Газ из царства Нептуна
Грозит ли нам энергетический голод и что необходимо предпринять уже сейчас? Подобные вопросы все чаще появляются на страницах различных изданий, звучат с экранов телевизоров. По устоявшемуся мнению, в ближайшее время иссякнут запасы нефти, затем природного газа и несколько позднее – угля. Так ли это?
Углеводородное дыхание Земли
В 80-е годы минувшего века группа ученых под руководством академика А.В. Сидоренко обнаружила повсеместное истечение метана с поверхности Земли. Открытое явление назвали «углеводородным дыханием Земли». Справедливости ради следует отметить, что наша планета «выдыхает» также углекислый газ, аммиак, азот, водород, гелий, аргон и другие газообразные вещества.
Метан, наряду с другими газами, является продуктом жизнедеятельности земных недр. Углеводородные газовые потоки образуются повсюду, где у земной коры имеется верхний чехол — осадочная толща (стратисфера). Явление носит планетарный характер, так как стратисфера занимает 75% поверхности земной коры.
Естественно, что газы скапливаются в полостях с подземными водами или нефтью, а также в шахтах, встречающихся на пути газовых потоков. В пластовых водах СНГ постоянно находится 4 тыс. трлн м3 углеводородных газов. Один кубометр пластовых вод может содержать до 7 м3 растворенного газа.
Для СССР такие концентрации не представляли промышленного интереса и поэтому оставались без внимания, как и открытие «углеводородного дыхания Земли». Тем не менее опыт многих стран мира (причем не бедных) свидетельствует о широком использовании газа и тепла водоносных горизонтов в малой энергетике. К примеру, в окрестностях Токио с помощью бамбуковых труб ежегодно извлекают до 400 млн м3 горючего газа из водоносных горизонтов.
В Украине сторонником (по-видимому, единственным) этого направления выступает киевская научно-производственная фирма «Подземгазинжиниринг».
Сокровища Черного моря
Газовые потоки проходят и через геологические слои дна морей и океанов. И здесь уместно напомнить о другом открытии отечественных ученых, зарегистрированном авторским коллективом во главе с академиками А.А. Трофимуком и Н.В.Черским. Суть его в том, что природные газы при определенных условиях (повышенных давлениях и низких температурах) в присутствии воды образуют газогидраты. Произнеся это слово, мы сразу же попадаем на территорию большой энергетики.
В отношении природных ресурсов для нее характерен такой существенный признак, как высокая концентрация энергоносителей. Ему вполне соответствуют газогидраты, в одном объеме которых содержится более 150 объемов газообразных углеводородов.
В глубоководной части Черного моря запасы метана в газогидратах оцениваются украинскими и российскими геологами в 60—75 трлн м3.
Как уже было сказано, наиболее благоприятные среды для их возникновения — морские и океанические глубины. А среди всех этих гигантских природных лабораторий наибольшей производительностью обладают те, у которых мощнее осадочный слой. Его невысокая плотность (2,3 г/см3) позволяет газам сравнительно легко покидать литосферу и выходить на границу с водой. Другой же путь газов, пролегающий сквозь породы, лежащие под материками, имеет гораздо большие длину и сопротивление.
В отношении осадков рекордсменом является Черное море – его осадочный слой самый мощный в мире (14 км). Черное море уникально и в других отношениях. Это крупнейший на планете меромиктический (с неперемешивающимися уровнями воды) водоем, для которого характерно расслоение ее толщи на верхний тонкий кислородсодержащий опресненный слой и нижний, почти двухкилометровый слой соленой воды с огромным содержанием сероводорода. Не менее 100 млн тонн органики в год погружается в нижний слой моря и поглощается сульфатредуцирующими бактериями, которые производят сероводород — H2S. Последний вместе со свободным газом, поступающим из недр Земли, и водой образует плотное льдоподобное соединение — газогидраты. В глубоководной части Черного моря запасы метана в газогидратах оцениваются украинскими и российскими геологами в 60—75 трлн м3.
Обратите внимание, по-прежнему говорят о запасах, то есть о некоторой конечной величине. До сих пор геологи не принимают в расчет «углеводородное дыхание Земли» и непрерывное производство Н2S, возможно, потому, что эти явления относятся к другим областям знаний. Но при комплексном подходе к проблеме становится очевидной непрерывность образования газогидратов, а Черное море предстает как неисчерпаемый источник углеводородов.
Интересна роль сероводородов в процессах образования газогидратов и судьбе Черного моря. Есть основания полагать, что растворенный в воде сероводород участвует в удержании метана и формировании плотного гидратного ядра. Экспериментальное подтверждение этого получено во время экспедиций НИС «Академик Вернадский» и «Ихтиандр» в1989—1993 гг. В извлеченных донных осадках газонасыщенность была выше фоновой на 3—4 порядка, а собранная газовая смесь состояла на 2/3 из метана и на 1/3 из сероводорода. Постоянное образование газогидратов с участием сероводорода позволяет вскрыть причину необъяснимого ранее несоответствия между огромным количеством производимого бактериями сероводорода и практически постоянным уровнем сероводородной зоны. Сероводород непрерывно «упаковывается» в газогидратные соединения высокой плотности, превращаясь из рассеянного энергоресурса в концентрированный — залежи. А Черному морю, к нашей радости, не грозят ни участь Мертвого моря, ни глобальный взрыв.
