Вода обеспечивает три важнейшие для человечества функции: 1) производство продовольствия, 2) производство энергии и промышленной продукции, 3) бытовое водопотребление и удовлетворение санитарно-гигиенических потребностей. Беспрецедентный рост мировой экономики в ХХ в., сопутствующее этому увеличение антропогенной нагрузки на экосистемы и природные водные объекты стали причиной возникновения дефицита воды во многих регионах мира. Конечно, с нехваткой воды человечество знакомо едва ли не с момента своего возникновения, но ее сегодняшние масштабы совершенно беспрецедентны.
По данным ООН [1], уже сейчас более 2,2 млрд. людей живут в условиях постоянного дефицита пресной воды, около 2 млрд. страдают от него регулярно (в сухой сезон и т. п.). По прогнозам ФАО, к середине третьего десятилетия XXI в. численность живущих при перманентной нехватке воды превысит 4 млрд. человек. Количество стран с большим дефицитом воды к 2025 г. увеличится до 51, охватывая ещѐ 21 страну: Буркина-Фасо, Китай, Камерун, Доминиканская Республика, Эфиопия, Гана, Индия, Иран, Луанда, Лесото, Мавритания, Нигерия, Пакистан, Перу, Судан, Сирия, Танзания, Того, Уганда, Зимбабве. Подобные прогнозы представляются весьма правдоподобными [1][8][17]. Еще в 1997 г. Дж. Родда [18] экстраполировал растущую кривую глобального водопотребления (при трех возможных сценариях) и падающую кривую экономически доступных водных ресурсов. Отметим, что при экстраполяции учитывались только сложившиеся тенденции, уже действующие факторы негативного антропогенного воздействия на водные источники (загрязнение, истощение вследствие недопустимо высокого водозабора, осушение верховых болот с неизбежным высыханием питаемых ими малых рек, сведение лесов на водосборе и т. д.). Ожидаемые, но еще практически непроявившиеся факторы (например, потепление климата) в прогнозах такого рода не могут быть учтены. Получилось, что кривые водопотребления и доступных ресурсов пересекаются в 2035–2045 гг. (в зависимости от сценария). Однако за прошедшие 10 лет выяснилось, что потребление растет «круче», чем в самом неблагоприятном сценарии, а объем доступных ресурсов сокращается быстрее, чем в период, взятый за базу при экстраполяции, – при соответствующих корректировках пересечение приходится уже примерно на 2025–2030 гг. [7-9]. Из-за нехватки воды и перспектив изменения климата в странах с дефицитом водных ресурсов могут возникать региональные конфликты и, соответственно, может начаться масштабное переселение из региона миллионов людей, как было не раз в истории Ближнего Востока.
Экологическая ситуация в странах региона Персидского залива
Основной природно-ресурсной проблемой стран Персидского залива является постоянно растущий дефицит пресных вод, особенно в летние месяцы (рисунок 1).
Частые продолжительные засухи в сочетании с чрезмерным забором поверхностных и подземных вод через большую сеть гидротехнических сооружений и глубоких колодцев обострили ситуацию с водой в странах РПЗ до критического уровня. Об этом свидетельствуют высыхание озер, рек и водно-болотных угодий, снижение уровня грунтовых вод, проседание земель, ухудшение качества воды, эрозия почвы, опустынивание и участившиеся пыльные бури. Кроме того, в регионе участились экстремальные погодные явления, такие как удлиняющиеся год от года периоды сильной жары и засухи, что также отрицательно сказалось на качестве и количестве водных ресурсов. Такие отрасли, как сельское хозяйство, энергетика и водоснабжение, производство и туризм, страдают от нехватки воды.
