Разрабатывая концепцию нашего Аналитического онлайн-журнала Геоэнергетика.ru, мы считали, что должны уделять равное внимание всем энергетическим ресурсам, истории их освоения, развития соответствующих методов переработки, совершенствования технологий. Ведь для того, чтобы понимать современное состояние дел в той или иной отрасли энергетики, надо знать, с чего все начиналось – только тогда становится видна закономерность развития, откуда возникают и как решаются противоречия, как на развитие отрасли влияет развитие науки, и как технологии, в свою очередь, задают науки пути необходимых исследований.
Геоэнергетика – это всегда «клубок» науки, технологий, политики, а порой, к сожалению, еще и горячих конфликтов. Непростая, порой крайне замысловатая ситуация сейчас сложилась на мировых газовых рынках – есть влиятельные силы, желающие видеть этот рынок единым, но есть и законы физики, химии, есть геология, которые «противостоят» этому устремлению. Направление в газовой отрасли, при помощи которого идут попытки сделать рынок газа глобальным – технология сжижения природного газа, развитие методов его морских перевозок. Возможно ли такое развитие технологий, которое обеспечит «превосходство» сжиженного газа над трубопроводным?
Если в качестве «способов развития рынка СПГ» не использовать боевые действия, блокады, санкции – то мы получим интереснейшее, увлекательнейшее соревнование двух технологий. Если в дело не вмешаются политики и политиканы, то в выигрыше можем оказаться все мы, потребители этого энергетического ресурса, поскольку победителя определит только экономика – чем ниже себестоимость, тем больше шансы на выигрыш. Развиваются трубопроводные проекты, развиваются все технологии, связанные со сжижением газа и транспортировкой СПГ, приверженцы обоих направлений совершенствуют методы геологической разведки и добычи газа, его первичной обработки. Технологии сжижения и транспортировки СПГ в наше время стали явлениями геополитическими – сторонники глобализации газового рынка стараются убедить нас в том, что поставка СПГ значительно более гибка, чем тяжеловесные трубопроводные проекты, «намертво» связывающие поставщиков и потребителей природного газа. На этой идее, в частности, основаны все попытки американских добытчиков сланцевого газа конкурировать с поставками Газпрома на европейском рынке. Но словесная атака – это одно, а реальность, данная нам в ощущениях – нечто совсем другое.
Кадр из сериала «Game of Thrones», Фото: sickchirpse.com
В конце зимы и начале весны этого года жители Европы ощущения испытывали непривычные и неприятные – две недели аномальных морозов, обеспеченные атмосферным явлением, которое обозвали «Зверем с Востока», заставили иначе воспринимать слоган популярного сериала – «Winter is coming». Но за эти две недели «гибкие американские поставщики СПГ» не смогли доставить в Европу ни грамма своего чудесного товара – как выяснилось, «гибкость» поломалась из-за просторов Атлантического океана, на преодоление которого танкерам-газовозам как раз две недели и требуется. А «тяжеловесный и негибкий» Газпром за 14 дней установил 10 рекордов по суточным объемам поставляемого газа – в отличие от придуманного, нафантазированного мира торжества либеральной экономики, реальность оказалась куда как более прозаической. Но, может быть, эта история стала важным уроком, из которого сторонники развития рынка СПГ сделают совершенно определенные выводы? Как знать. Стоп. А как – знать? Да только имея информацию о том, как на самом деле, в реальности, идут дела у тех, кто развивает технологии сжижения и морской транспортировки – только так, и никак иначе.
И нам чертовски приятно познакомить читателей с нашим новым автором – человеком, который заморозил миллиарды молекул газа, который знает, что такое «загазировать танк» и как этот самый «танк» себя ведет, качаясь на волнах морей и океанов. По секрету сообщаем, что сегодняшняя статья Дмитрия Моргунова – первая, но далеко не последняя, а вот насколько она «не последняя», зависит от вас, уважаемые читатели. Чем больше будет вопросов – тем сложнее Дмитрию будет от нас «убежать» со словами «Да это никому не интересно!». Мы вот, коллектив Геоэнергетики, на 146% уверены, что тема морских перевозок СПГ не просто интересна, а очень интересна, и стиль изложения у Дмитрия – наш, «геоэнергетический», текст рассчитан не на профессионалов, а на тех, кто только-только знакомится с этой темой. Так что искренне поздравляем Дмитрия с его дебютом на страницах журнала Геоэнергетика.ru, а вас, уважаемые читатели – со знакомством с новым и интересным автором!
