Энергетика нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 620.9:061.2/.4 (100)

Энергетика нового поколения

в.в. Бушуев, М.В. Афанасьева Виталий Васильевич Бушуев - генеральный директор Института энергетической стратегии, профессор, д.т.н., e-mail: vital@df.ru;

Марина Владимировна Афанасьева - руководитель Центра технологического форсайта и инновационного менеджмента в энергетике, Институт энергетической стратегии (НТЦ ИЭС), e-mail: mv_afanasyeva@mail.ru

Аннотация

мировой энергетика нефть экологичность

Определены основные перспективные направления дальнейшего развития мировой энергетической системы и становления энергетики нового технологического поколения в таких отраслях, как добыча нефти и газа, нефтегазохимия, нетрадиционные энергоресурсы, сжижение и транспортировка газа, электротранспорт, инфраструктурная электроэнергетика и др.

Ключевые слова: энергетика, добыча нефти и газа, нефтегазохимическое производство, нетрадиционные энергоресурсы, «электрический мир», метасистема.

Annotation

New age of energy sector

V. Bushuev, M. Afanasieva Vitaly V. Bushuev - Director General with Institute for Energy Strategy, professor, Doctor of Engineering, e-mail: vital@df.ru;

Marina V. Afanasieva - Head of Center for Technological Foresight and Innovation Management in Energy Sector (STC IES), e-mail: mv_afanasyeva@mail.ru;

The paper determines the promising trends of the world energy sector and technological advancement in such fields as oil and gas extraction, oil chemistry, nonconventional power sources, gas liquefaction and transportation, electrical transport, energy infrastructure etc.

Key words: energy sector, oil and gas extraction, oil chemistry, nonconventional energy sources, «electrical world», metasystem.

Мир трудно прогнозируем, но вполне закономерен. Один из главных законов природы (и общества, и технического прогресса) - цикличность: новое рождается, взрослеет, стареет и … уступает место следующему поколению. Вопрос лишь в сроках жизненного цикла. Если геологические процессы развиваются относительно медленно (сотни миллионов лет), то человек добрался до стадии homo sapiens за несколько тысячелетий, а техника меняет свой облик за несколько десятков лет. Информационная техника устаревает и обновляется еще быстрее - за 3-5 лет.

Техника развивается не сама по себе, она следует за потребностями общества в энергии для своего существования и развития. Если человек для своего биологического существования довольствуется энергией порядка 0,5 тыс. кВт^.ч в год, то с началом промышленной революции на рубеже XVIII-XIX веков, на одного человека уже приходилось до 10 тыс. кВт^.ч. За последние 100 лет человечество израсходовало энергии в два раза больше, чем за все предшествующие века и тысячелетия.

Сегодня на одного жителя Земли приходится свыше 20 тыс. кВт^.ч в год. И этот лавинообразный процесс пока не знает насыщения. А техника следует за ним, осваивая не только энергию ветра и солнца, но и энергию сжигаемого топлива, гидроэнергию, а последние 50 лет - и атомную энергию. Рост энергопотребления - это объективный процесс, и человечество не остановится в своем энергетическом развитии, ибо энергия и жизнь - это синонимы.

Мы живем «в объятьях Солнца». Оно на протяжении многих тысячелетий накопило запасы углеводородов в недрах Земли. Да и по новой научной версии нефть и газ - это не продукты гниения реликтовых лесов, а образуются постоянно (и сейчас) в результате подземных физико-технических реакций.

В мире ежегодно добывается свыше 10 млрд т (в нефтяном эквиваленте) углеводородов. Доказанные запасы по нефти составляют 165 млрд т, а по газу - 175 трлн м³, что свидетельствует об имеющейся ресурсной обеспеченности мира углеводородным сырьем как минимум на полвека. Но запасы растут еще быстрее. Благодаря новейшим 3D-технологиям геологоразведки, позволяющим сканировать все слои подземных недр, кладовая Земли пополняется все новыми и новыми запасами нефти и газа, превышающими среднегодовой уровень их добычи. И что характерно, если ранее основные открытия совершали вдоль 70-го меридиана (от Ямала через Урал, Каспий, на Ближний Восток и в африканское Сомали), где было сосредоточено до 70% всех мировых запасов нефти и газа, то сегодня запасы нефти в Венесуэле, сланцевого газа в США и Австралии делают эти ресурсы практически повсеместными. А взоры наших компаний, да и практически всех зарубежных обращены к Арктике, где по самым осторожным оценкам сосредоточено от 20 до 50 млрд т нефти и 80 трлн м³ газа, не считая глубоководных трудноизвлекаемых ресурсов.