Отсутствие достаточного количества пресной воды является серьезной проблемой, поскольку проникающая в пресноводные подземные воды соленая вода отрицательно сказывается на здоровье населения, ухудшает качество почв и снижает урожайность. Согласно публикации Всемирного банка [7][19], более 70% ~ 90% воды, потребляемой в регионе, используется в сельском хозяйстве, и только малая ее часть приходится на промышленное и бытовое использование. Нехватка водных ресурсов приводит к неблагоприятным последствиям для местной промышленности, вплоть до закрытия водоемких производств, особенно в южных регионах. Рост энергопотребления в странах Персидского залива становятся все более серьезным из-за изменения климата и быстрой индустриализации, особенно в нефтегазовом секторе экономики, что способствует увеличению загрязнения природных вод. В странах региона жаркий и влажный климат. Используя три климатические модели, исследователи оценили изменения сухого и влажного тепла в регионе к 2071–2100 гг. [12]
На Рисунке 2 показан термический режим на обширной территории стран Персидского залива за период 1948–2013 гг. Анализ низкочастотных колебаний приземной температуры воздуха в регионе выявил тенденцию длительного долгого перехода от зимы к лету: зимой в течение 1948–2013 гг. (66 лет) температурный режим мало изменчив, летом наблюдается достаточно интенсивный рост температуры воздуха, что усиливает засушливость климата региона в целом (Рисунок 3). Рост биоклиматических индексов – «индекса жары» и эффективной температуры в летний период свидетельствует о снижении уровня комфортности местного климата. Согласно результатам корреляционного анализа установлено, что на термический режим стран Персидского залива оказывает влияние Северная Атлантика и Арктика через механизм североатлантического и арктического колебаний [13]. Таким образом, влажное тепло в регионе к 2071–2100 гг., стремительно будет расти, и нахождение на открытом воздухе могут стать опасными для здоровья человека. При экстремальных погодных условиях вдоль побережья Персидского залива также могут ограничить расширение развития, поскольку для рабочих станут более опасными такие виды деятельности, как строительство, портовые операции и добыча нефти и газа.
Хотя климатические изменения и экономические санкции (в случае Ирана) называют основными причинами проблем с водой, страны РПЗ в основном страдают от «социально-экономической засухи», т.е. налицо «водное банкротство», когда спрос на воду превышает естественное водоснабжение. Теоретически эту проблему можно решить путем восстановления баланса между спросом и предложением воды за счет развития дополнительных источников водоснабжения и водоотведения. Для решения этих проблем региональные и местные органы власти внедряют ряд инициатив по сокращению потребления энергии и воды, стимулированию использования возобновляемых источников энергии и инвестированию в более совершенные методы управления водными ресурсами, которые, однако, не способны решить главную проблему нехватки воды и только приводят к отсрочке неминуемого коллапса.
Опреснительная промышленность является эффективным решением для стран Персидского залива, но используется некоторыми монархическими арабскими странами не так давно, а это не лучший способ для таких стран, как Ирак с критической энергетической ситуацией, так как процесс опреснения связан не только с большими затратами энергии, но и с огромными вложениями первоначальные капитала [3]. Этот процесс также наносит вред окружающей среде, так как производит токсичный газ при выработке электроэнергии, которая расходуется на опреснение морской воды. С другой стороны, сточные воды, образующиеся в процессе опреснения морской воды, сильно загрязнены сверхтяжелыми и/или радиоактивными элементами, и они сбрасываются непосредственно в Персидский залив (Рисунок 4). что приводит к экологической катастрофе в регионе, становится угрозой для водного и рыбного хозяйства региона
В отличие от многих стран, в РПЗ добывают воду и нефть из одного и того же ресурса. Нехватка воды и добыча нефти взаимосвязаны: когда количество нефти уменьшается, то же самое происходит и с водоснабжением. Другими словами, по мере увеличения потребления воды количество извлекаемой нефти уменьшается [22]. Это вызывает серьезную озабоченность в связи с растущими трудностями, с которыми сталкивается регион при добыче нефти. Опреснительные установки используют нефтяное топливо, и, таким образом, страны РПЗ, по сути, превращают нефть в электроэнергию и воду. Этот неэффективный способ снабжения региона водой может стать проблемой в ближайшие годы из-за сокращения запасов нефти и усиления глобальной конкуренции за доступ к водным ресурсам и окажет непосредственное влияние на устойчивость внутренней и внешней экономики стран РПЗ. Таким образом, распространенный в странах РПЗ опреснение воды за счет сжигания нефти является малоэффективным методом потому, что он в значительной степени способствует мировой конкуренции за нефть.
