Меняющие жизнь технологии − это прежде всего технологии энергетики, транспорта, связи и продовольствия, которые составляют основу материальной жизни человечества. Зрелища − от поединков гладиаторов до Тик-тока − востребованы, но легко заменяемы аналогами, тогда как электроэнергию заменить нечем. В статье рассмотрены модные и не очень технологии, связанные с ТЭК, но к некоторым из них есть вопросы.
Мировая электроэнергетика в 2022 году, %
Угольные технологии – не все потеряно
На кратко- и среднесрочную перспективу мировая электроэнергетика будет опираться на уголь, поэтому угольные технологии остаются в центре внимания энергетиков всего мира, хотя о них не принято писать в СМИ. И ассортимент этих технологий довольно широк.
На 2022 год уголь обеспечивал около 35% мировой электрогенерации (см. «Мировая электроэнергетика в 2022 году»).
При текущем потреблении мировые запасы угля оценивают от 180 до 300 лет (нефти − 40 лет, газа − 80 лет). По оценкам Международного энергетического агентства, на долю угля в 2040 году придется большее количество произведенной электроэнергии, чем на все возобновляемые источники энергии вместе взятые (за исключением гидроэлектростанций). Соответственно, страны, развивающие реальный сегмент экономики, ускоренно строят угольные электростанции. Впереди всех Китай, который на энергии угля построил самую крупную экономику мира (см. «Энергоисточники Китая» и «Добыча угля в мире»).
В Китае самое большое количество действующих угольных электростанций – более 3100, а в Германии, крупнейшей экономике ЕС, – около 60. За Китаем тянутся другие страны Азии. Около 90% новых угольных электростанций в ближайшие пять лет будут построены именно в Азии, при этом около 70% из них будет сверхкритическими и ультракритическими − это режимы работы водяных котлов при температуре воды свыше критической точки воды 374°C и до примерно 600°C под давлением до 30 МПа. КПД таких электростанций достигает 48% за счет более высокой температуры теплоносителя при 30% для станций с докритической температурой воды.
Стоимость угольной генерации минимум в 1,5-2 ра - за ниже ветряной и солнечной генерации, а реально – еще ниже.
Новые угольные станции используют технологии улавливания выбросов (типа HELE), что позволяет строить их вблизи крупных городов без ухудшения качества воздуха.
Совершенствование угольной отрасли во многом зависит от развития технологии обогащения угля. В индустриально развитых странах обогащается от 70 до 90% всех добываемых углей. Признанные мировые лидеры в обогащении углей – ЮАР и Австралия, которые 100% экспортируемых углей подвергают обогащению. В Индии введен законодательный запрет на перевозки угля с зольностью более 34% на расстояние свыше 1000 км.
Энергоисточники Китая
Добыча угля в мире
В энергетике России применяют в основном низкосортные угли валовой добычи, основная масса угля не подвергается обогащению, что сдерживает развитие угольной генерации перед газовой.
Однако бум ВИЭ отодвинул в сторону разработку передовых угольных технологий. Среди них, например, сжигание угля в псевдоожиженном слое. В данной технологии угольная пыль подается при температуре около 900°C на раскаленный известняк, который частично поглощает окислы серы (в обычных пылеугольных топках температура в зоне горения 1300-1500°C). Более низкая температура уменьшает образование окислов азота, а также в таких топках можно использовать угли с очень высоким содержанием золы.
Огромные запасы сибирского газа остановили развитие технологий угольной газификации, для которой наилучшим образом подходят малозольные бурые угли Канско-Ачинского бассейна с 45%-ным содержанием летучих веществ, а также длиннопламенные угли Кузбасса и Хакасии. С газификации угля в начале 19-го века началась эра использования горючего газа для освещения («городской газ»). Весьма возможно, что человечеству придется вернуться к этому процессу, так же как к процессу получения из угля жидкого топлива.
Переработку угля (и природного газа) в горючие жидкости умные правительства пока особо не тиражируют, но технологии отрабатываются. Например, в 2016 году в Китае был запущен крупнейший в мире завод по переработке угля в жидкое топливо, рассчитанный на переработку 20 млн тонн угля в 4 млн тонн нефтепродуктов, включая 2,7 млн тонн дизельного топлива, 980 тыс. тонн лигроина и 340 тыс. тонн сжиженного газа.