Так что ресурсный голод нам не грозит, а все разговоры о том, что нефти в мире осталось на 12-15 лет, а газа - не более чем на 50-70 лет, это - досужие домыслы тех, кто старается быстрее похоронить нефтегазовый бизнес. Действительно, снижается концентрация запасов, меньше становится «легкой» фонтанирующей нефти, газовые «шапки» уступают место низконапорным ресурсам на более глубоких горизонтах. Приходится использовать новые технологии добычи с помощью горизонтального бурения скважин, гидроразрыва и других способов высвобождения углеводородных ресурсов из сланцевых пород, в том числе баженовской свиты в ЯНАО. Поэтому добыча становится все более сложным и дорогим делом.

Сегодня нефтепромыслы - это не просто станки-качалки, а сложнейший производственно-технический комплекс, основанный на использовании уникального оборудования и интеллектуальных систем управления.

В банке новых технологий нефтедобычи - более 100 различных установок, обеспечивающих добычу нефти с больших глубин, «тяжелых» сернистых нефтей, горизонтальную обработку больших площадей.

На сегодняшний день большое количество компаний, в основном зарубежных, стремятся как можно ближе подойти к полноценной интеллектуальной разработке месторождений углеводородов.

Так, хотя многие компании только переходят к 3D сейсморазведке, передовые же нефтегазовые корпорации уже внедряют 4D-технологии.

Последнее слово в области сейсморазведки принадлежит сейсмической системе UniQ, способной охватить до 150000 каналов с сейсмическими данными, то есть обеспечить обширный обзор резервуара через геологическую съемку в режиме реального времени, а также возможность управлять разработкой. Более того, эта система может быть использована в различных условиях работы, от Арктики до пустыни.

Начинается использование новой технологии морской сейсморазведки IsoMetrix, которая делает возможными эффективную разведку, получение снимков верхней части разреза в высоком разрешении, планирование целостности скважин, а также несравнимую четырехмерную воспроизводимость. Новинка совместима с другими технологиями. Полевые испытания новой технологии, подтвердили ее высокую точность.

В области добычи углеводородного сырья все усилия нефтегазовых компаний из разных стран направлены на разработку инноваций в области бурения, нефтедобычи, интенсификации притоков, и особенно - добычи нефти третичными методами. Хотелось бы выделить комплексы по интенсификации добычи. Так, если первичные и вторичные методы добычи сейчас дают нам извлечь из месторождения от 20 до 40% нефти, то благодаря третичным, этот показатель стремятся увеличить как минимум до 60%. В большинстве своем это химические методы. На сегодняшний день развивается также направление с использованием для данных целей биополимеров.

Так что разговоры о том, что нефтегазодобыча - это «примитивное» хозяйство, идут либо от незнания, либо от злого умысла. Оператор на промысле не уступит по своей квалификации диспетчеру атомной электростанции и пилоту космического корабля.

Но … спрос определяет добычу. И до 2050 г. мировое потребление нефти практически не снизится. Конечно, людям - конечному потребителю нужна не сырая нефть, а продукты, получаемые из нее, в первую очередь, моторное топливо (бензин и авиационный керосин, дизельное топливо и масла, присадки и реагенты), на получение которого идет свыше 70% добываемого сырья.

Автомобильный и транспортный бум в мире на спад пока не идет. Более того, ожидается, что к 2050 г. количество автомобилей в мире вырастет почти вдвое за счет развивающихся стран. Но добыча сырой нефти будет расти гораздо медленнее, и к середине века, по многим прогнозам отечественных и зарубежных специалистов, пойдет на спад.

«Каменный» век закончился, но не потому, что закончились камни. Так и нефтяной век близок к закату, но не потому, что заканчиваются ресурсы нефти, а потому что на смену наиболее эффективному ныне нефтяному бизнесу идет век газа и электричества. Использование газа в двигателях достигнет к 2050 г. до 20% всего моторного топлива, а выпуск гибридных автомашин и электромобилей как нового направления в транспортном развитии составит к этому же году до 20% общего объема производства автомобилей.

