1 © Хавкин А.Я., 2011 ГАЗИФИКАЦИЯ РЕГИОНОВ РОССИИ НА ОСНОВЕ ГАЗОГИДРАТОВ А.Я.Хавкин, Сопредседатель бюро секции «Нанотехнологии для нефтегазового комплекса» Нанотехнологического общества России, гл.н.с. ИПНГ РАН, д.т.н., Почетный нефтяник РФ, Лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий» Москва, 20 апреля 2011г.

2 Газификация мест жизнедеятельности российских граждан в регионах России является основой повышения качества их жизни. На сегодня – только 20-30% домов в регионах России газифицировано, хотя Россия является крупнейшим экспортером природного газа! При этом существует государственная программа газификации России. В соответствии с закрепленными сферами ответственности, ООО «Газпром межрегионгаз» осуществляет строительство межпоселковых газопроводов согласно утверждаемой ОАО «Газпром» Программой газификации регионов Российской Федерации, которая формируется на основе предложений администраций регионов. В период гг. эти цели ОАО «Газпром» были направлены средства в объеме 126,77 млрд. рублей и построено более 21,3 тысяч километров газораспре- делительных сетей.

3 За период гг. количество регионов-участников Программы газификации возросло с 25 до 71. На строительство межпоселковых газопроводов в этот период инвестировано более 115 млрд. рублей, построено 1048 межпоселковых газопроводов протяженностью более 16 тысяч км. Уровень газификации природным газом за период гг. увеличился в среднем по России с 54,2% до 63,1%, в городах и поселках городского типа возрос с 60,9% до 69,8%, а населенных пунктов в сельской местности – с 36,1% до 46,7%. При этом, для увеличения объема газификации России с 54% до 63% израсходовано 90 млрд. рублей. Только в 2010 году объем инвестиций ОАО «Газпром» в газификацию России составил свыше 25 млрд. руб. Получается, что на газификацию России до 90% потребуется не менее 270 млрд. рублей.

4 При этом только в Московской области до конца 2012 года необходимо обеспечить природным газом 214 населенных пунктов, для чего требуется провести 1420 км трубопроводов. Для финансирования программы газификации предусматривается специальная надбавка за транспорт газа в размере 70 руб/1000м3+НДС. Температура образования сжиженного газа равна минус 160 о С, и сжиженный газ хранят в баллонах при давлении 200 атм. Все это требует создания мощной криогенной техники, а нахождение газовых баллонов в помещении взрывоопасно.

5 Для использования газогидрата в быту требуется последующий перевод газогидрата в газообразное состояние непосредственно в жилом помещении (или на блоке в центре жилого массива). Преимущества использования метангидрата: Газогидрат менее взрывоопасен, чем сжиженный и газообразный природный газ. Энергетически технология использования газогидрата более выгодна, чем использование сжиженного газа. При использовании газа традиционным способом требуется не менее 100 тыс. рублей на подвод газовой трубы в дом. При применении метангидрата потребитель будет только приобретать морозильник для метангидрата с редуктором за тыс. рублей. Затраты ОАО «Газпром» на газификацию с применением метангидрата значительно меньше, чем при других способах. Практически во всех регионах России есть либо объемы природного газа в виде магистрального трубопровода, либо попутный газ нефтяного месторождения.

6 Газогидрат (ГГ) метана – это огромный энергетический ресурс и важнейший объект исследований. Для высвобождения метана из ГГ метана требуется примерно в 15 раз меньше энергии, чем содержащаяся в самом метане тепловая энергия, а в 1 м 3 ГГ метана содержится 160 м 3 метана и 850 л воды. Плотность гидрата метана равна 913 кг/м 3, гидрата этана 967 кг/м 3, гидрата пропана 899 кг/м 3. Метан находится в твердой гидратной форме при атмосферном давлении ниже температуры (-80) о С. При умеренных давлениях ГГ природных газов существуют вплоть до +(20÷25) о С (Современное состояние газогидратных исследований в мире и практические результаты для газовой промышленности / Материалы совещания, г. Москва, 29 апреля 2003г. // М., ООО «ИРЦ Газпром», 2004, 112с.).

7 Найденные условия образования и стабильности ГГ метана позволили прогнозировать возможные зоны ГГ залежей на суше на глубине м при температуре от (-10) о С до (+15) о С, и в придонных слоях водоемов на глубине м при температуре +(0÷17) о С. Эти прогнозы начали подтверждаться с 1969г. Такие залежи найдены в северных районах Западной Сибири, на Дальнем Востоке, и на шельфе, затем на Аляске и в Канаде, а позднее во многих других странах. На основании прогноза по геотермическим данным найдены газогидратные отложения в пресноводном водоеме при бурении в южной котловине о. Байкал на глубине 1433 м (Первая находка газогидратов в осадочной толще озера Байкал / Кузьмин М.И., Калмычков Г.Б., Конторович А.Э. и др. // ДАН СССР, 1998, т.362, 4, с ).

