Потенциал генерации водорода в углеводородных пластах: новая эра чистой энергии

ru.freepik.com

Рамочная конвенция ООН об изменении климата 1992 года, Киотский протокол, вступивший в силу с 16 февраля 2005 года, Парижское соглашение от 2015 года – вот далеко не полный перечень международных соглашений, направленных на последовательную декарбонизацию мировой экономики. К завершению 2022 года свыше 150 государств мира обнародовали свои планы, направленные на снижение выброса парниковых газов – тех, что образуются в процессе сгорания ископаемого топлива.

А что должно прийти ему на замену? Ожидается, что это будут источники чистой энергии, основанные на использовании возобновляемых энергетических ресурсов, плюс водородная энергетика, концепция которой подразумевает экологическую чистоту. Одним из наиболее перспективных источников получения водорода могут стать углеводородные пласты.

Что такое углеводородные пласты?

Постараемся внести некоторую ясность в используемые понятия и определения.

Пласт в геологии – это слой горных пород или геологическое тело, ограниченное сверху и снизу слоями или напластованиями. Обычно термин «пласт» употребляют в отношении однородной породы полезных ископаемых.

Залежи углеводородов – это не что иное, как естественное скопление нефти и газа или обоих вместе в части природного резервуара (ловушке).

Определение углеводородных пластов

Исходя из всего изложенного, под углеводородными пластами мы будем подразумевать (не вдаваясь во все тонкости химии и геологии) месторождения нефти, газа и угля, так как именно здесь находят своё применение наиболее перспективные в экологическом плане технологии получения водорода. С целью информативности отметим, что водород (Н2) можно извлекать из торфа, горючих сланцев (с некоторыми условностями их можно отнести к углеводородам), присутствие которых, кстати, характерно в виде пластовых наложений.

Где они расположены и какие ресурсы содержат

Места расположения углеводородных ресурсов нашей планеты хорошо известны. Достаточно взглянуть на карту залежей полезных ископаемых, чтобы увидеть множество месторождений нефти и газа. Ими изобилует север Южной Америки, территория вокруг Персидского залива, Западная Сибирь и многие другие регионы мира.

Приблизительная оценка запасов водорода в углеводородных пластах говорит о присутствии там 100 млрд тонн этого вида топлива. Некоторые из них могут оказаться неперспективными в плане освоения, зато иные могут быть насыщены H2, запасы которого там накопились в результате протекания целого ряда физико-химических процессов.

Генерация водорода из углеводородных пластов

Имеется множество технологий выработки водород, в том числе и из углеводородных пластов. Постараемся остановиться на наиболее перспективных из них.

Объяснение технологии производства водорода из углеводородных пластов

Внутрипластовая генерация H2 низкоуглеродным методом.

Речь идёт о том, чтобы запускать процесс ВПГ (внутрипластового горения) in-situ (научный термин, который можно перевести на русский язык как «в месте нахождения») внутрипластовых залежей углеводородов. Процесс предлагается выполнять посредством закачки в природный резервуар пара и воздуха. Результатом их проникновения туда станет процесс формирования активного катализатора – того, что станет инициировать конверсию метана в водород (паровая конверсия, крекинг).

К началу 2022 года о технологии ГВП (генерации H2 в пласте на основе парового риформинга с параллельно протекающим каталитическим крекингом углеводородов) с уровнем конверсии углеводородов в водород, достигающим в ходе экспериментов 70%, сообщила компания Hydrogen Source AS (Норвегия).

Преимущества метода

Достоинства описываемой технологии заключаются в возможности её использования:

• на некоммерческих месторождениях углеводородов;
• на пребывающих в заключительной стадии использования истощённых нефтяных и газовых месторождениях;
• в местах нахождения, которые не представляют коммерческий интерес углеводородов, путём конверсии их в коммерчески интересные залежи;
• на содержащих метан-угольных месторождениях.

Но самое интересное здесь иное. Все описанные технологии будут выполняться внутри пласта с последующим извлечением водорода через внутрискважинное устройство, оснащённое водородно-селективной мембраной. По замыслу разработчиков, это обеспечит возможность захоронения парниковых газов в пласте, организуя тем самым экологическую чистоту процесса.

К описываемым достоинствам также можно отнести активизацию тяжёлых и высоковязких углеводородов под воздействием тепла, которые в результате повышения текучести становятся пригодными к добыче и дальнейшей транспортировке.

Потенциал и перспективы

Оценка потенциала генерации водорода из углеводородных пластов

Водород является самым распространённым веществом во Вселенной (75% её массы). На Земле он наиболее широко представлен в воде, содержащей его в океанах 1,4•1017 т, а в остальных водах – 5,6•1015 т. Заметим, что технологии получения водорода из воды хотя и затратные, однако достаточно перспективные в плане удобства, простоты и решения экологических проблем. Кроме того, они позволяют попутно получать достаточно ценное в химическом отношении вещество – кислород.

