альтернативу.