В современных газогидратных месторождениях поры осадочных пород на 30—70% заполнены гидратами, а остальная их часть — свободным газом. Со временем эти горизонты полностью насыщаются твердой фазой, то есть становятся непроницаемыми для свободного газа. Затем под гидратонасыщенным слоем формируются обычные газовые залежи. Подобные месторождения образуются на глубинах 300—1800 м. Высока вероятность того, что в гигантской осадочной толще Черного моря образовалось несколько таких двухслойных «пирогов».
В конце 1993 года правительство Украины утвердило программу «Газогидраты Черного моря», но бюджетных средств на ее выполнение не нашлось. Исследовательскую работу по изучению условий образования газогидратов и извлечения из них углеводородов по собственной инициативе продолжает Международный научно-технический университет. Но это не те масштабы…
Каким же должен быть будущий проект?
Разработка месторождений углеводородов на дне моря должна проводиться открытым карьерным способом (газогидратов) и буровым методом (свободного газа). Освобождающаяся после разработки пустая осадочная порода вновь готова к кристаллизации новых газогидратных образований. Следовательно, газогидраты, как и природный газ, можно отнести к возобновляемым (а потому — неисчерпаемым) энергоресурсам.
Что было, что есть… Что будет?
Проектов освоения энергоресурсов Черного моря было несколько. Первые попытки оказались неудачными и даже дискредитирующими идею. В 1985 году появился проект профессора Р.Б.Ахмедова под названием «Комплексное использование горючих энергетических и химических ресурсов Черного моря», активно поддержанный средствами массовой информации ввиду его экологической окраски. В 1990-м в Государственный комитет по науке и технике поступил аналогичный проект «Черноморская океанотехнология». Им предусматривалось строительство 10 крупнейших ТЭС (по 25 млн кВт) для электропитания химических заводов и откачивания с глубины 1200 м по трубам диаметром около 3 м сероводородной воды объемом 25000 км3, что соизмеримо с ежегодным стоком Дуная. Фактически предлагалось извлекать рассеянные энергоносители, что абсолютно нерентабельно. Реализация проекта породила бы еще большие экологические проблемы, связанные с работой ТЭС, химических производств и изменением трехмерной циркуляции вод Черноморского бассейна.
В конце 1993 года правительство Украины утвердило программу «Газогидраты Черного моря», но бюджетных средств на ее выполнение не нашлось. Исследовательскую работу по изучению условий образования газогидратов и извлечения из них углеводородов по собственной инициативе продолжает Международный научно-технический университет. Но это не те масштабы…
Каким же должен быть будущий проект?
Во-первых, его масштабы относятся к международному классу. Следовательно, в нем должны принимать участие, как минимум, страны Причерноморья (прежде всего в качестве финансирующих сторон). Во-вторых, проект должен быть научно-технически обоснован, а также экономически и экологически привлекателен для его участников. В-третьих, Украина должна получить в нем роль ведущего исполнителя.
Для выполнения этой роли у нас имеется соответствующий потенциал и наработки.
Реализация проекта имеет свои особенности. Весь процесс можно условно разделить на два этапа: созидательный (создание средств производства) и эксплуатационный (само производство).
Работы первого этапа относятся к следующим областям хозяйственной деятельности: судостроение с глубоководной техникой; геологоразведка и добыча полезных ископаемых; газопереработка с элементами плазмохимии; прямое преобразование химической энергии в электрическую; трансформация и передача электроэнергии.
Конечной целью судостроительных работ является создание флотилии судов специального назначения. Это суда разведки и исследования месторождений, оснащенные гидроакустической и телевизионной аппаратурой, оборудованием для сбора, обработки информации, анализа проб…
Необходимо судно для поискового глубоководного бурения типа научно-исследовательского «Гломар Челленджер» водоизмещением 10500 т, мощностью энергетической установки 7,4 МВт, скоростью 12 узлов, работающее с бурильной трубой длиной 7,6 км. Еще большие возможности имеет буровой гигант «Гломар Эксплорер» (крупнее в 5 раз), способный бурить дно океана на глубину до 10 км.
Нужны и добывающие суда, оснащенные глубоководными добывающими устройствами, гидродрагами, рыхлителями, пульпопроводами, установками для первичной обработки углеводородных газов и накопительными емкостями, а также добывающие платформы с хранилищами углеводородов, суда-газовозы и другие вспомогательные плавсредства.
Это огромный объем работ для проектно-конструкторских организаций и судостроительных заводов. Из числа стран Причерноморья лишь Украина способна выполнить такую работу, причем с наименьшими затратами денежных средств. Наши институты и Национальный университет кораблестроения имени адмирала С.О.Макарова (г. Николаев) имеют также опыт по созданию глубоководных аппаратов.
Новизна технологии добычи в том, что она ведется открытым способом на дне моря. Этот метод экономичнее шахтного и может осуществляться, например, с помощью колоколов — воронок, связанных трубопроводами с добывающим судном. Под воронкой помещают управляемую с поверхности машину-рыхлитель, которая разрушает донные породы. Гидраты легче воды, поэтому начинают всплывать и разрушаться с выделением газа. Чем ближе к поверхности, тем больше вода в трубопроводе насыщается газом и ее относительная плотность все время падает. В результате этого создается мощная тяга без использования насосов.
Перерабатывать газы целесообразно экологически чистыми плазмохимическими и каталитическими методами, позволяющими получать спектр различных углеводородов, включая жидкое топливо. Побочными продуктами являются водород и сера.
Электроэнергию для технологических целей планируется получать с помощью топливных элементов путем «химического сжигания» углеводородов — экологически чистой технологии XXI века.
Активное участие в реализации проекта позволит Украине достойно вступить в век водородной энергетики.
Вот только будет ли он реализован?..
