Газогидраты: замерзшее топливо будущего

Энергетика Полезные ископаемые
Максим Майоров
31 Августа, 2020 | 21:51
Газогидраты: замерзшее топливо будущего
Фото: CanGeo-Photo-Club

 

Природные газовые гидраты (ПГГ) или «горючий лед», как их еще называют, представляют из себя твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных температурах и давлениях из воды и низкомолекулярных газов. По виду они похожи на грязноватый снег, могут гореть, легко распадаются на воду и газ при повышении температуры.  Их характерной особенностью является высокое содержание метана: из одного кубометра ПГГ можно получить более 160 куб. м этого газа. 

По способу происхождения их делят на технические и природные. Технические газовые гидраты, обычно возникают в местах добычи природного газа – в стволах скважин, трубопроводах, призабойных зонах и так далее. Это не очень хорошо для технологических процессов, поскольку образование гидратов, в, скажем, трубопроводе, может привести к его закупориванию, и как следствие, аварии. В то же время, они могут использоваться для разных технических нужд, вроде опреснения морской воды, очистки и разделения газа, его хранения в больших объемах и других операций. Природные газовые гидраты образуются вне технических объектов, в местах с низкими температурами и одновременно высоким давлением – в зонах вечной мерзлоты, в озерах, морях и океанах, на глубине от 300 до 1500 метров.

Более подробно про это можно прочитать здесь.

 

Кристаллы газовых гидратов состоят из молекул газа, впаянных в каркас из молекул воды. Фото: О. Хлыстов, Наука из первых рук

 

Залежи газовых гидратов огромны. Как отмечает доктор геолого-минералогических наук, профессор Владимир Якушев:

«В природных гидратах содержится от 2000 до 5000 трлн кубометров газа. Значительная часть этих газовых ресурсов расположена в арктических широтах, так как именно наличие мощного (более 300 метров) слоя вечной мерзлоты создаёт необходимые условия для гидратообразования, а в океане холодная вода позволяет образовываться газогидратам уже с глубины 250-300 метров».

Как источник минеральных ресурсов они очень перспективны, поскольку по своему объему превышают запасы других полезных ископаемых. С одной стороны, из одного кубометра гидрата можно добыть более 160 куб. м метана. С другой, в них можно хранить парниковые выбросы.

«Это не только самый богатый на нашей планете источник углеводородного газа, но и возможное вместилище для углекислого газа, который считается парниковым. Можно убить двух зайцев – добыть метан, сжечь его для получения энергии и закачать на его место полученный при сжигании углекислый газ, который займет место метана в гидрате», – говорит заместитель директора по научной работе Тюменского филиала Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН Наиль Мусакаев.

 

Фото: ecologynow.ru

 

Первые пробы

Сейчас на них обратили внимание те страны, у которых нет серьезных запасов углеводородов. До конца 2000-х годов все они проводили исследования в этой области и только потом приступили к практическим шагам.

Первой ПГГ начала добывать Канада. В 2008 году на месторождении Маллик было добыто 13 тыс. куб. м газа. Далее эстафету приняла Япония, являющаяся крупнейшим в мире покупателем сжиженного природного газа. В этой стране наиболее крупные месторождения ПГГ, были обнаружены в Нанкайской впадине у восточного побережья Японии. Там в ходе тестовых экспериментов в 2013 и 2017 гг., компания JOGMEC успешно добыла природный газ из гидратов метана, открыв только на этом участке «потенциальный депозит в 1 триллион кубических метров природного газа – по самым скромным подсчетам». Промышленную добычу ПГГ японцы планировали начать с 2019 года.

Следом за Канадой и Японией двинулись Южная Корея и Китай. В 2018 году Южная Корея приступила к разработке залежей ПГГ в Японском море, в 135 км к северо-востоку от порта Пхохан. В мае 2017 года китайский государственный телеканал CCTV сообщил, что в течение 10 дней в Южно-Китайском море китайские газовики добыли из отложений гидрата 120 тыс. м3 метана. А в первом квартале 2020 года они добыли уже в 3 раза больше - 861,4 тыс. кубометров газа. По оценкам специалистов из КНР, запасы газовых гидратов в Китае оцениваются в 80 млрд тонн.