Электромобили - это несомненный шаг вперед на пути к «электрическому миру», который будет окружать человека недалекого будущего. Их преимущества - резкое снижение экологических выбросов, что крайне важно для больших городов, где не только автобусы на газе, но и электробусы и автокары, как новый вид общественного транспорта, потеснят и дизельные машины, и привычные троллейбусы и трамваи.

Электрический транспорт - это и повышенная маневренность, ибо электродвигателями будут оборудованы все четыре колеса. Возможно, электромобили найдут поэтому свое применение и в условиях бездорожья. Но главное, как свидетельствуют очевидцы, уже совершившие поездки на электромобилях - это совершенно иное ощущение - удобно и тихо, чисто и уютно. А именно подобные требования предъявляют сегодня водители и пассажиры к новому транспортному средству. Разумеется, пока электромобили дороже бензиновых, но цена зависит от массовости спроса, а системы зарядки и подзарядки аккумуляторов для городских условий - это не проблема. Вот и в Москве уже начинается этот процесс.

Революция на транспорте, конечно же, существенно изменит нефтяной бизнес. Спрос на моторное топливо может существенно сократиться. Но зато вырастет спрос на продукцию нефтехимического и газохимического производства.

Современные нефтегазохимические технологии и процессы обеспечивают эффективную конверсию метана в олефины (этилен, пропилен и бутилен), которые являются исходным сырьем практически всех известных промышленных полимеров и химикатов. Для конверсии синтез-газа в метанол, синтетическую нефть, ароматические углеводороды широкое применение находят малогабаритные реакторы и высокоэффективные катализаторы.

Ассортимент продукции нефтегазохимии весьма широк и постоянно увеличивается. Это - и шинное производство, и выпуск пластмасс и полимеров, новых конструкционных материалов и бытовой химии, удобрения и фармацевтика и многое другое.

Сегодня уже существуют технологии переработки тяжелых остатков в 2-2,5 раза превосходящие по прибыльности все известные. Мощность образцовых установок по сырью достигает 2,7 млн т в год по битуму и до 0,7 млн т вакуумного газойля в год. Данные разработки приближают нас к полной комплексной переработке в светлые нефтепродукты всех тяжелых остатков. В настоящее время выход топочного мазута составляет около 28-29% - свыше 2 млн т в год. После внедрения указанных инновационных разработок (начиная с 2015 г.) НПЗ смогут достичь уровня выхода высококачественных нефтепродуктов более 97%.

Совершенствуются технологии производства первичных и вторичных продуктов нефтегазопереработки топливного и нетопливного назначения. Особое внимание уделяется нанотехнологиям производства катализаторов, мономеров для нефтехимии. При этом важное значение имеет развитие комплексного подхода к переработке нефти и газа с максимальной глубиной переработки и использованием процессов, позволяющих получать продукцию высокой степени переделов.

Кроме того, разрабатываются и новые технологии, с созданием которых возникает спрос уже на новые виды продукции нефтегазохимии и нефтегазопереработки. Так постоянно расширяется линейка синтетической продукции, к примеру, геосинтетические материалы или термоэластопласты для дорожного строительства.

Практически все крупные нефтегазовые корпорации уделяют сейчас внимание работе с GTL (gas to liquids) технологиями, позволяющими получать из газа высокоэнергетические топлива с улучшенными экологическими характеристиками, метанол и другие продукты.

Также большое внимание уделяется перспективным технологиям по производству синтез-газа и водорода. Конкурентоспособные технологии уже имеются и совершенствуются рядом компаний. К примеру, процесс парциального окисления Shell-SGC, Lurgi, HTSR-конверсия, Haldor Topsoe, паровая конверсия Synetix и др.

Если говорить о расширении сфер применения результатов нефтехимии, то здесь можно отметить микробиологический синтез, технологии создания искусственного белка и искусственных продуктов питания из продуктов нефтепереработки и нефтехимии и многие другие области, которые все еще находятся в поисках своего эффективного технологического решения.

Но на повестке дня - и новая задача для нефтегазохимиков - создать не только саморазлагающиеся после использования материалы, дабы не умножать число вредных, в т.ч. бытовых отходов, но и разработать такие виды химической продукции, которые бы способствовали самоочищению среды от разливов нефти, загрязнения рек и водоемов, способствовали бы переработке отходов в полезные для природы и человека новые продукты.

