Технологии малотоннажной переработки газа позволяют монетизировать запасы газа малых месторождений, решить вопросы утилизации попутного нефтяного газа, использовать резервы газотранспортной системы России. Конкурентоспособность малотоннажных установок обеспечивают модульность исполнения, автоматизация и производство стандартизированной продукции.
Small scale gas processing technologies allow to monetize reserves of small gas fields, to utilize associated oil gas and to use reserves of gas transport system of Russia. The competitiveness of small scale plants is ensured by modularization, unmanned operation and production of standardized products.
Ключевые слова: малотоннажные технологии, распределенная химизация, метанол, аммиак, синтетические жидкие топлива, сжиженный природный газ, водород
Keywords: low-tonnage technologies, distributed chemistry, methanol, ammonia, synthetic liquid fuels, liquefied natural gas, hydrogen
Несмотря на ожидаемые структурные изменения в экономике, которые приводит к изменению используемых топлив, углеводороды в течение длительного времени останутся в тройке основных энергоисточников в мире.
В течение последнего десятка лет значительные ресурсы вкладывались в технологии, позволяющие монетизировать небольшие объемы природного и попутного газа.
Наиболее известными являются попытки создать технологию получения синтетических жидких топлив. Можно выделить компанию Velocys с микроканальными технологиями и российскую компанию Инфра. Однако, нигде в мире до практического строительства дело так не дошло, не говоря уже о серийном производстве.
В Российской Федерации большое внимание уделялось минипроизводствам метанола. Только две установки производства метанола производительностью 12,5 и 40 тыс.т были построены и эксплуатируются компанией НОВАТЭК на Юрхаровском месторождении и одна производительностью 50 тыс.т в собственности компании Арктигаз. И, хотя компания заявила об экономической эффективности эксплуатации миниустановок, для своих арктических проектов Ямал СПГ и Арктик СПГ-2 подобные установки не проектируются и не планируются.
Технологии синтетическое жидкое топливо (GTL - gas to liquids) и метанола не позволяют получать товарный продукт, который может быть предложен широкому рынку. Продукция GTL должна подвергаться сложной переработке для производства стандартных видов топлива, а метанол на минустановках получается качества уровня сырца и может быть использован исключительно для нужд газодобывающего промысла. Ограниченность рынков продаж продукции миниустановок является ограничивающим фактором для их внедрения.
В последнее время активно развиваются технологии миниСПГ, на рынок выходит водород, как потенциальное эффективное и экологически дружественное топливо, начаты работы по производству миниаммиака, в т.ч. в России.
Несмотря на преимущества традиционных крупнотоннажных производств, которые стремятся максимально использовать эффект масштаба, малотоннажные производства имеют свои достоинства.
Таблица 1: Сравнение крупнотоннажных и малотоннажных производств
|
|
Крупнотоннажное |
Малотоннажное |
|
размер производства |
экономия на масштабе уникальность каждого производства |
модульность исполнения стандартизация основного оборудования |
|
ОРЕХ |
пониженные |
удаленное обслуживание повышенные расходы и энергоемкость |
|
качество продукции |
стандартизированное |
как правило, по ТУ или сырец (полупродукты) |
|
возможность вертикальной интеграции |
углубление переделов |
ориентация на рыночную нишу |
|
инфраструктурные требования |
большие инфраструктурные затраты вода, железная дорога, морской порт |
практически доступно везде |
|
логистика |
крупные химовозы железнодорожные цистерны |
автомобильный транспорт потребитель самостоятельно вывозит продукцию или расстояние поставки не более 500 км |
|
объемы хранения и распределения |
большие складские помещения |
соответствуют потребности локального спроса распределенные |
Настоящее исследование имеет своей целью анализ возможностей технологий переработки природного и попутного нефтяного газа и оценка их перспектив внедрения в Российской Федерации.
Обзор вариантов технологий уровня мини
В статье рассматриваются технологии, позволяющие монетизировать газ не в зависимости от запасов, а в соответствии с ежегодным объемом, поставляемым на переработку.
Рассматриваемые решения имеют максимальный объем переработки газа в 30 млн м3 в год, а капитальные затраты не превышают 20 млн $.