Достаточное количество водорода содержится в нефти, газе и угле, запасы которых оцениваются в 1 трлн тонн. Присутствие в них H2, определяемое в 100 млрд тонн, вполне может обеспечить на протяжении 20 лет мировые потребности человечества в энергии – 2•105 ТВт•ч ежегодно, (теплотворная способность H2 достигает 40 МВт•ч/т). И это при условии, что на Земле есть немало ещё неисследованных в геологическом плане мест.

Роль этого метода в переходе к чистой энергии

Ожидается, что внутрипластовая генерация водорода низкоуглеродным методом, в отличие от других высокоуглеродных технологий по производству «серого» и «бурого» водорода, позволит более эффективно осваивать углеводородные пласты для получения высокоэффективного топлива. Это будет способствовать намеченному обществом переходу к чистой энергии, направленному на декарбонизацию мировой экономики.

Текущие и будущие исследования и разработки

Вопрос достаточно разноплановый, учитывая тот факт, что сама водородная энергетика – отрасль достаточно новая в мировом промышленном производстве. И дело тут вовсе не в создании новых технологий, требующих многолетней практики освоения и повышения эффективности. Вполне подойдут и нынешние, которые необходимо непрерывно совершенствовать с целью улучшения экономических показателей совместно с острой потребностью в значительном снижении вредных выбросов в атмосферу.

Проблемы и вызовы

Обсуждение проблем и вызовов, связанных с генерацией водорода из углеводородных пластов

Сложности, что предстоит преодолеть на путях освоения выработки H2, можно разделить на два больших блока. Первый связан с непосредственным материально-техническим обеспечением процесса, влекущим за собой применение специального оборудования, направленного на подачу в скважины пара, воздуха и сопутствующих химикалий. Дополнительно проблемы создаёт процесс захоронения вредностей внутри пласта, достаточно трудно оцениваемый в плане загрязнения подпочвенных вод и возможности просачивания парниковых газов в атмосферу. Кроме того, необходимо принимать во внимание и качество получаемого здесь водородного топлива.

Второй блок обусловлен освоением полученного водорода, его хранением, переработкой, транспортировкой и потреблением. В обязательном порядке перед его производителями встанут вопросы сертификации продукта для применения его в различных отраслях экономики с наибольшей пользой и выгодой.

Вопросы экологии и безопасности

Здесь всё упирается, прежде всего, в свойства водорода, обладающего высокой степенью летучести (следствием чего может стать диссипация H2 в космическое пространство, влекущая за собой сокращение гидросферы Земли). Этот газ в чистом виде достаточно вреден для человеческого организма, и это требует принятия дополнительных мер по ограничению непосредственного контакта с ним. Так, жидкий водород приводит к сильному обморожению при попадании на человеческую кожу.

Но что самое угрожающее, так это образование гремучего газа – взрывоопасной смеси при контакте водорода с воздухом. Причём, как показали последние исследования, при больших объёмах газа диапазон взрывоопасных концентраций водорода в составе гремучего газа расширяется на 4% в ту или иную сторону.

Всё это касается непосредственно H2. Если принимать во внимание описанную выше технологию, то здесь придётся иметь дело с сильно нагретой водой или паром, агрессивными химическими веществами и происходящими в недрах термическими процессами. Это неизбежно вызовет изменения в окружающей среде в местах освоения новой технологии по генерации водорода из углеводородных пластов.

Заключение

Можно сказать о достаточной перспективности и мультифункциональном эффекте описываемого метода внутрипластовой выработки водорода. Технология обещает высокую экономическую эффективность при сравнительно низких затратах, достаточно удачно вписывается в политику сокращения углеводородных выбросов в атмосферу. Но обольщаться и успокаиваться на достигнутом здесь не стоит. Есть реальная угроза: обретя пути решения одних проблем, мы можем столкнуться с другими – достаточно весомыми и серьёзными.

Потенциал углеводородных пластов в качестве источника огромен и обещает значительную прибыль (если принимать во внимание, что недра земли производят порядка 90 млн тонн водорода в год, существенная часть которого может присутствовать в том или ином виде в углеводородных пластах или сопровождать их, то речь может идти о запасах, оцениваемых в триллионы тонн – во всяком случае именно такие данные дают математические модели изучения вопроса). Поэтому на путях его освоения необходимо организовать постоянные исследования, направленные как на совершенствование самого метода, так и на нейтрализацию потенциальных угроз и опасностей, связанных с практикой его применения.

Наука не стоит на месте. То, что вчера казалось незыблемым, постепенно уходит, а на смену ему приходит нечто новое. Поэтому вполне ожидаемо дальнейшее развитие методов освоения водорода в углеводородных пластах, их совершенствование и даже последующее здесь изменение технологий. Но происходит это не на пустом месте, а на базе огромного опыта, который следует набирать и накапливать, осваивая внутрипластовую генерацию H2 низкоуглеродным методом.