Современные разработки в области нефтехимии позволяют также повысить экологичность процессов нефтегазодобычи, эффективность продукции НГХ.

Известно несколько методов локализации разлива нефтепродуктов: термический, механический, физико-химический и биологический. Термический метод применяется при большой толщине нефтяного слоя после загрязнения до начала образования эмульсий с водой, основан на выжигании слоя нефти. Физико-химический метод использует диспергенты и сорбенты и эффективен в случае, когда механический сбор невозможен.

Биологический метод применяется после физико-химического и механического методов при толщине слоя не менее 0,1мм. Технология очистки нефтезагрязненной воды и почвы - биоремедитация, в ее основе лежит использование специальных микроорганизмов на основе окисления углеводорода или использования биохимических препаратов.

В пакете крупных энергетических компаний на сегодняшний день представлен широкий спектр эффективных присадок, позволяющих решать проблемы разливов и коррозии, а также повышения срока службы двигателей оборудования: детергенты, диспергенты, антиокислители, антикоррозионные присадки, депрессоры, антипенные присадки, противоизносные присадки, модификаторы трения и др.

Интересным примером может служить направление переработки пластикового мусора, шин и бытовых отходов в бионефть. Отходы обрабатываются горячим воздухом (300-500 ⁰С) под давлением в нескольких разных реакторах, которые включаются последовательно друг за другом. Таким образом имитируется натуральный процесс образования нефти в природных условиях.  При этой технологии переработки продуктами распада являются активированный уголь и минералы.  Другими разработчиками был спроектирован завод Envion Oil Generator, реактор которого в условиях вакуума проводит некаталитический низкотемпературный крекинг пластмасс, разлагая полимеры до более короткоцепочечных углеводородов. На выходе получается смесь углеводородов, по своим качествам весьма напоминающая нефть, отходы производства - кислород, незначительное количество углекислоты и небольшое количество угольного шлака.

Также сегодня развиваются методы получения биоэтанола из отходов, биодизеля, биогаза, бутанола и другие технологии, формируется комплекс инноваций по производству электроэнергии из отходов. Существуют пилотные разработки по производству пропана из разреженного воздуха (с применением фермента нитрогеназы ванадия (vanadium nitrogenase)) и другие технологические изыски.

Жизнь не стоит на месте, и одна из важнейших задач нефтяников и газовиков - диверсифицировать добычу, в том числе нетрадиционных ресурсов, их транспорт, переработку и новое использование углеводородной продукции. Так называемая «сланцевая революция» в США показала огромный ресурс различных нетрадиционных углеводородов (из низкопроницаемых коллекторов, угольных пластов, растворенных в воде газогидратов и т.п.). Доля этих ресурсов, более широко (хотя и менее концентрированно) распространенных на нашей планете, к 2050 г. достигнет 50% всех углеводородных запасов.

Особенно следует отметить возможную газогидратную революцию. Норвежская компания «Статойл» (Statoil) провела уникальный эксперимент, переведя добытый в Северном море газ в газогидратное состояние и перевезя его в замороженном виде в Японию, где в результате было получено и новое топливо для сжигания и оттаявшая вода.

Япония активно ведет работы по собственной морской добыче газогидратов, и это позволит снизить остроту ее зависимости от импорта СПГ. Прогресс в технике сжижения и перевозки газа настолько удешевил конечную стоимость этого продукта, что даже его транспорт с Сахалина по короткому плечу, несмотря на две дополнительные стадии - сжижение и регазификация, оказывается более выгодным, чем трубопроводные поставки.

Большое внимание в мире сегодня привлекает энергия Мирового океана. Помимо освоения шельфа и намечающейся добычи газогидратов, во многих районах мира, более удаленных от центров добычи традиционных углеводородов, начинают осваиваться ресурсы гидросферы в виде химических источников, использующих различную соленость воды, перепады давления, биомассу морских водорослей, приливные течения. Как правило, эти ресурсы используются для получения промежуточных энергоносителей, в том числе водорода.