Натуральный газ. История развития отрасли
История использования натурального газа людьми, если не врут историки, насчитывает более 2000 лет. Уже в то древнее время китайцы разрабатывали газовое месторождение, используя вместо труб стволы бамбука. Определили сей факт историки благодаря следующему найденному рисунку.
Как они определили, что здесь нарисована именно добыча натурального газа, а не воды, к примеру, я затрудняюсь ответить и предлагаю читателю самому оценить достоверность этой информации. Но мне, как человеку, давно работающему в этой индустрии, признаюсь, льстит мысль, что моя профессия уходит столь далеко вглубь веков. Что интересно, газовая индустрия в Китае с тех пор не стояла на месте, порой рождая еще более странные способы транспортировки газа. Ниже вы видите фотографию давностью лет так 40 обратно. Именно так китайские крестьяне несли газ к себе домой – в этаких газовых шариках…
Разумеется, с природным газом в древние времена были знакомы не только китайцы. В разных местах нашей планеты рядом со свободными, горящими выходами газа на поверхность нередко строили храмы, поклонялись пламени и, само собой, использовали горящий газ для нехитрых нужд – для тепла, света, выпаривания соли и так далее.
Свободный выход газа на горе Янардак в Азербайджане. Гора была местом поклонения зороастрийцев
Ещё одна интересная историческая информация, такой же степени правдоподобности, – хочешь верь, а хочешь не верь, относится к первому опыту транспортировки газа морем, и уж совершенно точно повествует об опасностях этой транспортировки. Ну, а ещё, возможно, относится к происхождению одного слова, столь любимого англо-саксами.
Первая транспортировка газа морем.
Согласно этой истории, первая, хотя и невольная транспортировка газа морем началась уже в 16-17 веке. Дело в том, что в то время с удобрениями было туго. Точнее сказать, удобрений в нынешнем понимании слова ещё не существовало. Однако существовал навоз — удобрение всех времён и народов. Проблема состояла в том, что в некоторых местах его было мало (ну не было столько коров и людей для достаточного производства столь нужного и полезного для почвы продукта), а растить всякие злаки и овощи все равно хотелось.
Выход не заставил себя долго ждать и из мест, богатых навозом, данную субстанцию повезли в места, навозом бедные… И частенько везли морем — в сухом виде, ибо в таком виде он намного легче. Однако, порой, по неопытности грузили его в нижние, довольно сырые твиндеки (ну, не ввели они ещё должность Газ-Инженера! Впрочем, если бы они ввели его тогда — даже страшно подумать, как бы они назвали эту должность). Что делается с сухим навозом, при его соприкосновении с водой, объяснять, наверное, не надо? Для тех, кому все же надо, объясню – навоз начинает процесс ферментации, то есть начинает бурлить и бродить. И при этом процессе он активно начинает выделять газ. Ага, а вы как думали – именно этот газ и назвали позже (а, может, и тогда) – натуральным или природным. Натуральнее, действительно придумать трудно.
И вот, когда газ скапливался в достаточном количестве, одного матроса с лампой вполне хватало, чтобы судно уже никогда больше не вернулось в порт. Оно взрывалось и исчезало в пучине, добавляя печали к истории мореплавания. Впрочем, причину, в конечном итоге, все же нашли, и сразу же придумали способ, как с ней бороться – просто грузить тюки с навозом повыше, чтобы вода и сырость до них не добирались. И с тех пор на тюках с сухим навозом стали ставить клеймо:
Ship
High
In
Transit
Если вы прочитаете первые буквы клейма по вертикали, то вам станет вполне очевидно, что ваша инстинктивная уверенность, что этот термин и мореплавание связаны давно и тесно, базируется на убедительной исторической основе. Но, опять таки, насколько верить этой истории, остаётся личным делом каждого. Дальше пойдут уже факты, которые реально подтверждены доказательствами.