 

Испытание добычи гидрата метана на шельфе у побережья Японии. Фото: Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

 

Индия создала свою национальную исследовательскую программу по газогидратам в середине 1990-х годов. Главным объектом ее исследований является месторождение Кришна-Годавари в Бенгальском заливе. Своя программа по ПГГ есть и у США. Там уже известно о газогидратных ресурсах, найденных недалеко от юго-западного побережья США, по оценкам специалистов, с их помощью может быть удовлетворена 100-летняя потребность страны в газе. Наблюдается интерес к ним и в Турции: сейчас Анкара ведет геологоразведочные работы к югу от острова Кастеллоризо, где обнаружено одно из крупнейших месторождений ПГГ в Восточном Средиземноморье.

На сегодняшний день обнаружено уже более 220 месторождений газогидратов: вблизи берегов США, Канады, Коста-Рики, Гватемалы, Мексики, Японии, Южной Кореи, Индии и Китая, а также в Средиземном, Черном, Каспийском, Южно-Китайском морях. Специалисты предполагают, что скопления ПГГ есть в Аравийском море, вблизи западного побережья Африки, у берегов Перу и Бангладеш.

Но пока их добыча идет в сравнительно небольших масштабах, главным образом из-за постоянно возникающих, не до конца решенных проблем. Так, китайцы были вынуждены бурить скважины на очень большой глубине, а это оказалось не только неудобно, но и пришлось использовать очень дорогие технологии. В целом, стоимость промышленной разработки месторождений газогидратов оценивается в $175–350 за 1000 куб. м., что пока существенно дороже других известных способов добычи природного газа.

Кроме того, есть опасность для окружающей среды и людей. При разработке месторождений ПГГ велика вероятность неконтролируемых утечек метана, которые могут нанести не только экологический ущерб, но и привести к куда более тяжелым последствиям. Хороший пример тому – гибель 11 человек после взрыва на буровой платформе Deepwater Horizon в 2010 году. По словам профессора Калифорнийского университета в Беркли Роберта Би, это произошло из-за того, что проходчики неаккуратно вскрыли донные залежи газогидратов, в результате чего сдетонировал находившийся в них метан.

Отдельно стоит проблема их транспортировки. На данный момент в качестве основной используется японская технология перевозки гидратов в замороженном состоянии. Гидраты замораживаются в специальной установке, далее разделяются на блоки, которые затем грузятся в специальные контейнеры и отправляются в рефрижераторах к месту назначения. Если речь идет про Арктику, то их можно перевозить, как уголь, в открытых вагонах или любых емкостях.

 

Фото: biicl.org

 

А что же в России?

В России ситуация с газогидратами складывается несколько иначе. В этом отношении потенциал у нас есть: по оценкам Газпром ВНИИГАЗ, ресурсы метана в газогидратах на территории РФ составляют от 100 до 1000 трлн кубометров, в арктической зоне, в том числе морях, – до 600-700 трлн. Но заявления экспертов и официальные документы говорят о том, что в ближайшие 10-40 лет РФ вряд ли будет вести разработку месторождений ПГГ, главным образом, из-за еще не исчерпавших себя до конца месторождений обычного газа.

«Газодобывающие компании имеют достаточное количество запасов традиционного газа, поэтому рассматривают технологии добычи газа из газогидратов как задел на долгосрочную перспективу. По моей оценке, промышленная добыча в РФ начнется не ранее чем через 10 лет», – говорит Заместитель директора Центра добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий (Сколтеха) Алексей Черемисин.

А в Прогнозе развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2035 года прямо сказано, что газогидраты могут стать «фактором в мировой энергетике только через 30-40 лет».

 

Фото: angi.ru

 

Поэтому сейчас основной упор делается на создание технологий для бурения, чем и занимаются российские ученые. Самой перспективной из них, является математическое моделирование. Оно ориентировано на соблюдение экологических стандартов при разработке месторождения. Кроме того, математическая модель позволяет прогнозировать способы разработки газогидратных залежей, а также оценить их экономическую эффективность. На подходе и другие методики: специалисты Сколтеха предложили извлекать метан из газогидратов путем закачки воздуха в пласт породы. В пласт закачивается углекислый газ или азот, и газогидраты из-за разницы в давлении разлагаются на составляющие.

«Этот метод – более экономичный по сравнению с существующими, и меньше влияет на окружающую среду», – поясняет ведущий научный сотрудник Центра добычи углеводородов Сколтеха Евгений Чувилин.

Так что пока серьезных прорывов в этой области ожидать не стоит. Но, несмотря на это, движение в этом направлении постоянно идет, поэтому можно с уверенностью надеяться на то, что рано или поздно процесс сдвинется с мертвой точки.

 

***

Максим Майоров, специально для GoArctic

далее в рубрике