Чтобы решить данную проблему, помимо новых стандартов водопотребления, необходим новый подход к фундаментальным решениям проблемы нехватки воды, таким как другие способы производства пресных вод и инновации в управлении водными ресурсами.
Мини газотурбинные электростанции для использования на нефтегазовых месторождениях, как частичное решение водной проблемы
В качестве альтернативной установки получения пресных вод авторы предлагают использование мини газотурбинной электростанции из атмосферного воздуха. Схема управления электростанциями для получения пресной воды из атмосферного воздуха с цеховой структурой представлена на рисунке 6. В соответствии с технологическим процессом производства электрической и тепловой энергии на газотурбинных электростанциях (ГТЭС) и общими требованиями управления, организационная структура ГТЭС состоит из производственных подразделений (цех ремонтный, цех подачи топлива, цех пожарный, цех электрический, и цех управления и автоматики, цех производственно-техническая служба) и функциональных отделов. и ГТУ находится в отделе БЛОК 1. Также ниже ГТУ находится в БЛОК 2 с агрегатом для производства воды из воздуха. Для данного блока тоже существует цех насоса воды и резервуар воды. Данный аппарат работает на основе 3S и функциональный сопло Лаваля. В начале сопла существует вентилятор, который получает электроэнергию из блока-1. Соответственно воздух (теплый и с высокой влажностью в районе Персидского залива) со скоростью входит в агрегат и через сопла Лаваля достигает большой скорости и охлаждается на основе теории термофизики и газодинамики. Надо отметить, что после 2-ой части (сопла Лаваля) образуется 2-ух фазовый поток с вихревым явлением из-за влияния вращения вентилятора. 3-тья часть состоит из сепаратора, который способен выделить тяжелый поток со смесью вода-воздух и в результате выпускать сухой воздух из диффузора. Как уже написано, двухфазовая смесь выходит в другой аппарат, и там образующиеся капли воды собираются и направляются в резервуар.
Эффективность потребления топлива данного агрегата очевидна при условии, что двигатель ГТЭС является авиадвигателем (в котором установлен модификацией камеры сгорания (КС) с переходом с корзины на сжиженный природный газ (СПГ)). В этом случае КПД выше и потребление топлива меньше, по сравнению с дизель-поршневым генератором. Также отметим, что в отличие от больших ТЭС (Рисунок 4), себестоимость воды и количество выбросов вредных веществ значительно ниже [21]. Это помогает сохранить окружающую среду в РПЗ и обеспечить электроэнергией и водой одновременно нефтегазовые предприятия региона.
Заключение
Основная проблема проистекает из того факта, что политические разногласия между странами РПЗ мешают им управлять природной экосистемой Персидского залива как интегрированной климатической зоной, и, следовательно, страны вынуждены ограничивать усилия в пределах своих границ, независимо от того, что происходит в других частях системы. Переход стран к альтернативным топливно-энергетическим источникам доходов требует социально-экономической готовности, в то время как существуют экологические препятствия, политическая напряженность и геополитическое соперничество. Если не будет выработан совместный подход к смягчению последствий изменения климата, сопровождающийся переориентацией экономики РПЗ, ситуация скорее ухудшится, чем улучшится. Для решения проблем, связанных с изменением климата, необходимо комплексное региональное сотрудничество.
Для успешного перехода от сырьевой экономики к экономике, основанной на знаниях законов экологии региона, требуются коллективные действия, такие как увеличение инвестиций в региональные исследования и разработки и участие новых игроков, таких как РФ и КНР, с их масштабными возможностями, капиталом и технологиями.
Отсрочить неизбежный рост дефицита водных ресурсов в странах РПЗ может повсеместное внедрение на нефтегазовых месторождениях мини ГТЭС для получения пресной воды из атмосферного воздуха.
Литература
1. Д.А. Шимко, О.Б. Бондарчик Проблема дефицита пресной воды в мире // Alfabuild. - 2017. - №1 (1). - С. . 7-15.
