Разработки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН нацелены на повышение эффективности хранения и транспортировки гидратов углекислого газа и метана. Использование последних в качестве альтернативных источников энергии поспособствует решению проблем экологии. Статья об исследовании была опубликована в Journal of Natural Gas Science and Engineering.

 Горение гидрата

 Горение гидрата

 

Глобальное потепление климата и экологические вызовы в последние десятилетия стали одними из наиболее острых и обсуждаемых проблем современного мира. Необходимость обеспечения безопасности окружающей среды вынуждает развитые страны быстрее переходить на более совершенные и чистые источники энергии. Выбор природного газа в качестве замены угля позволяет улучшить качество воздуха и значительно снизить выбросы углерода. Согласно прогнозам, уже к 2040 году спрос на него вырастет на 40%, в результате чего на долю этого вещества будет приходиться четверть общего объема всех используемых ресурсов. 

Как отмечает старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидат технических наук Сергей Яковлевич Мисюра, газовые гидраты метана являются крупнейшими резервуарами углеводородов. Эти льдоподобные твердые соединения состоят из элементарных ячеек, которые представляют собой внешний кристаллический каркас, образованный молекулами воды. Внутри него располагаются гостевые частицы метана. Известные месторождения гидратов природного газа широко распространены по всему миру и существуют в большем количестве, чем традиционные энергетические ресурсы. Чаще всего они встречаются на дне водоема, глубоко под землей и на территории вечной мерзлоты. Такая особенность связана с тем, что для поддержания устойчивости вещества необходимо очень высокое давление. В условиях нормального атмосферного давления его стабильность может быть обеспечена только при температурах ниже -80℃, иначе происходит диссоциация (распад) с выделением газа и льда. Залежи газовых гидратов способны сохраняться на протяжении многих миллионов лет, поэтому о времени начала их образования можно только догадываться.

По словам Сергея Яковлевича, развитие технологий добычи газа сдерживается недостаточной изученностью механизмов диссоциации гидратов. Поэтому одной из задач сотрудников ИТ СО РАН было экспериментальное исследование этого процесса в широком диапазоне температур, в том числе в области самоконсервации, связанной с аномально низкими скоростями распада вещества при существенных отклонениях от равновесного состояния. Ученые установили, что при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха порядка -5℃ крупные куски газогидратной породы могут храниться в течение нескольких месяцев, практически не подвергаясь процессу диссоциации. «Совместно с Институтом систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск) мы создали модель, которая позволяет оценивать распад соединений, когда мы приближаемся к температуре плавления льда. Применение самоконсервации позволяет снизить затраты на хранение природных и искусственно синтезированных газовых гидратов, так как в этом случае отпадает необходимость в поддержании экстремально низких температур», — отмечает Сергей Мисюра.

Экспериментальные исследования ученых ИТ СО РАН будут полезны и при создании технологий транспортировки газовых гидратов. Они доказывают, что наиболее эффективным с экономической точки зрения способом является создание крупных резервуаров, обеспечивающих поддержание температуры воздуха на уровне около -5℃. 

Самоконсервация гидратов

Самоконсервация гидратов

 

По словам Сергея Яковлевича, в случае использования традиционных источников энергии приходится тратить огромные средства на очистку от вредных примесей. Газогидраты же практически избавлены от последних: они не содержат окислов серы, а объем окислов азота минимален по сравнению с показателями угля. Исследователь рассказывает: «В настоящее время совместно с лабораторией доктора химических наук Андрея Юрьевича Манакова (Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН) отрабатывается технология сжигания гидратов горючих газов в виде прессованных таблеток и сфер большого диаметра».

Традиционные топлива применяются в энергетике, химических технологиях и так далее. Отходы этих производств невозможно полностью отфильтровать, к тому же далеко не все предприятия добросовестно этим занимаются. В результате опасные вещества попадают в атмосферу. Избыточное выделение углекислого газа является причиной глобального потепления и проблем с парниковым эффектом, поэтому одно из направлений исследований сотрудников ИТ СО РАН связано с применением газогидратов для утилизации CO2. Суть метода заключается в подаче углекислого газа в скважину вместо извлеченного метана. Осуществление этого процесса приводит к образованию газогидрата углекислого газа, который также способен в течение длительного времени находиться под большим давлением. Технология позволяет совмещать добычу источников энергии с ликвидацией вредных соединений.

В настоящее время исследования продолжаются. ИТ СО РАН активно сотрудничает с ведущими российскими институтами и университетами. Помимо дальнейшей работы в области утилизации и самоконсервации газовых гидратов, ученые планируют определить особенности их горения, а также разработать способы тушения пожаров с применением гидратов углекислого газа. Сергей Яковлевич отмечает: «В России есть огромные запасы газогидратов, поэтому данное направление очень перспективно для нашей страны. По оценкам международных экспертов, расходы по добыче природного газа из газогидратных месторождений уже сегодня соизмеримы с затратами на традиционные методы». Рано или поздно запасы старых источников будут исчерпаны, что сделает использование альтернативного ресурса крайне актуальным.

 

Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ

Фото и изображения предоставлены исследователем

Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН