В статье содержится обоснование использования атомной энергетики (АЭ) для энергообеспечения морской добычи нефти и газа российского Арктического шельфа. Обоснование выбора ядерного энергообеспечения, как наиболее адекватного ледовым условиям Арктики, проведено на основе оценки количественных и временных параметров необходимого энергообеспечения с учетом выявленных ресурсов и объявленных темпов добычи углеводородов (УВ), сравнения ядерного и углеводородного энергообеспечения с точки зрения экологии, рисков и современного состояния актуальных технологий. Предлагается атомное энергообеспечение арктических морских нефтегазовых технологий с использованием высоконадежных инновационных малых модульных атомных станций на основе судовых атомных энергетических установок.
На протяжении последних десятилетий наблюдается увеличение объемов мировой добычи углеводородов на шельфовых месторождениях. Это связано с развитием современных морских в т.ч. подводных технологий добычи, подготовки и транспортировки скважинной продукции, а также с истощением материковых месторождений. Наиболее перспективными по ресурсному потенциалу являются шельфовые месторождения арктических морей, освоение которых входит в число стратегических приоритетов России. В «Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» определено, что основные цели государственной политики по освоению шельфа Арктики будут достигаться путем разработки и внедрения инновационных технологий.
Для обустройства месторождений и эксплуатации технологических систем добычи, сбора, обработки и транспортировки углеводородов на Арктическом шельфе требуются огромные капитальные и эксплуатационные вложения. Ключевым вопросом является энергообеспечение нефтегазовых промыслов в Арктике.
В различных частях мирового океана сегодня входит в практику освоение углеводородных ресурсов континентального шельфа с применением инновационных подводных промыслов с использованием всего оборудования в подводном исполнении. Концепция подводного промысла с автономным подводным добычным комплексом представляется безальтернативной для освоения углеводородных месторождений в ледовых условиях Арктического шельфа.
Преимущественное применение автономных подводно-подледных технологий в условиях Арктического шельфа может оказаться обусловленным в первую очередь наличием протяженных по времени либо круглогодичных ледовых режимов на значительной части акватории Северного Ледовитого океана, а также удаленностью месторождений от берега. Практическое применение подводных технологий для освоения газовых и нефтяных месторождений Арктического шельфа будет связано с энергообеспечением и с достижением необходимой надежности и автономности этих технологий.
В настоящее время для энергообеспечения объектов обустройства морских нефтяных и газовых месторождений используют углеводородные энергетические установки, устанавливаемые непосредственно на платформах или на берегу с передачей электроэнергии по подводному кабелю. Для обеспечения добычи, подготовки и транспортировки скважинной продукции применяются технические устройства и системы со значительными уровнями потребляемой мощности. Достигающие многих сотен километров расстояния от берега, постоянный ледовый покров осложняют или исключают передачу электроэнергии по подводному кабелю.
При разработке месторождений в сложных климатических условиях Арктического шельфа и при наличии круглогодичного ледяного покрова энергообеспечение на основе сжигания органического топлива представляется затруднительным или вовсе невозможным. Высокий уровень установленных мощностей и их работа в течение десятилетий в случае использования углеводородного топлива будет иметь следствием огромные выбросы в атмосферу парниковых газов, а также увеличит вероятность разливов жидкого топлива в ледовых условиях Арктического шельфа. Энергообеспечение арктических технологий должно соответствовать значительно более высокому уровню экологической и промышленной безопасности.
Известно, что объемы аварийных разливов нефти при ее транспортировке на порядок выше, чем при морской добыче, при этом большинство аварий танкеров, повлекших разливы нефти, связаны с «человеческим фактором». Имеющаяся статистика составлена для гораздо более благоприятных условий танкерных перевозок, чем в акваториях Арктического шельфа, где будут иметь место ледовая обстановка, обледенение судов, плохая видимость из-за туманов и протяженного зимнего периода. Известная катастрофа танкера “Exxon Valdez” у южных берегов Аляски оказала огромное региональное негативное воздействие на экосистему и показала особую экологическую уязвимость Арктики [1].
В то же время, на основе российского опыта применения атомной энергии в Арктике, высказывается мнение, что без использования ядерных технологий дальнейшее освоение Арктического региона немыслимо [2].
Целью данной работы является экспертиза вопросов энергообеспечения морских нефтегазовых технологий и производств в ледовых условиях Арктического шельфа путем сравнения ядерного и углеводородного вариантов. Количественные оценки касаются западной части российского Арктического шельфа – Баренцева, Печорского и Карского морей и несет качественный характер.