Рассмотрены следующие технологии:
- GTL;
- метанол;
- СПГ;
- аммиак;
- показатели по водороду и производство электрической энергии приведены в качестве индикативных.
Традиционные схемы переработки ПНГ основаны на первичном риформинге и производстве синтез-газа для последующего синтеза.
Особенностью настоящей работы является учет инвестиций не только в сами производственные мощности, но и необходимые инвестиции для поставки и хранения продукции у потребителя, без учета затрат на конечное оборудование, которые потребитель несет со своей стороны. Экологические факторы напрямую не учитываются.
Экологические факторы были рассмотрены в отчете WWF «Проблемы и перспективы использования попутного нефтяного газа в России – 2017».[i]
Также, в отличие от целеполагания основных разработчиков технологий малотоннажного производства, мы не рассматриваем исключительно проблему монетизации газа на промысле, а принимаем во внимание возможность монетизации свободных газовых ресурсов, в том числе и в зоне перепроизводства электрической энергии и изолированных системах газоснабжения, в зоне ЕСГ.
Синтетическое жидкое топливо
Технологии GTL долгое время являлись Граалем для множества разработчиков минитехнологий переработки газа. И, хотя сами принципы были разработаны достаточно давно, эпоха больших открытий нефти в мире привела к тому, что технология развивалась исключительно в отдельных странах, например, ЮАР. В 90-х годах в период ожидания высоких долгосрочных цен на нефть GTL получило второе дыхание и крупные нефтяные мейджеры пошли в разработку собственных технологий.
Привлекательность технологии обеспечивало возможность синтеза углеводородов практически из любого углеродсодержащего сырья: нефти, газа, угля, бытовых и промышленных отходов. Тем не менее, до сих пор количество компаний, имеющих крупнотоннажные GTL производства, не превышает количество стран, обладающих технологией производства ядерного оружия.
Большие надежды связывались с миниустановками GTL, для которых велась разработка технологий с особыми технологическими решениями, позволяющих производить продукцию, которую можно было бы непосредственно использовать в районе производства.
Таблица 2: Основные разработчики технологии производства СЖТ
|
Разработчик |
Страна |
Технология |
Объем производства |
Объем сырья на переработку, млн м3 |
САРЕХ, $/т |
ОРЕХ $/т |
|
|
мин |
макс |
||||||
|
Инфра |
Россия |
паровой риформинг модифицированный синтез Фишера-Тропша |
4 – 40 тыс.т/год |
1 |
100 |
500-1500 |
35-65 |
|
Veloсys |
США |
паровой риформинг микроканальный реактор |
44 – 700 bpd |
4,5 |
75 |
n/a |
n/a |
|
Synfuels |
США |
n/a |
15-500 MMcfD |
120 |
4000 |
n/a |
n/a |
|
CompactGTL |
Великобритания |
автотермический риформинг кислородом, модульный реактор |
10 000 bpd |
1000 |
|
n/a |
n/a |
|
Газохим-Техно |
Россия |
автотермический риформинг воздухом |
500-2000 bpd |
10 |
200 |
n/a |
n/a |
|
Роснефть |
Россия |
n/a |
> 300 т/год |
n/a |
n/a |
n/a |
n/a |
Источник информации:Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Прямое использование СЖТ ограничено, так как есть серьезные ограничения по поставке СЖТ в систему продуктопроводов и нефтепроводов.
Дополнительные возможности для технологии могут открыть разрешения и регламенты по поставке синтетических углеводородов в систему нефтепроводов. Компания Инфра и Роснефть провели[i] подобные работы. С точки зрения качества синтетической нефти, это, безусловно, не позволяет получить дополнительную денежную премию за качество и чистоту синтезированных углеводородов, но, с другой стороны, поставка в нефтепровод позволяет ликвидировать географическое ограничение рынка сбыта.
Метанол
Технологии производства метанола на малотоннажных установках в России направлены на непосредственное использование метанола в процессе газодобычи для предотвращения гидратообразования при добыче и транспорте природного газа.
В России действуют три установки по производству метанола на газовом промысле производительностью 12,5, 40 и 50 тыс.т в год. Новых проектов по производству метанола не ведется.
