Топливо, которое еще недавно ассоциировалось с «синим цветком» газовых плит, уходящих в прошлое, переживает звездный час. Нефти в мире остается все меньше, добывать ее все сложнее, оттого она непрерывно дорожает. Продукты нефтепереработки терпят нападки со стороны экологов как «грязное» топливо. А природный газ и горит относительно чисто, и стоит дешево. Стать «новой нефтью» газу мешала только одна техническая проблема: чтобы транспортировать его как есть, нужно построить дорогущий газопровод. Так из забвения вышла технология, изобретенная еще в начале ХХ века, – сжижение природного газа.
САМЫЙ ЧИСТЫЙ из ископаемых
Есть две гипотезы о том, откуда в недрах земли-матушки взялся природный газ. Первая – он был там всегда. Образовался из изначальных запасов углерода и водорода из-за высокой температуры, давления и каталитического действия естественного радиоактивного излучения. Постепенно этот газ поднимался туда, где давление гораздо ниже, чем в глубинах земной мантии. А когда давление падало настолько, что уже не могло «выдавить» газ из пор горной породы, застревал в ней, как в ловушке. Так и появились известные нам месторождения.
Вторая гипотеза – биогенная. Именно о ней обычно рассказывают в школе. В соответствии с этой гипотезой все природные ископаемые образовались при бескислородном разложении погибших живых организмов. В частности, залежи природного газа возникали там, где раньше было дно древнего моря. Мелкие морские жители, в основном зоопланктон, умирая, опускались на глубину, где почти нет кислорода. Там их органическое вещество: белки, жиры, углеводы – сначала становилось пищей для анаэробных бактерий, а затем из-за тектонических сдвигов земной коры оказывалось погребено под слоем горных пород, и температура с давлением довершали начатое.
Биогенная гипотеза имеет преимущество перед минеральной: она позволяет предсказывать, где нужно искать месторождения. А кроме того, мы можем наблюдать вживую за тем, как микроорганизмы превращают отмершую органику в газ. Такие процессы происходят в болотах, на мусорных полигонах и в искусственных установках для производства газа из отходов. Во всех этих случаях органическое вещество подвергается действию одной и той же цепочки бактерий. Ее первое звено – гидролизные бактерии – разлагают белки, жиры и углеводы на аминокислоты, жирные кислоты и глюкозу. Затем эстафету принимают кислотообразующие бактерии, продукты их жизнедеятельности – уксусная и пропановая кислоты, спирт. Эти же бактерии, разлагая аминокислоты, добавляют в газ примеси аммиака и сероводорода. И наконец в игру вступают метаногенные бактерии – они преобразуют то, что оставили им предшественницы, в метан, воду и углекислый газ. Как результат – природный газ из недр земли, болотный, свалочный и биогаз, который получают в специальных бродильных танках, практически идентичны по составу. Это в основном метан и углекислый газ с примесями сероводорода, гелия и азота. В природном газе могут встречаться, помимо метана, другие углеводороды – этан, пропан, бутан, но немного и не обязательно.
Перед использованием природный газ очищают от примесей. Остается только метан – CH4 – самый простой углеводород, какой вообще может быть, родоначальник ряда алканов. Именно из-за простого строения молекулы метан считается самым чистым горючим. Нефть и ее производные: бензин, керосин, мазут – состоят из нескольких углеводородов с длинными цепями. Для бензина, к примеру, это С6-С8. Когда они горят, в зависимости от условий может получаться целый букет продуктов реакции. Самые опасные для человека – (нитро)полиароматические углеводороды (НПАУ или ПАУ). Они образуются, когда температура реакции оказывается значительно выше, чем нужно для простого горения. Такое происходит, например, в автомобильных двигателях. В результате атомы углерода вступают в реакцию не только с кислородом (тогда выхлопы автомобилей состояли бы полностью из CO2 и воды), но и друг с другом, и с обычным инертным азотом (N2), который всегда есть в воздухе. Получается вещество, например, с вот такой структурой молекулы:
Это бензпирен – самый изученный компонент выхлопных газов. Он и его «братство кольца», то есть циклические полиароматические соединения, – канцерогены. Кроме того, есть подозрение, что они нарушают работу репродуктивной системы и даже вызывают бесплодие. Одиночный же атом углерода в метане ни при каком нагревании не сможет с ходу образовать кольцевые структуры. Так что горит он крайне предсказуемо:
CH4 + O2 → CO2 + H2O
ТАКОЙ ЖЕ, только без крыльев
Сами по себе выбросы углекислого газа, которые сопровождают сжигание любого углеводородного топлива, тоже не хороши. Они вносят значительный вклад в глобальное потепление. Но, во всяком случае, для организма человека CO2, рассредоточенный в атмосфере, безопасен. Так что, пока мы не придумали, как полностью закрыть энергетические потребности человечества без сжигания чего-либо, лучше жечь метан. И кажется логичным, что природный газ, которого к тому же на планете гораздо больше, чем нефти, должен вытеснить ее из энергетической отрасли, как сама нефть когда-то вытеснила уголь.
