«Твёрдый газ» — альтернативное решение для транспортировки сырья
Чтобы доставить добытый газ до потребителей, традиционно используют трубопроводы, а в последнее время всё большую популярность приобретает СПГ. Но, возможно, скоро в России появится ещё одна альтернатива. Речь идёт о перевозке метана в виде гидратов. О перспективах технологии «твёрдого газа» нам рассказали в Казанском федеральном университете.
Секрет получения «твёрдого газа»
Что же представляет собой «твёрдый газ» и как его получают? Начнём с того, что ничего невозможного в этом нет. Кроме того, в естественных условиях большое количество метана как раз находится в кристаллическом состоянии. Речь идёт о так называемых газовых гидратах. Задача учёных ― воспроизвести процесс их образования и поставить его под контроль. Над её решением как раз и работают в КФУ на базе молодежной лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов, поддержанной Министерством науки и высшего образования РФ.
«В установку подаются газ и вода, затем они начинают связываться под давлением, что приводит к гидратообразованию. Чтобы ускорить этот процесс, мы используем специальные ускорители, так называемые промоторы. Полученный гидрат спрессовываем, в результате мы получаем пеллету, внешне похожую на таблетку „сухого льда”, которую используют в школах при проведении лабораторных работ. Затем его изучаем на стабильность», ― рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории гидратных технологий утилизации и хранения парниковых газов КФУ, канд. техн. наук Матвей Семенов.
Надо сказать, что работу не пришлось начинать с нуля, учёные опирались на уже имеющуюся теоретическую базу. В КФУ уже давно ведут разработку ингибиторов для предотвращения гидратообразования в трубопроводах.
«Если оценивать TRL (technology readiness levels ― уровни технологической готовности, ― прим. ред.) применительно к гидратной технологии в мире, то кинетические ингибиторы достигли TRL 9, то есть их можно использовать при транспортировке. В настоящее время проходят опытно-промышленные испытания. Зарубежные разработки фирмы BASF применяют при сборе и транспортировке нефти и газа по трубопроводам.
Мы стараемся удешевить эти реагенты, чтобы получить ингибитор из отечественного сырья, который будет стоить меньше, чем зарубежный аналог. Завозить вещества из-за рубежа пока не получается, к тому же сейчас идёт общий тренд на импортозамещение.
И как раз в этой области трудятся наши химики. Работа выстроена так, что они синтезируют новые соединения, и в лаборатории мы имитируем ту среду, где эти реагенты будут применяться, то есть создаём критические условия гидратообразования и смотрим, как влияют эти вещества на процесс», ― объяснил Матвей Семенов.
Не замена, а альтернатива СПГ
Какое же применение может найти новая разработка в России? По словам руководителя лаборатории, директора технологического парка «Малотоннажные химические технологии» КФУ Михаила Варфоломеева, «твёрдый газ» может стать альтернативой существующим технологиям хранения и транспортировки углеводородов.
«Сегодня на месторождениях много ПНГ (попутного нефтяного газа), встаёт вопрос, что с ним делать. Все знают о СПГ, трубопроводных поставках. Но газ можно транспортировать и в твёрдом виде. На одну единицу объёма гидратов можно хранить до 170 единиц газа, что больше, чем в обычном газовом баллоне, и намного безопаснее. К тому же эта технология хорошо подходит к нашим специфическим климатическим условиям. С помощью специальных химических добавок нам удалось хранить „твёрдый газ” при температуре –20…-10 °C, а в будущем хотим довести до –5 °C и без давления.
Для сравнения, для обеспечения стабильности СПГ нужна температура ниже –162 °C. То есть в нашем случае условия более мягкие и в большинстве регионов страны обеспечены самой природой. Таким образом, этот проект можно реализовать без существенных вложений в инфраструктуру. Понятно, что это пока идея. В лабораторных условиях мы уже протестировали, сейчас изготовили пилотную установку для получения газогидратных пеллет. Собираемся и дальше это направление развивать, видим в нём большой потенциал», ― отметил Михаил Варфоломеев.
Как поясняют разработчики, пеллета может храниться в атмосферных условиях за счёт эффекта самоконсервации: гидрат покрывается коркой льда, которая задерживает разложение. СПГ при такой температуре сразу начнёт вскипать и испаряться. Впрочем, ученые подчёркивают, что «твёрдый газ» не призван заменить СПГ или трубопроводы, технология рассматривается, скорее, как дополнение к имеющимся.
«Она подходит для небольших объёмов, например малых и средних месторождений, где нерентабельно производство СПГ, или для труднодоступных мест. Это, скорее, локальная технология, рассчитывать, что по морю поплывут огромные танкеры, гружённые „твёрдым газом”, не стоит.