В оценках вопросов энергообеспечения нефтегазовых производств на Арктическом шельфе использовались сведения об извлекаемых ресурсах УВ Арктического шельфа России, планируемых объемах добычи, продолжительности выработки ресурсов и энергопотреблении нефтегазовых технологий.
Ресурсы углеводородов Арктического шельфа России
По данным геологической службы США (US Geological Survey, USGS) в Арктическом регионе сконцентрировано более 22 % мировых ресурсов углеводородного сырья, в том числе 30 % природного газа, 20 % газового конденсата и 13 % сырой нефти; при этом до 70 % ожидаемых запасов сосредоточен в российском секторе Арктики.
«Энергетической стратегией России на период до 2035 г.» начальные суммарные извлекаемые ресурсы УВ континентального шельфа России определяются в 90,3 млрд. тонн условного топлива, из которых 16,5 млрд. тонн нефти с конденсатом и 73,8 трлн. куб. м газа. Около 70% этих ресурсов приходится на шельфы Баренцева, Печорского и Карского морей [4], [5], составляющих суммарно около 50 % арктического шельфа РФ.
На основании вышеизложенного, а также с учетом предполагаемых коэффициентов извлечения нефти – 0,3 и газа – 0,85, примем для дальнейших оценок, что извлекаемые ресурсы нефти и конденсата в западной части Арктического шельфа в недрах Баренцева, Печорского и Карского морей составят 3,5 млрд. тонн и газа – 44 трлн. м3.
По прогнозам директора Института проблем нефти и газа РАН А.Н.Дмитриевского, к 2035 году Россия будет добывать на своем Арктическом шельфе до 30 млн. тонн нефти и 130 млрд. кубов газа в год [6].
Энергопотребление нефтегазовых технологий
Для определения мощностей, необходимых для энергообеспечения объектов нефтегазовых промыслов при освоении углеводородных месторождений Арктического шельфа России, были оценочно определены удельные энергозатраты различных нефтегазовых технологий, представленные в таблице 1.
Представленные в таблице 1 оценки удельных энергозатрат были выполнены по данным Штокмановского газоконденсатного и Приразломного нефтяного проектов и проектов производства сжиженного природного газа (СПГ) [7], [8], [9].
Необходимые мощности
При заданных темпах добычи и удельных энергозатратах для различных нефтегазовых технологий выполнены оценки необходимых установленных мощностей для добычи углеводородных ресурсов на Арктическом шельфе России, представленные в таблице 2.
Таким образом, суммарная установленная мощность, необходимая для энергообеспечения нефтегазовых производств на Арктическом шельфе России, может достигнуть весьма значительной величины. При этом не оценивались и не учитывались энергозатраты на разведку и морские перевозки углеводородов.
В определенных условиях возможна передача электрической энергии по подводным кабелям. По оценкам, для условий российского Арктического шельфа примерно ~40 % необходимой мощности могут быть установлены на берегу с передачей электроэнергии потребителям по подводным кабелям и ~60% мощностей должны быть реализованы в автономном подводно-подледном исполнении для энергообеспечения промыслов, отстоящих от берега далее 200÷300 км. Здесь автономная подводно-подледная атомная энергетика представляется безальтернативной.
Требования к энергетическим установкам
В таблице 3 представлены уровни необходимых мощностей энергетических установок в зависимости от вида и функций объекта нефтегазового промысла.
В зависимости от целевых функций объектов обустройства месторождений УВ уровень мощности их энергоустановок может варьироваться от нескольких до нескольких сот МВт(эл). Очевидно, что из условий надежности необходимая мощность энергообеспечения нефтегазовых объектов и процессов на Арктическом шельфе будет, как и в других энергоемких технологиях, достигаться одновременным подключением и использованием нескольких энергоисточников меньших единичных мощностей. Т.о. можно определить, что для энергообеспечения освоения Арктического шельфа потребуются инновационные атомные энергоисточники единичной мощностью, не превышающей 300 МВт(эл), что соответствует диапазону малых по определению МАГАТЭ мощностей. Этот диапазон мощностей, в основном, соответствует освоенному в эксплуатационной, производственной и проектной практике российского атомного судостроения.
Атомное энергообеспечение vs альтернативное энергообеспечение
В условиях Арктического шельфа особенно важными требованиями к энергетическим установкам являются требования повышенной надежности и минимального воздействия на окружающую среду при приемной экономике. Также актуальным является требование минимального обслуживания энергетической установки вплоть до ее полной автономности.