Но есть проблема. Газ крайне неудобно транспортировать. Даже под давлением он занимает большой объем, и возить его цистернами, как возят нефть, – то же самое, что пытаться обеспечить водоснабжение города, черпая из реки ведром. Надо строить водопровод, то есть – газопровод. Дело это недешевое: строительство газопроводов пожирает большую часть инвестиций в газовую отрасль. К тому же странам, у которых есть запасы газа, гораздо интересней не топить им собственные города и поселки, а отправлять на экспорт. А это значит, что газопровод должен проходить по территории других стран. Сюда уже могут вмешиваться политические конфликты. В проект газопровода вбухивают миллиарды, а потом вдруг отношения с соседями портятся, и вам уже говорят: «А не пошли бы вы отсюда со своим газопроводом?» Так для России закончился в 2014 году проект «Южный поток». В этом смысле для экспортеров было бы здорово, если бы газ был не газом, а жидкостью.
Над сжижением газов, в том числе метана, ученые начали работать еще в XVII веке. На этом поприще засветились такие знаменитости, как Майкл Фарадей, Джеймс Джоуль и Уильям Томпсон (он же достославный лорд Кельвин). Первые патенты на технологии сжижения природного газа были зарегистрированы в начале ХХ века в США. Но тогда эти технологии не нашли места на рынке. Бурно развивалась добыча и переработка нефти, которая еще не была такой дорогой. Да и мир не был столь глобальным: для небольших расстояний проще было построить газопровод, чем ломать голову над внедрением каких-то сложных процессов сжижения.
Про сжиженный природный газ (СПГ) вспомнили в 1940-х, а в промышленности его стали применять только в середине 1960-х. Сейчас, когда для СПГ наступил звездный час, на рынке присутствуют сразу несколько технологий сжижения. Большинство из них – варианты каскадного охлаждения и сжатия. Очищенный природный газ последовательно проходит через несколько контуров с охладителем (в качестве охладителя используют пропан, этилен или тот же метан, а также смесь метана и этана). Перед каждым охлаждением газ дополнительно сжимают. Всего таких ступенек «сжатие-охлаждение» может быть от 5 до 12 в зависимости от технологии. На последней температура газа опускается до –162 °С, при которой он переходит в жидкость. При этом объем уменьшается примерно в 600 раз. Такой газ хранят в герметичных резервуарах, устроенных по принципу сосуда Дьюара. Внешняя оболочка сделана из бетона и стали, внутренняя – из никелированной или углеродистой стали, между ними проложена дополнительная теплоизоляция и обычно циркулирует криогенная жидкость. Часто такие резервуары заглублены в землю. Из них СПГ можно перекачивать в железнодорожные или автоцистерны, но чаще всего сжиженный газ транспортируют по морю – в танкерах, похожих на нефтяные, только оборудованных еще и системой охлаждения. И все – вези газ куда хочешь, из нейтральных вод никакая политика тебя не выгонит. Сегодня самым крупным его потребителем является Япония. Эта небольшая страна полностью закрывает свои потребности в газе импортом СПГ.
А ЕСЛИ убежит?
Однако не все радуются, если их страна начинает использовать СПГ. В 2016 году около 40 экологических организаций выступили против прибытия в Испанию первого танкера со сжиженным природным газом из США. Количество СПГ, находившееся на борту, было эквивалентно 50 тыс. т газообразного метана. Защитники природы опасались взрыва, который, по их словам, был бы аналогичен «взрыву 120 атомных бомб».
На самом деле, взорвать сжиженный метан не так-то просто. Сам по себе он не горюч. Горюча и взрывоопасна смесь метана с кислородом из воздуха, которая может получиться только при утечке. Но и в этом случае (если, конечно, утекли не сразу все 50 тыс. т, что очень маловероятно) метан быстро смешивается с воздухом и его концентрация падает настолько, что возгорание становится невозможным. Немногочисленные случаи пожаров и взрывов на танкерах или заводах связаны, в первую очередь, с нарушением техники безопасности при погрузке и разгрузке СПГ. Грубо говоря, когда герметичность резервуаров нарушается, а рядом кто-то, не заметив утечки, чиркает спичкой. Пострадавших при этом обычно немного – только те, кто находился непосредственно в зоне погрузки.
Но чем дальше развивается индустрия СПГ, тем яснее становится, что всего не предусмотришь. В 2014 году на заводе Williams Companies вблизи города Плимут в США произошла утечка сжиженного газа. Сначала взорвался участок технического трубопровода, и уже его осколки повредили резервуар для хранения СПГ. Из-за угрозы второго взрыва власти эвакуировали людей в радиусе 1,2 км. Второго взрыва не последовало, но этот случай безусловно поставил вопрос о том, на каком расстоянии от жилых домов должны находиться предприятия, работающие со сжиженным газом.
Если нет источника возгорания, то утечка метана в открытое пространство вряд ли нанесет серьезный вред. Сам по себе метан не токсичен. Для людей он опасен, если скапливается в помещениях. Метан легче воздуха, но, если ему некуда рассеиваться, он вытесняет из пространства кислород. Поэтому «отравление бытовым газом» – это, в общем, неверное описание ситуации. При утечках бытового газа люди, если не заметили ее вовремя, умирают от удушья (а чаще – от взрыва газа), но не от отравления.Специфическое ЧП, которое может произойти только с СПГ, – это быстрый фазовый переход. Такое возможно над морем, при массивной утечке сжиженного газа с танкера-газовоза. Вода обладает гораздо большей теплопроводностью, чем воздух, и даже в самом холодном море ее температура явно выше, чем –162 °С. Если большое количество СПГ попадет на поверхность воды, газ стремительно нагреется и перейдет из жидкого состояния обратно в газообразное. А мы помним, что при этом его объем увеличивается в 600 раз. Произойдет взрыв без огня. Возникшая ударная волна запросто может оглушить или покалечить людей и морских животных.
Опасность быстрого фазового перехода плохо изучена, потому что в реальности подобного пока не случалось. Но можно сказать, что в долгосрочной перспективе такие разливы СПГ все равно безопасней для окружающей среды, чем разливы нефти. Разлив СПГ по сути ликвидирует себя сам, а нефтяное пятно может дрейфовать на поверхности океана месяцами и годами. При этом морские обитатели, попавшие в зону его действия, просто задыхаются – маслянистая нефть не дает кислороду проникать в воду. Поэтому экологи, в частности, настаивают, чтобы на СПГ вместо мазута перешли суда, которые курсируют в Арктике по Северному морскому пути.
ВОПРОС цены
Чаще всего СПГ используют как обычный газ – для этого его регазифицируют, то есть испаряют без доступа воздуха. Но сейчас бурно развиваются и технологии, позволяющие применять СПГ в жидком виде, в том числе как топливо для автомобилей, автобусов, морских судов и даже ракетных двигателей. Все это, вместе с относительной безопасностью и экологичностью метана, позволяет некоторым экспертам говорить, что СПГ – это будущее энергетики.
Насчет ближайшего будущего, пожалуй, можно не сомневаться. Но дальнейшую судьбу СПГ будут определять законы рынка. Сейчас газ, в том числе сжиженный, кажется перспективным топливом еще и потому, что он дешев. В конце июля 2019 года на бирже газ стоил около $79 за 1000 м3. Фактически, за последние 10 лет он ни разу не стоил дешевле. Не последнюю роль в этом снижении играют высокие цены на нефть. Природный газ встречается не только в виде самостоятельных месторождений, но и в составе газовой смеси, растворенной в нефти. Иногда газ даже залегает шапкой над нефтью в месторождении. Это так называемый попутный газ. Раньше его попросту сжигали. Это наносило урон окружающей среде, и сегодня в большинстве стран за сжигание попутного газа положен штраф. В Канаде подобная практика и вовсе запрещена. Для нефтедобытчиков этот газ не представляет интереса по сравнению с дорогостоящей нефтью, и его продают за бесценок.
Однако если цены на газ вырастут из-за высокого спроса или выработки нефтяных месторождений, то конкуренцию ему на рынке начнут составлять альтернативные источники энергии. В 2017 году консалтинговая компания Lazard выпустила отчет, в котором проанализировала изменение средней себестоимости выработки 1 МВт⋅ч энергии разными источниками. Уже тогда выяснилось, что в среднем энергия солнца и ветра стоит дешевле, чем энергия, которую получают на газотурбинных электростанциях. То есть распространение альтернативной энергетики сейчас ограничено скорее технически, чем экономически. Не во всех странах есть достаточно солнца, ветра и банально территории – ветряки и солнечные панели занимают много места. Но это проблема развития технологий, а они никогда не стоят на месте. Так что вопрос, долго ли в энергетической отрасли будет цвести «синий цветок», остается открытым.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