В мире гидратные технологии рассматриваются также с точки зрения захоронения углекислого газа в пласте. В наших условиях технология может быть актуальна в тех местах, где нужно снизить сжигание попутного нефтяного газа. Например, на месторождении мы переводим ПНГ в гидрат и затем везём его до места переработки, где из него выделят ценные компоненты: метан, этан, бутан-пропановую смесь.
Либо будут использовать его для выработки электроэнергии или отопления. Эти пеллеты можно перевозить в обычном рефрижераторе. Потери, конечно, будут, но, по предварительным данным, не более 10%. Как раз в этом направлении мы работаем: какие температуру и давление нужно поддерживать для снижения потерь. Это наша следующая задача», ― пояснил Матвей Семенов.
Кооперация ― залог успеха
Пока технология находится на стадии лабораторных исследований. Впереди сложный этап масштабирования полученных результатов. Впрочем, шансы на успех повышает то, что учёные КФУ будут работать над этим проектом не в одиночку.
«У нас в стране сложилось своего рода гидратное сообщество. Так, в области технологии „твёрдого газа”, ингибирования и промотирования гидратообразования Казанский федеральный университет сотрудничает с РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Томским политехническим университетом,
Институтом неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Сколтехом, Институтом криосферы Земли СО РАН и др. У каждого из нас есть свои сильные стороны. Например, в Томске разработали реактор на 25 литров. Для сравнения: у нас он на 250 мл, совсем небольшой. Соответственно, они научились получать гидраты большого объёма. В РГУ им. И. М. Губкина есть серьёзные компетенции по изучению ингибиторов гидратообразования.
А в Институте неорганической химии существуют одна из авторитетных лабораторий по клатратным соединениям. В свою очередь, у нас есть установка по пеллетированию, плюс широкие возможности в плане разработки химии для управления процессами гидратообразования.
В частности, речь идёт о промоторах, ускорении образования и изучении стабильности гидратов. Мы будем объединять наши знания и возможности, вместе продвигать гидратные технологии. И в рамках этого сообщества будем выходить на индустриальных партнёров со своими наработками, чтобы перейти на более крупный масштаб», ― рассказал Матвей Семенов.
Для промышленного внедрения также нужно решить вопрос с регазификацией. Пока в КФУ не проводили соответствующих экспериментов. Эту задачу в университете планируют решить в следующем году.
«В настоящее время мы активно прорабатываем систему контроля процессов диссоциации гидратов и проводим сравнительный анализ стабильности различных типов гидратных пеллет при долгосрочном хранении. Что касается технологии регазификации, то к разработке этого направления мы планируем приступить на следующем этапе исследований. Однако, по предварительным оценкам, эта задача представляется наименее сложной по сравнению с другими технологическими стадиями процесса», ― объяснил учёный.
Ещё один важный вопрос ― это оборудование. Лаборатория начала работу в 2020 году, до введения санкций удалось закупить автоклав с сапфировыми стёклами, систему исследования газовых гидратов Rocking Cell System (так называемые качающиеся ячейки).
«Сейчас мы используем российское оборудование. Пришли к тому, что не покупаем готовые установки, а сами собираем их из комплектующих. Работаем с отечественными производителями, у которых есть специальные наработки по научно-исследовательскому оборудованию для нефтегазовой отрасли. Они могут сделать чертёж, подогнать, выточить нужные детали для наших нужд. Сейчас у нас уже шесть российских установок для получения и изучения газовых гидратов как в динамических, так и статических условиях, в том числе в пористой среде», ― прокомментировал текущее положение дел Матвей Семенов.
Когда технология выйдет на рынок?
Изыскания ведут как на государственные деньги, так и при поддержке нефтегазовых компаний. Разрабатывали установку в рамках научного центра мирового уровня в Казани. Создание и оценка эффективности химических промоторов гидратообразования ведутся при содействии Министерства науки и высшего образования РФ. Также коллектив учёных выигрывал гранты Российского научного фонда.
«Мы обосновали необходимость финансирования актуальностью и практической значимостью данного направления. Во всём мире гидратная технология сейчас на пике популярности. И мы тоже должны актуализировать и использовать наши знания, возможно, что‑то брать из зарубежных разработок и развивать в России.
Ну и параллельно у нас ведутся проекты с „Газпромнефть НТЦ”. Крупные нефтегазовые компании тоже заинтересованы в альтернативных технологиях и занимаются поиском новых перспективных направлений. Гидратные технологии также развиваются в рамках этих проектов», ― отметил представитель КФУ.