Мы знаем точно, что в 1802 году в Женеве впервые в истории улицы стали освещаться горелками с натуральным газом. Начиная с этого, тоже довольно далёкого времени, потребление и использование натурального газа на благо человека постоянно растёт и совершенствуется. Не будем приводить полный список как со временем менялось использование природного газа, но, если вкратце, то начиналось все с освещения улиц, а сейчас газ используют уже не столь расточительно — в основном для производства энергии, тепла и удобрений. Кстати, использовать натуральный газ как топливо для машин начали гораздо раньше, чем многие думают. Это сейчас с первого взгляда и не разобрать, какое топливо использует автомобиль, то первые эксперименты были заметны и невооруженным глазом.
Ученые и инженеры
Первый газ, который был сжижен — аммиак (NH3). Добился этого Майкл Фарадей в 1823 году. Будучи ещё скромным лаборантом и проводя какой-то опыт по заданию руководителя, Хампри Деви, Фарадей заметил зеленоватые капельки на стенках пробирки. Друг руководителя лаборатории, маститый учёный – доктор Пари, которому Фарадей показал эти капли, попенял молодому лаборанту, укорив: «Пробирки, молодой человек, надо мыть тщательнее!». Ну, не считали юного Майкла джентльменом в той лаборатории, церемоний с ним не разводили – Англия, дикари… Фарадей оскорбился, помыл пробирки ещё раз — и получил ещё раз тот же результат. Возможно, что и еще пару раз перемыл – для научной тщательности. После чего стал упорно исследовать полученный эффект и заслуженно получил лавры первооткрывателя процесса.
Первому, кому он сообщил об открытии, при этом очень нагло и самодовольно улыбаясь, был тот самый доктор Пари. Мне почему-то кажется, что, рассказывая о своем открытий, Фарадей получил удовольствие не только от самого факта этого научного достижения. Пересказ, конечно, вольный, но основа у него – строго документальная. Впрочем, на полвека вот этим все и ограничилось – ничего, кроме академического интереса. И аммиак не был в те времена чем-то востребованным, да и сжижение газа по методу Фарадея не было тем, что мы подразумеваем под сжижением сейчас – сжижение при помощи охлаждения.
В 1877 году Луи Поль Кайете (Louis Paul Cailletet) – французский физик и швейцарский физик Рауль Пикте (Raoul-Pierre Pictet), работая абсолютно независимо друг от друга, добились сжижения кислорода, причем методы у обоих были абсолютно разными. Пикте использовал сжатие кислорода до 320 бар и одновременное его охлаждение до -140 градусов. Кайете пошел другим путем, использовал эффект Джоуля-Томпсона – сжатие кислорода до большого давления с одновременным охлаждением, а потом быстрое его расширение. Газ при этом охлаждается еще глубже, и Кайете сумел получить капли жидкого кислорода. Оба этих способа, пусть и с изменениями, обусловленными развитием техники, но не затрагивающими физические принципы, используется для сжижения газов и в настоящее время.
Лаборатория Ольшевского
В 1883 году российские ученые (поляки по национальности, родившиеся в Гродно – на тот момент это была территория Российской Империи) Зигмунд Врублевский и Кароль Ольшевский, используя кипение этилена под низким давлением, добились достижения температуры в -150 градусов. При такой температуре Врублевски смог добиться сжижения таких газов как метан, азот и кислород. Им же впервые была создана установка для производства количеств сжиженного газа, значимых для проведения дальнейших экспериментов.
Водород сжижил в 1898 году Джеймс Дьюар, используя все тот же эффект Джоуля-Томпсона, а в 1899 году Дьюар получил и водород в твердом состоянии. Он же, кстати, изобрел и так называемый сосуд Дьюара, до сих пор используемый при хранение криогенных жидкостей. Сосуд представляет собой термос с вакуумом между стенками сосуда. Вакуумная колба оказалась настолько эффективна для теплоизоляции, что позволила сохранять газы в жидком состоянии на протяжении достаточно длительного периода, позволив изучить многие их свойства. Изобретение это используется до сих пор в том же виде, в каком его изобрёл Дьюар, однако сам он так и не получил никаких выгод от своего изобретения, поскольку компания “Тhermos” (узнаете название?) перехватила его изобретение и запатентовала его.
Судебное разбирательство он проиграл и, хотя он остался в истории изобретателем очень нужного нам всем сосуда, но название “Термос” мы используем до сих пор, а вот термин “сосуд Дьюара” знают лишь узкий круг специалистов.