8 Большой вклад в исследования структуры газогидратов сделан российским ученым Б.А.Никитиным в период гг. Он ввел понятие «газовые клатраты», в которых молекулы газа («гости») включаются в полость, образованную молекулами воды за счет водородных связей («хозяевами»). Клатраты (в переводе с латинского – защищенный решеткой, заключенный) - такие соединения, которые образованы включением молекул (гостевых) в полость каркаса из других молекул (хозяева). Считается, что между молекулами «гостя» и «хозяина» не может существовать никакого взаимодействия кроме незначительных сил Ван-дер-Ваальса, а также сил типа водородной связи между атомами молекулы «хозяина». Молекулы гидратообразователей в полостях между узлами ассоциированных молекул воды гидратной решетки удерживаются с помощью Ван-дер-Ваальсовых сил.

9 При таком понимании механизма гидратообразования вода должна предварительно замерзнуть с поглощением значительного количества энергии. Но известны факты существования ГГ при положительных температурах, например, в газовых трубопроводах выше температуры замерзания воды (Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях // М., Недра, 1992, 236с.).

10 В молекуле воды, за счет высокой электроотрицательности атома кислорода, электрон атома водорода практически полностью смещен в сторону кислорода. Поэтому атом водорода с «периферийной стороны» (по отношению к атому кислорода) можно условно рассматривать как свободный протон, который может проникнуть в зону влияния атома углерода с образованием донорно- акцепторной связи. По гомологическому ряду предельных углеводородов число молекул воды для создания гидрата должно расти, причем эти соединения должны быть более стабильны по сравнению с гидратом метана, что и наблюдается на практике. Известно, что вода диссоциирует на ионы водорода (протон) и гидроксила. Абсолютное количество протонов в воде составляет г-ион/л. Внедрение протона в молекулу метана еще более вероятный процесс по сравнению с внедрением молекулы воды. Однако протон может существовать только в жидкой фазе.

11 Поэтому вполне возможен такой донорно-акцепторный механизм образования газового гидрата: сначала происходит конденсация паров воды, затем происходит ее диссоциация, затем она взаимодействует с углеводородом, и в итоге - образование газогидрата за счет внедрения протона. Существование иона СН 5 + (этот ион носит название метоний) доказано экспериментально в 1952г. (Тальрозе В.Л., Любимова А.К. Вторичные процессы в ионном источнике масс-спектрометра // ДАН СССР, 1952, т.86, с ).

12 При этом молекула СН 4 в целом электронейтральна, т.к. внутри правильной тетраэдрической пирамиды имеет повышенную электронную плотность и четыре иона водорода компенсируют этот заряд. Межплоскостное расстояние трех атомов водорода в тетрагональной молекуле метана превышает 0,22 нм, что позволяет проникнуть в эту тетраэдрическую полость протону, имеющему размеры менее 0,05 нм, и приводит к образованию метастабильного иона метония СН 5 +, который может существовать только в присутствии жидкой водной фазы за счет диссоциации. При последующей гидратации ион метония образует ГГ – метастабильное молекулярное соединение типа СН 4nН 2 О, где n, может быть больше 3 (Некрасов Б.А. Курс неорганической химии // М., Мир, 1968, 352с.). Исследования подтвердили донорно-акцепторной наномеханизм образования и разрушения, который представляется наиболее достоверным.

13 Донорно-акцепторный механизм образования ГГ на суше и в водных средах (моря, озера) позволяет предположить наличие плавающих слоев (суспензии) газогидратов (СГГ) в водных средах. Связано это с тем, что ряд ГГ, как отмечено выше, имеет плотность близкую к плотности воды, а подток природного газа из геологических структур обеспечивает баланс подтока природного газа для образования суспензии газогидратов и оттока газа из-за разрушения ГГ. Оз. Байкал на глубине более 100 м имеет температуру 3-4 о С и в придонных слоях 3,1 о С (Соколов А.А. Гидрография СССР // Гидрометеоиздат, Л., 1952). Равновесная кривая образования ГГ метана (Временная инструкция по предупреждению и ликвидации гидратов в системах добычи и транспорта газа / Ю.Ф.Макогон, А.Г. Малышев, А.Д.Седых и др. // ВНИИГАЗ, 1983г., 132с.) имеет вид: lg P = 14, /T, T=273+t o C

14 Видно, что верхняя граница образования ГГ метана в оз. Байкал находится на глубине м. Образующиеся ГГ с плотностью близкой к плотности воды будут создавать плавающие слои в водной среде, а ГГ с плотностью выше плотности воды (например, при образовании ГГ из смеси газов) будут оседать на дно. Так, гидрат H 2 S имеет плотность 1046 кг/м 3, а гидрат СО 2 – 1107 кг/м

15 Нами разработана технология уменьшения энергозатрат на перевод метана в газогидратную форму, принципы перевозки метангидрата и использования его в бытовых условиях. Имеются запросы на изготовление необходимого оборудования и газификации с применением метангидрата из таких регионов, как Удмуртия, Якутия, Дагестан, и многие другие. Газификация России на основе метангидрата будет стоить в разы дешевле традиционного способа и может быть проведена в разы быстрее. Создание газогидратной отрасли ТЭК позволит превратить нанотехнологию регулирования свойств газогидрата в доходное производство, ускорит газификацию России, создаст рабочие места, повысит уровень жизни населения и уменьшит возможность трагедий при пожарах.

16 Спасибо за внимание!