Но дальнейший прогресс в любом случае подразумевает переход на коммерческие рельсы. Впрочем, разработчики оценивают рыночные перспективы «твёрдого газа» сдержанно и не готовы назвать конкретные сроки его внедрения в нефтегазовых компаниях.
«Следует понимать, что полная реализация технологии зависит не только от нашей научной работы. Как исследователи, мы фокусируемся на выявлении и изучении фундаментальных закономерностей, которые могут иметь практическое применение. Однако, работая в лабораторных условиях, мы неизбежно имеем ограниченное представление о полной картине логистических цепочек, производственных процессов и экономических реалий отрасли.
Критический момент наступает, когда нефтегазовые компании начинают рассматривать наши разработки через призму экономической целесообразности и технической интеграции в существующие системы. Именно здесь могут возникнуть существенные барьеры для внедрения. В российских условиях путь от научной разработки до промышленного внедрения занимает продолжительное время, что связано с консервативностью отрасли и высокими требованиями к технологиям.
Особенно важно учитывать инерционность существующей инфраструктуры. Замена устоявшихся технологических решений требует детального обоснования и колоссальных инвестиций.
Реалистичная задача на ближайшую перспективу — демонстрация технологии в промышленных условиях на действующих месторождениях. Цель состоит в том, чтобы доказать возможность эффективного связывания определённых объёмов попутного нефтяного газа в гидратную форму с последующим использованием или долгосрочным хранением.
После получения убедительных промышленных данных решение о масштабировании и коммерциализации технологии будет принимать нефтегазовый бизнес на основе комплексного технико-экономического анализа», ― рассудил Матвей Семенов.
Чем ещё могут быть полезны исследования гидратов?
Впрочем, гидратные технологии ― гораздо более широкое понятие. И их возможности не исчерпываются транспортировкой газа в твёрдом виде. В КФУ не исключают, что через пять лет будут развиваться совсем другие направления. Так, за рубежом активно ведутся разработки в сфере добычи «природных гидратов».
«Мы знаем, что в мире очень много запасов метана в твёрдом виде. Это уже давно доказано. Каждый год на конференциях рассказывают о новых открытиях в разных уголках земного шара. Но пока нет промышленной технологии их добычи, ведутся опытно-промышленные испытания различных решений. Те страны, у которых нет традиционных запасов природного газа или нефти, как раз активно занимаются исследованиями в этом направлении.
Основная техническая проблема связана с геомеханической нестабильностью продуктивных пластов при диссоциации гидратов. Разложение гидратных структур приводит к резкому изменению порового давления и механических свойств породы, что может вызвать обрушение скважин и деформацию морского дна.
Перспективным решением считается технология замещения метана углекислым газом с образованием более стабильных CO₂-гидратов, что позволяет поддерживать структурную целостность пласта при одновременном решении задач утилизации парниковых газов. Лидерами в области промышленных разработок являются Китай и Япония, которые уже проводят пилотные испытания добычи на морских месторождениях.
В России изучением природных гидратов занимаются пока не на прикладном, а на фундаментальном уровне. В первую очередь это Байкальский лимнологический институт, ВНИИОкеанология в Санкт-Петербурге, Сколтех, научные центры во Владивостоке и Якутске», ― рассказал сотрудник КФУ.
Возвращаясь к «твёрдому газу», можно выделить ещё одну возможность: транспортируя гидрат, можно привезти и воду. А в некоторых условиях это ресурс более ценный, чем метан.
«В одном кубе гидрата может быть до 800 кг воды. Это очень много. Некоторые специалисты говорят нам: „Вы просто везёте воду”. Да, можно и так смотреть. Но, с другой стороны, она тоже где‑то очень нужна. Поэтому мы значительно снизили концентрацию промотора, к тому же сделали его безопасным для живых организмов.
В структуру гидрата встраиваются именно молекулы Н2О, а не ионы соли. В некоторых странах эту технологию используют для опреснения морской воды. То есть она экологична, безопасна и подходит для наших суровых условий, потому что для неё необходимы минусовые температуры», ― отметил Матвей Семенов.
Резюмируем: не стоит ожидать, что использование «твёрдого газа» для транспортировки сырья кардинально изменит индустрию. Но вполне возможно, что мир находится на пороге очередной революции, на этот раз не сланцевой, а гидратной. И результаты, полученные российскими учёными сегодня, уже в ближайшем будущем станут определять облик отрасли.
Текст: Андрей Халбашкеев.
Фото редакции PromoGroup Media.