Дьюар пытался сжижать и гелий, но в этом его опередил другой ученый – Голландский физик Хейке Камерлинк-Оннес (H. Kamerlingh Onnes) в 1906 году. Еще в 1894 году Камерлинг-Оннес в Лейденской криогенной лаборатории (которую он же и основал) разработал экспериментальную установку для сжижения газов, используя все тот же эффект Джоуля-Томпсона. Эта установка имела такую производительность, что смогла удовлетворить быстро растущие потребности лаборатории в течение нескольких десятилетий. С помощью этой установки был сжижен в значимых количествах водород и неон. В 1908 году, используя эту установку и совершенствуя ее, он сумел, наконец, приблизиться к температуре, близкой к абсолютному нулю – −273,15 °C при сжижении гелия (точка кипения –268,9 °С). За серию работ по изучению свойств материи, приведших к сжижению гелия, Камерлинг-Оннес в 1913 году был удостоен Нобелевской премии.
Не отставали от физиков и инженеры – впрочем, в то благословенное время зачастую было трудно отличить ученого от инженера. Немецкий механик Карл фон Линде в Мюнхене сконструировал первую компрессорную холодильную установку в 1873 году, используя контрпотоковый теплообменник для сжижения кислорода. Деловая хватка у Карла, в отличии от Дьюара, была что надо — все свои патенты (а их было не мало) он удачно использовал и открыл свое дело, которое передал сыновьям в 1910 году. Однако до самой своей смерти в 1934, он оставался и директором фирмы, и ее научным руководителем. Фирма, основанная им, существует и до сих пор.
Лаборатория Камерлиг-Оннеса
С тех пор развитие техники ушло далеко вперед, но базовые принципы термодинамики остались теми же. Сжижение газов используется и по сию пору в основном для целей разделения различных газов по фракциям за счет разниц в температурах кипения, а также для транспортировки и хранения газов. Газ при сжижении уменьшается в объеме от 365 (бутан), до 615 (метан) раз, что позволяет при сжижении хранить и перевозить его в компактном жидком виде.
Начало века
Интересно посмотреть, как со временем меняются приоритеты развития отрасли. Во время первой Мировой войны, в 1917 году, в США, в Техасе был построен завод по производству гелия из природного газа (содержание гелия в том месторождении природного газа было около 0.5 – 1%). Гелий был нужен для воздушных шаров, использовавшихся военными, а природный газ был лишь «побочным продуктом».
В настоящее время все стало с точностью до наоборот – уже гелий является всего лишь «побочным продуктом» при обработке природного газа. Ещё одним важным применением технологии сжижения газов стало получение практически чистого водорода. Этот водород затем химическим способом, смешивался с азотом (N2 + 3H2), и получался аммиак, который использовался для производства удобрений. Начиная с Первой мировой войны, такие заводы широко распространились по миру.
В России до революции 1917 года, да, впрочем, и долгое время после нее, газу особого внимания не уделяли. С одной стороны – хватало нефти и угля, с другой стороны, проблем в России всегда было много. Конечно, на газовые месторождения натыкались, но только при поисках нефти. Но иногда, случайно, натыкались на газ, что называется, в чистом виде. Например, в 1906 году саратовский купец Мельников решил выкопать артезинаский колодец. Когда добурились до 100 метровой глубины, по словам очевидцев «Из-под земли подул сильный ветер».
Ну конечно дело то было непонятное, такое конечно надо было обкурить. Закурили… Впрочем закурить не успели – взрыв, пламя. Вроде как все остались живы, хотя и слегка подкопчены и изрядно испуганны. По счастью, сын купца был на каникулах дома.
Учился он, кстати, в Рижском Политехе и видимо тогда там учили неплохо. Он взял пробы газа, отвёз в институт и подтвердил наличие метана.
Ну, а папенька его не зря был купцом – он построил на этом месте стекольный и кирпичный заводики с бесплатным топливом. Стекольный завод, кстати, пережил все революции и войны, и, что втройне удивительно – даже перестройку, хотя вот это уже, честно говоря, только по слухам. Если у этой статьи есть читатели из Саратова – ждем рассказа о судьбе заводика!
Конечно, история с саратовским купцом ближе к историческому анекдоту, но вспомнили мы ее тут не просто так. Газовая индустрия СССР и, стало быть, России, началась именно тут, но об этом уже в следующий раз.