Технологии переработки угля и природного газа в жидкое топливо − мощный аргумент против попыток перевести автотранспорт (65% мирового потребления нефти) на электричество. Но пока электрокары все-таки в лидерах модного тренда. Кстати, нефтегазовые компании охотно инвестируют в технологии получения жидкого топлива из органики. Компания ExxonMobil пыталась даже делать жидкое топливо из водорослей, но после многих лет безуспешных опытов бросила это направление.
На сегодня известны следующие основные процессы переработки угля с конечным получением жидких продуктов: газификация с последующим производством синтетических топлив на основе синтез-газа, гидрогенизация, пиролиз и т.н. «термическое растворение», при котором достигается выход жидких продуктов якобы на уровне 75-85%. Оптимисты прогнозируют, что к 2030 году доля сжиженного угля в общей структуре топливных ресурсов достигнет 20%. Это вполне возможно при резком росте цены нефти. (Мы все в курсе, что интересы инвесторов создают конъюнктуру рынка).
Стоит добавить, что правительства Великобритании и Германии запретили сносить старые угольные электростанции и заставляют их работать во время регулярных «ветровых засух».
За нефтью путь становится длиннее и глубже
Две основные новые технологии нефтедобычи − сланцевые и глубоководные.
Сланцевая нефть
Термин «сланцевая нефть» закрепился за нефтью низкопроницаемых и плотных коллекторов, среди которых сланцы, плотные песчаники, известняки (см. «Схема залегания сланцевой нефти»).
Принципиально новым в этой технологии добычи нефти является бурение длинных горизонтальных скважин для гидроразрыва пласта (создания в пласте трещин для выхода нефти путем закачки в пласт под давлением смеси из воды, песка и химикатов) и для сбора выдавливаемой из пор нефти. Длина скважин в сланцевой добыче достигает 1,5-3 км, которые должны точно следовать геологии месторождения. Это, безусловно, выдающееся достижение.
Проблема технологии − в качестве сырья. Сланцевая нефть содержит слишком много газа (отсюда расцвет экспорта СПГ из США) и слишком быстро падает добыча из скважины, что вынуждает постоянно бурить все новые и новые скважины. Причем с исчерпанием высокопродуктивных участков («сладких мест») и переходом на менее продуктивные скорость падения добычи возрастает (см. «Добыча сланцевой нефти в США по временным группам ввода новой добычи»).
Схема залегания сланцевой нефти
Финансовая сторона технологии сомнительна. По некоторым оценкам, отрасль сланцевой нефти еще не вернула инвесторам всех вложенных денег, и пессимисты уверяют, что и никогда не вернет. Но результаты американцев удовлетворяют, да и наши эксперты отзываются хорошо об этом методе.
В России же со сланцами все не очень. Основным ресурсом сланцевой нефти считается Баженовская свита в Западной Сибири, в которой якобы содержится 22% мировой сланцевой нефти (10,3 млрд т). Такую оценку выдал Департамент энергетической информации Минэнерго США в 2012 году. Некоторые эксперты считают, что это было ловушкой с целью привлечь к разработке Бажена американские нефтегазовые компании.
Добыча сланцевой нефти в США по временным группам ввода новой добычи
Различный результат гидроразрыва
Гидроразрыв пласта, успешно применяемый в американских сланцах, в Бажене не работает [1] из-за двух основных факторов. Первый − наличие в формации прослоев глин и сланцев, которые закупоривают трещины гидроразрыва (см. «Различный результат гидроразрыва»).
У американского баккена толщина проницаемых песчаников и известняков достигает 36 м. Выше и ниже находятся более мягкие сланцы, они блокируют развитие трещин за пределы пласта. Там, где толщина среднего баккена уменьшается до 10 м, притоки слабы и не окупают затрат. В баженовской свите толстых проницаемых пластов нет. В лучшем случае это известняки толщиной 5-6 м. Приводятся типичные оценки толщины [2] таких слоев в 1-3 м, в которые надо попасть на глубине 2,5-3 км.
Можно добавлять водород в природный газ (проверено до 20%), что по смыслу примерно то же самое, что добавлять черную икру в баклажанную. Это, как всегда, не мешает осваивать бюджеты
С проницаемыми слоями в Бажене граничат прослои сланцев и глинистых пород, После ГРП они затекают в трещины разрыва и перекрывают их. Похожее месторождение есть и в США, это формация Монтеррей в Калифорнии, разработку которой прекратили.