Таблица 3: Сравнение показателей технологий производства метанола
|
Разработчик |
Страна |
Технология |
Объем производства, тыс.т/год |
Объем сырья на переработку, млн м3/ расход энергоресурсов |
САРЕХ, $/т |
ОРЕХ ₽/т |
|
|
мин -макс |
энергоресурсы |
||||||
|
Безопасные технологии |
Россия |
автотермический риформинг воздухом |
15 |
31,9 (2128 м3/т) |
1000 кВт ч/т |
700 |
8295,84 |
|
Метапроцесс |
Россия |
паровой риформинг |
3 |
70 (1828 м3/т) |
600 кВт ч/т |
n/a |
n/a |
|
Хемопраг |
Россия-Чехия |
паровой риформинг |
15 |
19,95 (1330 м3/т) |
125 кВт ч/т |
n/a |
n/a |
|
Газохим-Техно |
Россия |
каталитический автотермический риформинг |
0,086-75 |
0,172- 125 |
n/a |
2000-1100 |
n/a |
Источник информации: Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Основным недостатком миниустановок по производству метанола является то, что продуктом является метанол-сырец с высоким содержанием воды – до 9 %, что ограничивает рынок использованием метанола для нужд газодобычи и не позволяет использовать метанол в качестве топлива или энергоносителя, и, тем более, продавать метанол на рынке химических продуктов.
Возможность ограниченного использования - только для нужд промысла, существенно ограничивает рынок сбыта и создает сильную зависимость от покупателя.
Сжиженный природный газ
Отрасль и экспертное сообщество в России увлечено мегапроектами СПГ мощностью несколько миллионов и даже десятки миллионов тонн в год.
Для небольших проектов (мини - до 80 тыс.тонн/год) СПГ и КПГ отводится ниша газификации внутри страны и использование газа в качестве моторного топлива. Данные сегменты фактически не сформированы, не имеют постоянных потребителей, отсутствует необходимая инфраструктура для надежного и стабильного обеспечения СПГ.
На внешних рынках миниСПГ позволяют занять территориальную (до 400 км от границы) или рыночную нишу (ГМТ, бункеровка) в приграничных территориях к России. За счет разницы в цене, приближенности к рынку сбыта создаются естественные долгосрочные конкурентные преимущества для российских производителей СПГ. Сдерживающим фактором является монополия Газпрома на поставки СПГ в любых количествах и в любом направлении за пределы страны.
В стране имеются целый ряд территорий и зон, для которых миниСПГ является единственным вариантом монетизации газа. К таким регионам относятся месторождения Восточной Сибири – Якутия, Иркутская область.
Хорошо развитая система магистральных газопроводов, конкурентоспособность СПГ по сравнению с нефтяными топливами и СУГ на транспорте и на генерации, привлекают внимание частных компаний, зачастую не из нефтегазовой отрасли, в сегмент миниСПГ.
Таблица 4: Сравнение показателей технологий производства СПГ
|
Разработчик |
Страна |
Технология |
Расход э/э, кВтч/кг |
Объем сырья на переработку, млн м3 |
Производительность, тыс.т/год (т/ч) |
САРЕХ, $/т |
ОРЕХ $/т |
|
|
мин |
макс |
|||||||
|
ООО НПК «НТЛ» |
Россия |
дроссельно-эжекторный |
0,7 |
20 |
72 |
12, 5 (1,5) |
700 |
250 |
|
SIAD |
Италия |
азотный |
0,75 – 0,96 |
14 |
120 |
9.6 - 40 (1,2 – 5) |
720 - 500 |
n/a |
|
Siemens |
Германия |
дроссельно-эжекторный с турбодетандером |
>0,7 |
5 |
18 |
4 - 16 (0,5 – 2) |
2250 – 1120 |
n/a |
Источник информации: Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Технологии производства СПГ любой производительности позволяют получить товарный продукт, соответствующий ГОСТ 56021-2014, вне зависимости от места расположения производства или источника сырья. Высокая стандартизация и соответствие стандартам позволяют миниСПГ иметь высокую популярность и новые проекты регулярно появляются в стране.