2. Щинников П.А. Природоохранные технологии на ТЭС и АЭС. Конспект лекций. - Калининградский государственный технический университет: 2014 URL: https://studfile.net/preview/1193524/
3. Amin Shirvani, Seyed Mohammad Jafar Nazemosadat, Ercan Kahya Analyses of the Persian Gulf sea surface temperature: prediction and detection of climate change signals // Arabian Journal of Geosciences (Springer) . - April 2014. - №8(4). - С. 2121-2130. URL: https://www.researchgate.net/publication/276101271_Analyses_of_the_Persian_Gulf_sea_surface_temperat...
4. Mani Momeni, M. N. Zakharov, Новый подход к применению газотурбинного двигателя в маломощной электростанции на нефтегазовых платформах, Международный молодежный научный форум «Ломоносов-2022»
5. Всемирный институт ресурсов, атлас рисков воды в акведуках. Вуд Маккензи, первооткрыватель разведывательных исследований.
6. Aqueduct Water Risk Atlas // Water risk atlas url: https://www.wri.org/data/aqueduct-water-risk-atlas (дата обращения: 2023).
7. В.И. Данилов-Данильян//Глобальная проблема дефицита пресной воды // Век глобализации. - Москва: 2008 • № 1. - С. 45-56.
8. Rodda, G. On the problems of Assessing the World Water Resources // Geosci and Water Resource Environment Data Model. – Berlin: Heidelberg, 1997. – P. 14–32.
9. Water Desalination in the Persian Gulf Region: A Potential Cause of Global Political Havoc // medium URL: https://medium.com/@nckb/water-desalination-in-the-persian-gulf-region-a-potential-cause-of-global-p... (дата обращения: 14.02.2023).
10. Satellite Monitoring of Oil Pollution in the Persian Gulf // scanex.ru URL: https://new.scanex.ru/en/company/news/satellite-monitoring-of-oil-pollution-in-the-persian-gulf/ (дата обращения: 14.02.2023).
11. A. Shirvani & S. M. J. Nazemosadat & E. Kahya Analyses of the Persian Gulf sea surface temperature:prediction and detection of climate change signals // Arabian Journal of Geosciences (Springer) . - 2014. - №8(4)
12. Pal, S. J. and Eltahir, E. A. B. (2015) Future temperature in southwest Asia projected to exceed a threshold for human adaptability, Nature Climate Change, doi:10.1038/nclimate2833
13. Mani Momeni, Ardeschir Momeni, M. N. Zakharov, Новое примнение сопла лаваля, // Деловой журнал Neftegaz.ru. - September 2022. - №8(128). - С. 86-89. URL: https://www.researchgate.net/publication/366249848_Novoe_primnenie_sopla_lavala..
14. Глобальная экологическая перспектива 3. – М.: ИнтерДиалект, 2002; Вода для людей, вода для жизни. Доклад ООН о состоянии водных ресурсов мира. Обзор (Программа оценки водных ресурсов мира). – М., 2022 [URL]- https://www.un.org/en/global-issues/water
15. The Silent Tsunami: Summer Course Examines Food Insecurity and Poverty // United Nation URL: https://www.un.org/en/academic-impact/silent-tsunami-summer-course-examines-food-insecurity-and-pove... (дата обращения: 13.03.2023).
16. В. И. Данилов-Данильян Глобальная проблема дефицита пресной воды // Проблема дефицита пресной воды. - С. 584-596.
17. Irrigation in the Middle East region in figures. - 34 изд. - Rome: Fa O Water Reports, 2008. - 423 с.
18. Сакова Наталья Владимировна Анализ экологичности газотурбинной теплоэлектростанции // ОНВ. 2010. №3 (93). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-ekologichnosti-gazoturbinnoy-teploelektrostantsii (дата обращения: 13.03.2023).
19. Antonia A. Sohns, Diego J. Rodriguez, Anna Delgado is a Thirsty energy (ii): The importance of Water for oil and Gas extraction // Live Wire. - 2016. - №56. - С. 1-8.
