Как сжиженный газ завоевывает мир

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.

 Английский химик Джон Дальтон собирает газ в болоте. Фреска Форда Мэдокса Брауна, www.en.wikipedia.org

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:

Фото: imre74, www.yahoo.com/entertainment

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.

Иллюстрация: Shell Global Solutions International BV

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.