Водород и синтез на его основе
Водородная экономика является заветным мечтанием человечества. Широкое распространение водорода, его высокая энергоёмкость и исключительная экологическая чистота его использования обеспечивают привлекательность данного вида топлива.
Для целей нашего исследования возможны два технологических пути получения водорода:
1. риформинг углеводородов;
2. производство электрической энергии и получение водорода через электролиз, в этом случае газ может выступить в качестве сырья для производства электрической энергии на ГТУ или ГПУ.
Для производства больших объемов водорода, как энергоносителя, в большей степени подходит паровой риформинг. Получение водорода электролизом не требует сложных систем очистки, но является энергозатратной технологией.
Водород получается в процессе электролиза воды. Процесс достаточно энергозатратный и требует 65 кВт ч энергии для производства 1 кг водорода.
Полученный водород хранится под давлением до 250 атм в баллонах. При необходимости водород подается в ДЭС в смеси с дизельным топливом в пропорции 10-20 % к 90-80 % соответственно. В связи слабой развитостью рынка водорода в России подробно мы не будем останавливаться на этом направлении.
Крупнейшие машиностроительные компании поддерживают технологии промышленного использования водорода для синтеза метана и синтетических нефтепродуктов.
Например, Audi с 2013 года совместно с SolarFuel использует водород, получаемый через электролиз и СО2, получаемый с фабрики переработки органических отходов для синтеза метана.[i] В 2016 году установка по биологической метанизации была запущена в Аллендорве в Гессене (Allendorf Hesse) совместно с корпорацией Viessmann Group.[ii] Общее название технологий получения синтетического метана через катализ и через биологическую метанизацию является «Audi e gas».
В области синтеза синтетических нефтепродуктов активно работает компания Bosch, которая в августе 2017 года анонсировала работы по производству нейтрального по углероду бензина и дизеля.[iii] В данной технологии водород получается через электролиз, а углерод собирается из атмосферы.
Подобный концепт на основе ВИЭ, воды и атмосферного СО2 с получением синтетических углеводородов разрабатывался даже в Московской области.[iv]
Аммиак
Из базовой химии метана до последнего времени в сегменте минизаводов не охваченным был только аммиак. При этом миниаммиак не получал должного внимания и в СССР. За исключением исследований автора, в русскоязычной литературе отсутствуют какие-либо работы, посвященные анализу технологий производства аммиака в малых объемах как через рифморминг, так и через электролиз.
Минипроизводства аммиака получают вторую жизнь в рамках тенденции безуглеродного аммиака, в которой водород получается электролизом, а аммиак служит накопителем энергии или носителем водорода. Перспективным направлением считается получение аммиака путем прямого синтеза, например, на твердополимерных элементах – SSAS (solid state ammonia synthesis).
Аммиак является массовым химическим продуктом и имеет широкий круг применения.
Важнейшим является использование аммиака как удобрения. Регионы с избытком ПНГ, как правило, изолированы, в них действуют локальные сообщества и традиционным видом деятельности является сельское хозяйство. Единичная установка аммиака 4 тыс.тонн в год позволяет обеспечить внесение удобрений в нормативном объеме на 20 тыс.Га. Легкое внесение аммиака для удобрения почв, короткое плечо транспортировки до потребителя позволит обеспечить устойчивое развитие регионов. Возможность переделов аммиака в селитры и использование побочных продуктов переработки создают возможности для поставки селитр в целях развития промышленного производства и повышения эффективности горнодобывающей отрасли. Регионы Восточной Сибири и Африка – в наибольшей степени подходят для внедрения технологии миниаммиака.
Таблица 5: Сравнение показателей технологий производства аммиака
|
Разработчик |
Страна |
Технология |
Расход э/э, кВт ч/т |
Объем сырья на переработку, млн м3 |
САРЕХ, $/т |
ОРЕХ, $/т |
|
|
мин |
макс |
||||||
|
ООО «Промышленные инновации» |
Россия |
электролиз автотермический риформинг в воздухе Габер-Бош |
13 |
1,2 |
10 |
1700 -2700 |
200 -300 |
|
Proton Ventures |
Нидерланды |
электролиз Габер-Бош |
- |
1 |
20 |
2000 -3500 |
250 -350 |
Источник информации: Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Технологии производства аммиака любой производительности позволяют получить товарный продукт, соответствующих качеству, как минимум марки «Б» по ГОСТ 6221-90, вне зависимости от места расположения производства или источника сырья. Соответствие стандартам позволяют без дополнительных ограничений продавать конечный продукт промышленным потребителям и для сельского хозяйства.