Сравнительный оценочный анализ вопросов углеводородного и атомного энергообеспечения объектов нефтегазовых промыслов Арктического шельфа выполнен в аспектах надежности, безопасности, экологии и экономики.
Надежность
В качестве прототипов для энергообеспечения объектов нефтегазового производства на Арктическом шельфе рассматриваются действующие и проектируемые судовые АЭУ и установки на их основе. Опыт советской и российской судовой атомной энергетики превышает 6 тыс. реакторо×лет и составляет около половины опыта мировой атомной энергетики. Судовую АЭ отличают: упрощенная конструкция, индустриальное серийное производство, минимальное обслуживание вплоть до полного отсутствия такового в процессе работы, наличие технического обеспечения реализации всего жизненного цикла судовых АЭУ от проектирования до утилизации. Все это подтверждает и обеспечивает наиболее высокую в пространстве атомной энергетики надежность судовых АЭУ и наибольшее соответствие создаваемых на их основе атомных энергетических установок требованиям и условиям работы на объектах нефтегазового производства на Арктическом шельфе.
Высокая надежность судовых АЭУ подтверждена, в частности, в имевших место катастрофах морских объектов с атомными энергетическими установками.
Обслуживание АЭУ, установленных на объектах морской нефтегазодобычи в Северном Ледовитом океане, может быть обеспечено ядерной инфраструктурой российского Севера.
Использовании энергоисточников, сжигающих органическое топливо для решения задач по энергообеспечению добычи углеводородов на Арктическом шельфе будет определяться такими факторами, как с одной стороны, полная технологическая освоенность в необходимом диапазоне мощностей и с другой стороны, неизбежным наличием значительных и длительных выбросов парниковых газов, а также при определенных и вполне ожидаемых обстоятельствах необходимостью подбора топлива, необходимостью изготовления, прокладки и поддержания работоспособности подводно-подледных протяженных силовых кабельных сетей, невозможностью автономного энергообеспечения подводно-подледных объектов морских нефтегазовых промыслов в ледовых условиях Арктического шельфа на больших удалениях от берега.
Экология: атомная энергетика
Атомная энергетика в качестве энергоисточника для освоения ресурсов нефти и газа Арктического шельфа является наиболее экологически чистым способом генерации универсальной энергии.
50-летнее присутствие атомного флота в Северном Ледовитом океане не оказало заметного влияния на окружающую среду, даже с учетом аварийных событий в начальный период атомной истории Арктики. Концентрация радионуклидов в воде и бионтах остались практически на фоновых уровнях. Более явным оказался перенос некоторых нуклидов в Баренцево и Карское моря с радиохимических заводов Великобритании и Франции [10].
Использование АЭУ для энергообеспечения нефтегазовых промыслов на Арктическом шельфе не повлечет за собой каких-либо выбросов в атмосферу. Тепловое воздействие на воды Северного Ледовитого океана будет локальным и несопоставимо малым, в сравнении с естественными колебаниями температур от постоянно-действующих систематических факторов и океанских течений.
Атомное энергообеспечение сократит вероятность разливов нефти во льдах, для ликвидации которых сегодня нет эффективных технологий.
Экология: углеводородная энергетика
Морская добыча и перевозки нефти ведутся более 100 лет. Сегодня загрязнения нефтяными углеводородами акватории Северного Ледовитого океана распространяются вплоть до Северного полюса и на отдельных акваториях превышают допустимые пределы. Отмечается негативное воздействие канцерогенов и других биологически активных веществ на отдельные виды фауны в Арктике [11].
Использование топливного газа, наиболее чистого углеводородного энергоресурса, для энергообеспечения морской добычи нефти и газа в Арктике при ожидаемых объемах и продолжительности производств приведет к нежелательным выбросам в атмосферу огромного количества парниковых газов. В таблице 4 представлены оценки выбросов в атмосферу при использовании топливного газа и при суммарной установленной мощности энергоисточников ~ 3,4 ГВт(эл).
Эти оценки составлены на основе данных, опубликованных в [10], по турбогенераторам с газотурбинными приводными установками Rolls-Royce с КПД 42%.
С учетом оцениваемой на основе вышеизложенных исходных положений значительной продолжительности извлечения нефти и газа только в западной части российского Арктического шельфа выбросы парниковых газов при углеводородном энергообеспечении промыслов и производств составят миллиарды тонн.
В сокращении/избегании выбросов парниковых газов при решении задачи энергообеспечения освоения Арктического шельфа кроется значительный экономический эффект, если учесть, что цена выбросов двуокиси углерода составляет несколько десятков долларов за тонну и будет расти.
