Экологические аспекты переработки природного газа в современных условиях

Введение

Переработка природного газа играет фундаментальную роль в энергетическом секторе, однако ее воздействие на окружающую среду вызывает обоснованные опасения. В данной связи многими учеными рассматриваются и систематизируются экологические аспекты этого процесса (в контексте современных технологических и экономических реалий).

Глобальное изменение климата и растущая обеспокоенность экологическими проблемами ставят перед газоперерабатывающей отраслью серьезные вызовы. Несмотря на то, что природный газ считается более чистым источником энергии (по сравнению с углем и нефтью), его добыча, переработка и использование сопряжены со значительным воздействием на окружающую среду. Основная проблема заключается в поиске баланса между удовлетворением растущего глобального спроса на энергоресурсы и минимизацией негативного воздействия газоперерабатывающей промышленности на экосистемы.

Методы и материалы

Для изучения экологических аспектов переработки природного газа в нынешних условиях автором были использованы следующие методы исследования:

• обзор литературы (анализ научных публикаций, технических отчетов, патентов для выявления текущего состояния и тенденций в области экологизации газопереработки);
• оценка кейсов (изучены конкретные примеры успешного внедрения экологически чистых технологий на газоперерабатывающих предприятиях в различных странах).

Также использованы методы обобщения и системно-логического анализа при формулировке выводов.

Комбинация методов позволила получить целостное представление о проблеме.

В использованных при написании статьи научных источниках целесообразно выделить ряд ключевых направлений, которые объединяют подходы и технологии, сопряженные с переработкой природного газа, а также экологические аспекты нефтегазового сектора.

Первую группу составляют работы, посвященные научно-техническим нюансам и проблематике переработки. В частности, О. Е. Аксютин (2019) рассматривает комплексные вопросы, сопряженные с добычей, транспортировкой и переработкой газа, акцентируя внимание на научно-технических вызовах, возникающих в этой сфере [1, с. 321-325]. Аналогично И. В. Седов и соавторы (2018) проводят обзор технологий, направленных на повышение эффективности глубокой переработки природного газа, что отражает актуальность применения инновационных решений в газохимической отрасли [7, с. 1693-1707]. Работа А. А. Уразаева с соавторами (2017) также отражает особенности газохимических технологий, используемых в переработке [9, с. 50-51].

Вторая группа представлена исследованиями, посвященными вопросам выбора оптимальных технологий и экологическим аспектам переработки природного и попутного газа. Н. Б. Пыстина с коллегами (2017) рассматривают подходы к выбору наилучших доступных технологий, а также маркерных веществ и показателей, что важно для повышения результативности и экологической безопасности переработки [5, с. 68-76]. Ш. Д. Туляганов (2015) акцентирует внимание на модернизации технологических процессов, в рамках чего также предполагается задействование передовых разработок для улучшения экологических показателей [8, с. 10-12].

Третья группа – это труды, в которых исследователи фокусируются на экологических нюансах нефтегазового бизнеса. И. В. Разумовская (2016) рассматривает управленческие механизмы, высвечивает современный тренд на интеграцию требований касательно экологии в производственные процессы [6, с. 61-66]. Схожий подход демонстрирует в публикации Д. И. Нургалиева (2017), обсуждая экологическую составляющую эффективного ведения нефтегазового предпринимательства, что подчеркивает значимость учета соответствующих факторов в разработке и реализации стратегий компании [4, с. 293-295]. И. Ю. Филимонов (2018) анализирует требования при строительстве и эксплуатации объектов переработки природного газа (в ракурсе экологии), что дополняет общую картину влияния норм на производственные операции [10, с. 30-32]. Внимания заслуживает работа А.С. Белого (2019), в которой обсуждаются новые подходы и технологии переработки природного газа и нефти с целью создания экологически безопасных компонентов моторных топлив [2, с. 789].

Итак, представленные работы объединяются общей темой переработки природного газа, но различаются по акцентам на научно-технических, технологических и экологических аспектах. Авторы используют как обзорные подходы, направленные на систематизацию существующих технологий, так и эмпирические исследования, нацеленные на разработку новых решений (в увязке с современными экологическими требованиями).

Результаты и обсуждение

В первую очередь, целесообразно обратить внимание на основные проблемы, связанные с экологией, при анализируемой нами переработке. Как следует из научных публикаций [3, с. 23-26; 6, с. 61-66; 8, с. 10-12; 9, с. 50-51], речь идет о:

• выбросах парниковых газов;
• загрязнении водных ресурсов;
• воздействии на почву;
• шумовом и световом загрязнениях.

Так, процесс переработки сопряжен со значительными выбросами метана и углекислого газа. Метан, являясь мощным парниковым газом, обладает потенциалом глобального потепления гораздо выше, чем у CO₂ в 100-летней перспективе [4, с. 293-295]. Утечки CH₄ происходят на различных этапах: от добычи до транспортировки и переработки.