Второй негативный фактор − размер пор. В традиционных пластах фильтрация нефти идет в порах размером от двух до 30 мкм. В Бажене поры меньше на 2-3 порядка; по разным оценкам, просветы между частицами там составляют от 0,005 до 0,4 мкм. В результате по Югре в целом средний коэффициент извлечения нефти (КИН) 0,23. При попытках бурить Бажен получили КИН менее 0,06.
В «Газпром нефти» себестоимость добычи на 2020 год оценивалась в 12 тыс. рублей за тонну (в два раза больше рыночной), и компания хотела переключиться на ачимовскую свиту, которая тоже не подарок. Ачимовская свита [3] − «не выдержанные как по площади, так и по разрезу линзовидные песчано-алевритовые пласты. Залежи характеризуются сложным геологическим строением, низкими фильтрационно-емкостными свойствами, наличием зон аномально высокого пластового давления и высоким газосодержанием». Одна надежда на технологические полигоны по развитию добычи ТРИЗ.
Глубоководная нефть
Суша на предмет добычи нефти исследована практически вся, поэтому основная надежда на новые месторождения − в море.
В разных зонах Мирового океана разрабатывается порядка 350 месторождений, при этом почти вся добыча производится на глубине до 200 метров. Но значительные залежи нефти надеются найти на большей глубине.
Крупнейшая в мире нефтяная авария случилась 20 апреля 2010 года на нефтяной платформе BP Deepwater Horizon. Глубина моря здесь составляла 1500 м. Компания заплатила $7,8 млрд штрафа, ее капитал снизился на $43 млрд. Но это не остановило компанию нырять за нефтью в морские пучины.
Сейчас BP эксплуатирует в Мексиканском заливе четыре глубоководные платформы. Самый большой дебит получен на платформе Thunder Horse [4] – около 250 тыс. барр. н. э. (нефть плюс газ) в сутки. Глубина моря здесь около 2 км, глубина скважин – 8-9 км. При нынешней цене нефти в районе $80/барр. платформа приносит доход в $20 млн в день, $7,2 млрд в год − есть зачем рисковать.
На месторождении «Белый тигр» во Вьетнаме нефть добывают с глубины моря около 3 км.
Перспективность глубоководных месторождений обосновывает теория неорганического происхождения нефти за счет водородной дегазации земных глубин. Пока геологи связывают концентрацию углеводородов в рифтовых зонах с воздействием повышенных температур близкой мантии на органические осадки, но вполне возможно, что высокая температура способствует реакции мантийного водорода с углеродсодержащими минералами. Оптимисты обещают найти нефть даже в Подмосковье − если бурить поглубже.
О сжиженном газе, водороде и энергетике ВИЭ
Мировой рынок газа перевернуло создание судов, способных перевозить сжиженный природный газ (СПГ). Такие суда – выдающееся техническое достижение, позволившее создать с нуля новую газовую отрасль.
Солнечные панели в штате Небраска
Японцы пошли еще дальше и построили судно, способное перевозить жидкой водород. Судно Suiso Frontier в начале 2022 года перевезло груз жидкого водорода из Австралии в Японию. Это небольшое судно водоизмещением всего 8 тыс. тонн и емкостью для жидкого водорода 1250 м3.
Японцы, как партизаны, молчат о стоимости операции (она должна быть фантастически высокой) и о потерях водорода при транспортировке. Потери СПГ при транспортировке на судах − 15-20%, но жидкий водород на 100°C холоднее и на один-два порядка более летучий.
Нынешний водородный бум − решение политиков. Все инженеры против водорода − слишком опасно (водород взрывается практически в любой пропорции смеси с воздухом), слишком дорого (по оценкам, в водороде после электролизеров будет находиться порядка 20% первоначальной «зеленой» энергии ветряков, а «зеленая» сталь на водороде дороже традиционной минимум на 40%) и просто нереально. Чтобы перейти с природного газа на водород, надо заменить абсолютно всю газовую инфраструктуру − трубопроводы, вентили, фланцы, счетчики потока, оборудование для сжигания (все домашние газовые плиты). Можно добавлять водород в природный газ (проверено до 20%), что по смыслу примерно то же самое, что добавлять черную икру в баклажанную. Это, как всегда, не мешает осваивать бюджеты. В Швеции, например, исследуют хранение водорода в вырубленной в скале пещере. Водородными проектами интернет заполнен, как килькой в бочке, но ни один крупный проект не реализован.