В случае использования дизельного топлива к выбросам в атмосферу добавятся SO2, сажа и др.
По оценкам, примерно, 40% потребных для освоения разведанных нефтегазовых месторождений на российском Арктическом шельфе мощностей могли бы быть размещены на побережье континентальной и островной части Арктики по условию отдаленности от морских промыслов не более 200 ÷ 300 км. В этом случае потребуется передача электроэнергии постоянным током по подводному кабелю. Ведутся активные разработки таких электропередач. Достигнута и практически подтверждена возможность передачи по подводному кабелю постоянным током мощности на уровне 250 МВт(эл) на расстояние 200 км. Стоимость такого кабеля достигает 1 млн € за км [14].
Экология: естественная радиоактивность углеводородов
По усредненным данным, радиоактивность по 226Ra сопутствующих сред (рассолов) при добыче нефти в Арктике составляет от 8800 Бк/м3 до 28 600 Бк/м3. В Северном море на 1 т добываемой сырой нефти приходится 0,85 т сопутствующей радиоактивной воды. При добыче 100 млн т нефти в год количество извлеченной попутной воды составит 8,5 107 т, и в ней будет содержаться 0,7–2,1 ТБк (20–60 Ки) 226Ra плюс почти такие же количества 224Ra и 222Rn. Примерно столько же Ra будет поступать в окружающую среду и с твердыми радиоактивными отходами (шлам, отложения на оборудовании и т.д). Таким образом, при добыче 30 млн т нефти в год на Арктическом шельфе общее количество поступающей активности составит ~ 60 Ки/год. Следует отметить, что радиоактивность 1 км3 морской воды за счет содержащегося в ней естественного радионуклида 40К составляет ~ 300 Ки.
Радиоактивность, извлекаемая из недр Земли при добыче природного газа больше, чем при добыче нефти. В газе, добываемом в Северном море, содержание 222Rn в 1 м3 природного газа колеблется в пределах от 30 до 54 000 Бк/м3, в зависимости от пород в которых залегают месторождения. Для региона Арктики среднее значение 222Rn в 1 м3 природного газа составляет ~ 100 Бк/м3 , что для 130 млрд м3 составит ~ 300 Ки/год.
Для более точных оценок должны быть проведены исследования добываемого газа в конкретном районе на наличие в нем 222Rn и продуктов его распада.
Прямые радиологические последствия таких сбросов для всего Арктического региона считаются незначащими.
Для справки: суммарная активность РАО, затопленных в Карском море конструкций аварийных объектов составляет ~ 100 кКи; активность отработавшего ядерного топлива в реакторах затонувшей в 2003 г на входе в Кольский залив АПЛ Б-159 ~ 140 кКи; 90 кКи − в реакторе АПЛ «Комсомолец».
Безопасность
По данным МАГАТЭ риски отдаленных негативных последствий для населения от воздействия АЭ на 1-2 порядка меньше, по сравнению с рисками от энергетики углеводородной.
В таблице 5 представлены обобщенные данные о приведенном ущербе при производстве электроэнергии с учетом выбросов в окружающую среду и аварий на атомных, газовых и угольных электростанциях [12].
Т.о., приведенный ущерб от работы атомной электростанции на 2-3 порядка ниже, по сравнению с углеводородной электростанцией.
Уменьшение мощности АЭУ прогрессивно увеличивает ее безопасность [13].
В рамках действующих определений МАГАТЭ, рассматриваемые для использования в арктическом морском нефтегазовом производстве АЭУ относятся к установкам малых мощностей. Для АЭУ малых мощностей в рамках существующих подходов к ядерному страхованию может быть обеспечена полная финансовая ответственность оператора за возможный ущерб третьим лицам от аварии АЭУ при приемлемых затратах на ядерное страхование.
Инновационная атомная энергетика малых мощностей – наиболее безопасная и надежная для энергообеспечения добычи нефти и газа в ледовых условиях Арктического шельфа.
Экономика
Экономика атомного энергообеспечения нефтегазового производства на Арктическом шельфе требует глубокого всестороннего сравнительного с альтернативной энергетикой анализа.
В ранее выполненных экономических оценках имели место неожиданные результаты. Так, в начале нулевых годов было выполнено сравнительное исследование вариантов энергообеспечения ожижения одной очереди добычи Штокмановского природного газа (22,5 млрд м3 в год) с использованием энергии газа и с атомным энергообеспечением. Потребная мощность энергообеспечения такого производства достигает 600 МВт(эл). Было показано, что атомное энергообеспечение с использованием двух атомных станций на базе реакторных установок типа ВБЭР-300 разработки ОКБМ «Африкантов» было бы дешевле газотурбинного [15].