Углекислый газ выделяется при сжигании природного для обеспечения энергией перерабатывающих установок. Помимо этого, значительное количество CO₂ образуется в процессе удаления примесей из сырого газа, особенно при аминовой очистке.

Важно также подчеркнуть, что переработка требует больших объемов воды, которая используется для охлаждения оборудования, в технологических процессах. Сточные воды газоперерабатывающих заводов содержат различные загрязнители (тяжелые металлы, углеводороды, химические реагенты). Неадекватная очистка этих стоков закономерно влечет за собой эвтрофикацию водоемов, нарушение соответствующих экосистем.

Строительство и эксплуатация газоперерабатывающих комплексов приводит к изменению ландшафта, повреждению почвенного покрова. Утечки и разливы углеводородов способны вызывать долговременное загрязнение почв, снижая их плодородие, весомо нарушая функционирование биоты.

Функционирование компрессорных станций и факельных установок сопровождается значительным шумовым воздействием, что негативно влияет на местную фауну, качество жизни населения прилегающих территорий. В дополнение к отмеченному, постоянное освещение производственных площадок сказывается на естественных циклах активности животных и может дезориентировать мигрирующих птиц.

В увязке с отмеченным выше необходимо проанализировать современные подходы к минимизации экологического воздействия. Они представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Систематизация подходов к минимизации экологического воздействия при переработке природного газа (составлено автором на основе [3, с. 23-26; 4, с. 293-295; 6, с. 61-66; 8, с. 10-12; 9, с. 50-51]

Так, разработка и внедрение эффективных систем CCS позволяет значительно сократить выбросы CO₂ в атмосферу. Перспективным направлением служит использование мембранных технологий для селективного извлечения CO₂ из потоков отходящих газов с последующей закачкой в геологические формации.

К примеру, проект «Sleipner» в Норвегии, запущенный в 1996 году, является одним из первых крупномасштабных по улавливанию и хранению CO₂. К 2019 году в рамках этого проекта было захоронено более 20 миллионов тонн CO₂ в водоносном горизонте под морским дном в Северном море. Технология, применяемая на «Sleipner», позволяет улавливать до 1 миллиона тонн CO₂ ежегодно [1, с. 321-325]. В России пилотный проект по закачке в пласт был реализован на Новомолодежном месторождении в Оренбургской области компанией «Газпром нефть» в 2015 году. Хотя масштабы проекта были значительно меньше норвежского аналога, он продемонстрировал техническую возможность применения технологии CCS в российских условиях [7, с. 1693-1707].

Задействование солнечных и ветровых электростанций для энергоснабжения газоперерабатывающих заводов дает возможность снизить их «углеродный след». Внедрение гибридных энергетических систем, в которых сочетаются традиционные и возобновляемые источники, обеспечивает стабильность энергоснабжения при минимизации выбросов.

Так, например, в 2017 году компания «Shell» запустила проект по использованию солнечной энергии на газоперерабатывающем заводе в Омане. Соответствующая электростанция мощностью 25 МВт обеспечивает часть энергопотребления завода, что позволяет снизить выбросы CO₂. В России примером интеграции ВИЭ в нефтегазовой отрасли может служить проект «Газпром нефти» на Новопортовском месторождении. В 2019 году там была введена в эксплуатацию ветро-солнечная электростанция, которая обеспечивает электроэнергией системы телеметрии и катодной защиты трубопроводов.

В свою очередь, использование инфракрасных камер, лазерных детекторов, беспилотных летательных аппаратов позволяет оперативно обнаруживать и устранять утечки метана. Внедрение систем непрерывного мониторинга, вкупе с предиктивным техобслуживанием, помогает снизить риск аварийных ситуаций с выбросами.

К примеру, компания «ExxonMobil» в 2018 году начала использовать БПЛА с инфракрасными камерами в целях фиксации утечек метана на своих объектах в Техасе. Эта технология позволила выявлять утечки быстрее (по сравнению с традиционными методами) [7, с. 1693-1707].

Внедрение замкнутых циклов водоснабжения, а также современных методов очистки (мембранные биореакторы, передовые окислительные процессы и т. п.) позволяет минимизировать потребление свежей воды и снизить нагрузку на водные экосистемы.

Например, на газоперерабатывающем заводе «Pearl GTL» в Катаре, запущенном «Shell» в 2011 году, применяется замкнутая система водоснабжения. Завод перерабатывает все сточные воды и повторно использует их в производственном процессе. В России на Астраханском газоперерабатывающем заводе ООО «Газпром добыча Астрахань» в 2016 году была модернизирована система очистки сточных вод с внедрением мембранных биореакторов. Это позволило повысить качество очистки, увеличить объем повторно используемой воды [7, с. 1693-1707].

Разработка и реализация комплексных программ рекультивации, в которых предусмотрены фиторемедиация и биоремедиация загрязненных почв, способствует восстановлению экологического баланса на территориях, затронутых газоперерабатывающей деятельностью.