Технология солнечных панелей за последние годы совершила гигантский скачок с КПД от 12-15% до 20-25%. Ее проблема (кроме ночи, облаков и снега) − в ненадежности. Дождь, град, мусор при сильном ветре, пыль, птицы, насекомые – все это повреждает тонкие поверхностные пленки. Например, недавно град полностью уничтожил в Небраске 14 тыс. панелей [5]. Практика в США показывает выход из строя [6] ежегодно 2-4% панелей.
Проблема ветряков аналогична. Пока ветряки были небольшими, все шло хорошо, кроме соотношения «результат/затраты». Решили увеличивать размер крыльев. Но когда размер лопастей подошел к 100 и более метрам [7], начались проблемы с разрушением механических узлов и самих лопастей. Один из крупнейших производителей ветряков Сименс Гамеса месяц назад признался в наличии дефектов в 15-30% турбин, акции компании упали на 37%.
С точки зрения развития технологий интересны простимулированные исследования в области аккумуляторов. Кроме литий-ионных, работы ведутся в сегментах аккумуляторов: литий-железо-фосфатных, проточных окислительно-восстановительных, металло-воздушных и других со всевозможными вариантами используемых металлов и конструкций. Есть прогресс даже в древних кислотно-свинцовых батареях − сокращают вес и увеличивают емкость.
Будущее ВИЭ-технологий зависит от поддержки правительствами теории антропогенного глобального потепления планеты (AGW) за счет CO2, выделяемого при сжигании ископаемых углеводородов. Если теория перестанет поддерживаться, ВИЭ могут умереть как неконкурентоспособные по сравнению с углем, газом и ядерной энергетикой. В естественнонаучных кругах теория AGW стоит в одном ряду с теориями вечного двигателя, телепортации, переселения душ и подобными.
Ядерная энергетика возвращается
Бум ядерной энергетики отличается от бума ВИЭ тем, что сначала ВИЭ хоронили атом, а теперь атом хоронит ВИЭ.
С точки зрения эффективности компактные атомные реакторы ММР уступают обычным крупным реакторам, но хороши как таран для развития атомной энергетики в целом
Среди новых технологий АЭС особо замечательной считается технологии малых модульных реакторов (ММР). Такие реакторы изготавливаются готовыми на производстве, и на местности остается только подготовить для них фундамент и соединить с сопутствующим оборудованием и техническими сетями (генераторы, линии электропередач, вода, системы охлаждения). Энергетикам всего мира не дает покоя пример плавучей АЭС «Академик Ломоносов». Судно пригнали в бухту, подключили трубы и кабели − и все, электроэнергия и тепло пошли в Певек.
Лидером сегмента ММР стала американская компания NuScale [8], заключившая контракты чуть ли не со всеми странами Восточной Европы. Ее реактор повторяет обычные водяные реакторы, только в первом контуре вода циркулирует за счет конвекции (см. «Схема реактора NuScale»).
При изготовлении МОКС-топлива может использоваться отработанное топливо из обычных водо-водяных реакторов. Топливо позволяет примерно в 100 раз увеличить количество энергии, которое можно получить от природного урана
NuScale на пятки наступают проекты из Великобритании, Франции, Канады, Южной Кореи. С точки зрения эффективности ММР уступают обычным крупным реакторам, но хороши как таран для развития атомной энергетики в целом.
Различный результат гидроразрыва
Активно разрабатываются проекты АСТ – атомных станций теплоснабжения, которые были недостроены, а потом уничтожены в России.
Впереди всех в отрасли атома Китай, который планирует построить за 15 лет 150 АЭС.
Недавно в Китае запустили мечту ядерщиков − небольшой экспериментальный реактор, работающий на жидком ториевом топливе в составе расплавленной соли. Проблемы таких реакторов в конструкционных материалах, так как расплавленная соль активно разъедает стенки.
В мире также ведутся работы по высокотемпературным газовым реакторам, позволяющим обойтись без жидкости в первом контуре.
Серьезным прорывом стала технология МОКС-топлива, при изготовлении которого может использоваться отработанное топливо из обычных водо-водяных реакторов. Топливо позволяет примерно в 100 раз увеличить количество энергии, которое можно получить от природного урана.
Сумма существующих и нарабатываемых технологий, а также подтвержденные запасы урана гарантируют обеспечение человечества энергией с помощью АЭС до момента гибели Солнца.
***
Если человечество погибнет, то не потому, что у него не будет энергии.
Автор:Институт развития технологий ТЭК
Источник: https://ngv.ru/articles/zato-s-nimi-ne-skuchno/