Технология мини аммиака позволяет гибко использовать сырье, получать водород по двум технологическим схемам через электролиз или риформиг. В отличие от всех других продуктов, производимых на миниустановках, информация о ценах на аммиак является доступной, что позволяет повысить достоверность оценок экономической эффективности проекта. Кроме того, на рынок аммиака максимально приближен к конкурентному и зависимость от ограниченного круга покупателей на уровне регионов или федеральных округов отсутствует.
Подводя итоги отметим, что растущая добыча нефти и попутного нефтяного газа, развитая система магистральных и распределительных газопроводов в стране, имеющая резервы наращивания транспорта газа, новые изолированные системы газоснабжения на востоке страны являются перспективными точками развития малотоннажных производств.
Таблица 6: Сравнение показателей технологий монетизации природного газа
|
|
Объем переработки газа от, млн м3 |
Производство продукции от, тыс.т |
Рынок сбыта |
САРЕХ от, млн $ |
|
СПГ |
5 |
4 |
не развит |
10 |
|
Электрогенерация |
1 |
|
сети снабжение промысловых объектов снабжение магистральных сетей |
0,5 |
|
СЖТ |
10 |
4 |
нефтепровод собственные нужды |
10 |
|
NH3 |
1,6 |
1-4-10 |
промышленность сельское хозяйство локальные сообщества |
8 |
|
Метанол |
20 |
12,5 |
промысловые нужды |
10 |
|
Водород |
1 |
|
не развит |
5 |
Источник информации: Экономическая лаборатория Александра Климентьева
Исходя из существенных отличий в последующей цепочке стоимости, более правильным при сравнении будет использование скорректированных показателей затрат. Корректировка производится на величину дополнительных капитальных затрат в логистические объекты и системы хранения продуктов у потребителя.
Наибольшие изменения касаются производства электроэнергии, а также сжиженного природного газа, для транспорта и хранения которого используется криогенное дорогостоящее оборудование. Наименьшие дополнительные затраты связаны с распределением метанола и СЖТ.
Источник информации: Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Скорректированные показатели капитальных вложений показывают конкурентоспособность производства СПГ и аммиака.
В малотоннажном сегменте имеются виды продукции, которые производятся по ГОСТам и международным стандартам – это СПГ, аммиак и водород. Это дает возможность прямого выхода на потребителя с широкой географией продаж.
СЖТ и метанол могут использоваться широким кругом потребителей только после глубокой переработки.
Важными вопросами тираживания миниустановок являются уровень модульности и времени строительства установок. Чем выше модульность, тем короче период строительства и тем легче релокация при необходимости.
Возможности современных систем управления позволяют минимизировать количество людей, занятых на производстве, обеспечить высокую энергоэффективность, безопасную эксплуатацию и низкие операционные затраты.
Доступность технологий производства химических продуктов в небольших объемах точно по требованию рынка создает основу для реализации стратегии распределенной химизации в России, особенно в восточных регионах.
[i] https://www.youtube.com/watch?v=6TX82PRxHvI
[ii] https://www.audi-mediacenter.com/en/press-releases/new-method-for-producing-the-synthetic-fuel-audi-e-gas-5722
[iii] https://www.ctvnews.ca/autos/why-bosch-is-searching-for-a-sustainable-synthetic-fuel-1.3563627
[iv] https://www.kommersant.ru/doc/3249516
[i] http://neftegaz.ru/news/view/146382-Rosneft-podtverdila-sovmestimost-mineralnoy-i-sinteticheskoy-nefti-pri-transportirovke
http://ru.infratechnology.com/assets/media/documents/2014/02/2014-02-10_otchet_1.pdf
[i] Проблемы и перспективы использования попутного нефтяного газа в России – 2017 / WWF России, М., 2017 г. – 34 с.