К примеру, компания «Total» реализовала масштабный проект по рекультивации территории бывшего газоперерабатывающего завода в Лак-де-ла-Мюэтт (Франция), закрытого в 2013 году. К 2019 году была проведена очистка почвы и грунтовых вод, а на территории создан экологический парк площадью 12 гектаров. В России примером служит проект по рекультивации нарушенных земель на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении. С 2015 по 2019 год ООО «Газпром добыча Оренбург» провело биологическую рекультивацию на площади более 140 гектаров, что позволило восстановить плодородие почв и вернуть земли в хозяйственный оборот.

Что касается инновационных технологий в переработке природного газа, то их уместно подразделить на ряд категорий, исходя из содержания научных трудов [2, с. 789; 5, с. 68-76; 8, с. 10-12; 9, с. 50-51]. Первая из них связана с каталитическим парциальным окислением. Данное направление позволяет преобразовывать метан в синтез-газ при более низких температурах, чем традиционный паровой риформинг, что снижает энергозатраты и, соответственно, выбросы CO₂. Разработка новых катализаторов на базе никеля и редкоземельных элементов повышает селективность процесса, уменьшает образование побочных продуктов. Вторая категория представлена мембранным газоразделением. Применение полимерных и металлических мембран для сепарации компонентов природного газа дает возможность снизить энергопотребление по сравнению с традиционными методами разделения. Перспективным направлением является разработка мембран с молекулярными ситами, обеспечивающих высокую селективность разделения при низком перепаде давления. В третью категорию входят микроканальные реакторы. Их использование в процессах переработки природного газа позволяет интенсифицировать тепло- и массообмен, что приводит к повышению эффективности, сокращению энергозатрат. Рассматриваемая технология особенно перспективна для малотоннажного производства синтетических топлив из природного газа.

Итак, использование инновационных технологических разработок позволяет значительно повысить результативность и экологичность процессов переработки, однако каждая технология имеет свои сильные и слабые стороны. В представленной ниже таблице охарактеризованы основные достоинства и ограничения некоторых инновационных решений касательно переработки природного газа.

Таблица

Характеристика сильных и слабых сторон инновационных технологических разработок (составлено автором)

Так, несмотря на значительные преимущества инновационных технологий в переработке природного газа (повышение результативности, гибкость, экологическая безопасность) каждая из них требует серьезных капитальных вложений, а также тщательного контроля процессов. Выбор должен основываться на конкретных производственных задачах, экономической целесообразности, доступности ресурсов.

Экономические аспекты экологизации газопереработки сопряжены со следующими тезисами (рис. 2):

Рис. 2. Выделение экономических аспектов экологизации переработки природного газа (составлено автором на основе [2, с. 789; 4, с. 293-295]

Так, внедрение систем торговли квотами на выбросы и углеродных налогов стимулирует газоперерабатывающие предприятия к инвестициям в экологически чистые технологии (ЭЧТ). Вместе с тем, требуется учитывать риски «углеродной утечки» – переноса производств в регионы с менее жестким экологическим регулированием.

Разработка и реализация программ субсидирования исследований и внедрения ЭЧТ в газопереработке содействует ускорению технологического перехода. Важнейшим аспектом служит создание механизмов государственно-частного партнерства для разделения рисков при внедрении инновационных решений.

Формирование системы сертификации и торговли «зеленым» газом, произведенным с минимальным «углеродным следом», обеспечивает появление экономических стимулов для экологизации производства. Интеграция этих механизмов в международные системы торговли энергоносителями открывает дополнительные возможности для экспорта.

Выводы

Современные технологии позволяют существенно снизить выбросы парниковых газов и других вредных веществ в процессе переработки газа, что делает этот вид топлива более экологичным по сравнению с традиционными источниками энергии. Введение систем улавливания и хранения углерода, а также переход на методы глубокой очистки, способствуют минимизации экологического воздействия, что является приоритетом для многих стран и компаний.

Тем не менее существуют значительные вызовы, связанные с переработкой (предотвращение утечек метана, минимизация загрязнения воды, почвы). Для достижения устойчивого будущего необходимо продолжать развивать инновации в области очистки и утилизации отходов, а также внедрять более строгие экологические стандарты. Текущие усилия показывают положительную динамику, но требуется более активное сотрудничество на международном уровне (из соображений преодоления глобальных экологических вызовов).

Резюмируя, следует отметить, что переработка природного газа в современных условиях требует взвешенного и содержательного по функционалу подхода к решению экологических проблем. Интеграция инновационных технологий, совершенствование нормативно-правовой базы, развитие экономических механизмов стимулирования «зеленых» инноваций помогают сформировать базис для устойчивого развития отрасли. Как представляется, в качестве ключевого фактора успеха выступает достижение баланса между экономической эффективностью и минимизацией негативного воздействия на окружающую среду.