Российская компания «РусГидро» заключила с японской фирмой «Кавасаки» протокол о намерениях использовать свободную энергию Усть-Среднеканской ГЭС в районе Магадана для электролиза воды и получения водорода, который затем в сжиженном виде мог бы поставляться в страны АТР как моторное топливо. Мировой спрос на водород растет, и в развитие идеи получать водород в России существует предложение о строительстве в Охотском море приливных ГЭС - Пенжинской и Тугурской, мощностью до 10 ГВт. Использовать эту мощность можно только для создания на месте крупнотоннажного энерговодородного комплекса. Одним из аргументов в пользу этого проекта, по сравнению с газодобычным освоением шельфа Камчатки, является наличие здесь большого крабового заповедника, который при строительстве ПЭС может быть сохранен.

Даже на этом примере видна новая роль производства электроэнергии для развития новых территориально-производственных комплексов.

«Электрический мир», как наше энергетическое будущее - это ориентация на конечного потребителя - население, которое хочет жить в условиях комфортного быта, электрифицированного транспорта и промышленности, в которой производительность труда может быть обеспечена за счет более глубокой электрификации производства.

Электричество является наиболее универсальным, удобным и управляемым видом энергии, и потому его рост в мире ожидается в 1,5 раза большим, чем рост добычи первичных ТЭР.

В ЖКХ мир переходит на электротеплоснабжение, электропищеприготовление. Несмотря на большую стоимость электроэнергии по сравнению с централизованными поставками тепла и газа, большинство мегаполисов переходит на схему местного и централизованного электроснабжения. Помимо безопасности (по сравнению с бытовым газом) это позволяет создавать «умные дома» и «умные города» - энергоэффективные города.

В России электроэнергетика - это не только универсальный энергетический ресурс, это - инфраструктура, обеспечивающая энергетическую безопасность страны и ее регионов, энергоэффективность использования природных ресурсов, удаленных от центров энергопотребления, энергетическую интеграцию страны.

Единая национальная электрическая сеть, составляющая основу ЕЭС России, включает в себя новые ВЛ СВН, соединяющие энергосистемы Дальнего Востока, Сибири и Урала. Речь идет не просто о строительстве энергомостов и воссоздании прежней централизованной ЕЭЭС.

Объединение должно состояться на новых принципах - путем интеграции ОЭС по гибким межсистемным связям, реализующим принцип интеллектуального управления с активно-адаптивной сетью, что обеспечивает надежность и живучесть ЕЭС, ее способность к саморазвитию и повышение роли «активного» потребителя в управлении режимами и развитии системы.

Создание новой ЕЭС сопровождается освоением новых технических решений - фазоповоротных устройств для регулирования перетоков, сверхпроводящими накопителями энергии, статическими компенсаторами для избыточной реактивной мощности, вставками постоянного тока. Богатый арсенал этих средств делает электропередачи не только линейными конструкциями, но и интеллектуальными самоуправляемыми объектами ЕЭС, а саму ЕЭС - инфраструктурным каркасом всей России.

Да и сами электропередачи не остаются неизменными - начинают использоваться не только трехфазные, но и многофазные схемы, четырехпроводные линии, резонансные, в том числе и настроенные на полуволновой режим дальние передачи, быстромонтируемые ВЛ с полимерными изоляционными конструкциями и многое другое из арсенала электросетевого комплекса.

Новые схемы, а главное - принципы организации межгосударственных связей особенно важны в рамках создания общего энергетического пространства Единого экономического союза России и Центральной Азии с выходом через Памир к Индийскому океану.

В будущем возможно не просто создание Единой системы Евразии, но и поиски беспроводных схем электропередачи типа «Земля - Космос» для передачи электроэнергии направленным пучком от солнечных батарей в окололунном пространстве на Землю, а также для реализации идей Н. Теслы о прямом получении электроэнергии из ионосферы. Такие схемы пока носят гипотетический характер, но за годы одного-двух поколений землян они вполне могут стать реальностью.

Энергетика все больше выступает как «метасистема» (система систем), объединяя в одно целое различные отрасли ТЭК, отдельные системы газо-, тепло- и электроснабжения мегаполисов, рынок и физические объекты, силовые процессы и информационно-управляющую сетецентрическую архитектуру.

Но главный метасистемный принцип энергетики - это ее базисная роль в общей энерго-эколого-экономической триаде «природа - общество - человек», где экономика является системой хозяйствования, экология - системой гармонизации отношений, а энергетика - системой жизнеобеспечения и жизнедеятельности нашего общепланетарного Дома.

В этом Доме рождается новое поколение техники и людей, новые хозяева жизни - это вы.

Поступила в редакцию 02.12.2013 г.

Размещено на Allbest.ru