Системный подход
Атомное энергообеспечение подводно-подледных нефтегазовых промыслов на Арктическом шельфе должно планироваться и осуществляться на основе системного подхода к организации их жизненного цикла. По завершении срока службы никакие элементы технических систем не должны оставаться в акватории.
В настоящее время успешно выполняется программа ликвидации радиационных последствий функционирования российского атомного флота в Арктике; на очереди – подъем крупногабаритных радиационно опасных аварийных конструкций, затопленных в начальный период атомной истории Арктики.
Обеспечение безопасности нефтегазового производства в условиях Арктического шельфа на базе атомного энергообеспечения потребует оптимизации правовых, институциональных и технических решений.
Заключение
Атомное энергообеспечение добычи ресурсов нефти и газа Арктического шельфа может стать базовой технологии, на основе которой могут появиться новые технические решения в подводно-подледных технологиях разведки, добычи, подготовки и транспортировки скважинной продукции. С экологической точки зрения атомная энергетика является безальтернативной для энергообеспечения нефтегазовых промыслов в ледовых условиях Арктического шельфа и на удаленных расстояниях от береговой инфраструктуры.
Использованная литература:
1. В.И. Богоявленский «Нефтегазотранспортные системы в Арктике». «Арктические ведомости. Информационно-аналитический журнал», №2, 2014, стр. 71-72
2. А.Я. Резниченко «Ядерные технологии в освоении Арктики». «Арктические ведомости. Информационно-аналитический журнал», №2, 2014, стр. 80
3. Л.Г. Ивашов «Геополитические перспективы развития Арктики. Арктика-2014». Избранные доклады V Всероссийской морской научно-практической конференции. Мурманск, МГТУ, 2014;
http://www.ipng.ru/uf/conf_theArctic_2014_materials.pdf
4. «Энергетическая стратегия России на период до 2035 г.» проект; http://ac.gov.ru/files/content/1578/11-02-14-energostrategy-2035-pdf.pdf
5. В.И. Богоявленский, И.В. Богоявленский / Стратегия, технологии и технические средства поиска, разведки и разработки морских месторождений в Арктике/ Вестник МГТУ, том 17, № 3, 2014 г. стр. 437-451;
http://vestnik.mstu.edu.ru/v17_3_n58/437_451_bogoya.pdf
6. «Арктика газует»; Российская Бизнес-газета; № 873 (44), 20.11.20 ноября 2012 г.; http://www.rg.ru/2012/11/20/dobicha.html
7. Ю. Морев, А. Захаров «Штокман: оптимизация разработки»; журнал «Нефтегазовая вертикаль», №05/2012, стр. 68÷73.
8. М.А. Будниченко, В.В. Бородин «Платформа шагнула на шельф», журнал Объединенной Судостроительной Корпорации, № 2(19), 2014 г.
9. Крылов Д. А. "Аргументы в пользу использования электроэнергии Кольской АЭС для завода СПГ и ГПА на магистральном газопроводе «Видяево – Волхов»; Бюллетень по атомной энергии, 2008, № 1, стр. 16-21.
10. Radioactivity in the Arctic Seas, IAEA, Vienna, 1999 IAEA - TECDOC1075
11. AMAP 2009, Arctic pollution 2009, Oslo, Norway; www.amap.no
12. Демин В.Ф., Крылов Д.А., Кураченко И.А. «Сравнение ущерба окружающей среде и здоровью населения от АЭС и ТЭС»; Атомная энергия, 2014, т. 116, вып. 3,
стр. 167 – 171.
13. Sadao Hattori “Energy source for human demand”, Central research institute of electric power industry, Tokyo, Japan. Статья опубликована в E.R. Merz and C.E. Walter (eds) “Advanced Nuclear Systems Consuming Excess Plutonium”, p. 69-77. 1997, Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.
14. Offshore Transmission Technology. Report by ENTSO-E’s Regional Group North Sea (RG NS), Brussels 2011, 44 p.;
15. В.П. Кузнецов, В.В. Куштан, Д.А. Мирзоев «Арктический вызов мирного атома. Обзор российских проектов нефтегазовых технологий с атомным энергообеспечением для освоения Арктического шельфа»; журнал Объединенной Судостроительной Корпорации, №3(20), 2014 г.
