Японские ученые совместно с американскими геологами и энергетиками запускают проект по разработке запасов гидрата метана под вечной мерзлотой. Место его проведения – Аляска, регион Норт-Слоуп. Это самая северная, негостеприимная и далекая часть данного штата, но тем лучше. Здесь можно проводить амбициозные эксперименты без риска для экологии и населения, чего лишены японцы у себя дома — поэтому они готовы щедро инвестировать в проект.
Япония – страна без энергетического природного сырья, крупнейший мировой импортер углеводородов. В то же время японские острова буквально окружены залежами гидрата метана, известного как «горючий лед». Это комбинация из воды и газа, которая образовалась под давлением огромной массы воды и температуре около 0 градусов. Стоит поднести к горсти горючего льда спичку, как он начнет спокойно гореть, как обычный метан. А черпать вещество можно прямо с морского дна, где его чрезвычайно много.
Проблемы начинаются, когда встает вопрос о промышленной добыче гидрата. Он крайне нестабилен, и если вытаскивать сырье на поверхность сразу кубометрами, наверняка случится утечка газа. Невозможно извлечь из грунта тонны гидрата, не растеряв сам газ и не разрушив структуру подводной гряды. Но речь идет о сейсмоактивном регионе, и рукотворные цунами вдобавок к ежегодным природным катаклизмам никому не нужны. У японских ученых есть наработки по извлечению метана, но у них нет подходящей площадки для экспериментов.
Аляска с ее вечной мерзлотой может стать отличным полигоном. Уже доказано, что удобнее всего подавать тепло внутрь скважин, растапливать там гидрат и откачивать на поверхность только сам метан. Технологии не очень сложные, задачи доставки оборудования в ледяную пустыню и поиска подходящих источников энергии тоже решаемы. Вопрос в другом – что делать, если затея увенчается успехом?
Перенести наземную буровую станцию на морское дно без новых масштабных исследований и доработок все равно нельзя — а это вопрос политики и общественного доверия. Свободно добывать на Аляске газ США японцам точно не позволят. Конечно, американцы и сами могут перейти от разработки сланцев к освоению гидрата метана, используя японские технологии. Особенно, если учесть, что именно в горючем льде содержится почти треть всего углерода в полезных ископаемых на Земле, остальное – это нефть, уголь и газ. Но, опять же, пока нет методов промышленной добычи гидрата метана, совершенно непонятно, выгодно ли это будет с экономической точки зрения в сравнении с традиционной газодобычей.
Возьмите большую кастрюлю. Выберите чистую кастрюлю из стали или боросиликатного стекла (пирекса) вместимостью не менее двух литров. "Горячий лед" нетоксичен, поэтому не бойтесь, что кастрюля испортится.
- Не используйте медную кастрюлю.
Добавьте в кастрюлю пищевую соду. Засыпьте в кастрюлю три столовые ложки (45 мл) пищевой соды.
- Не используйте порошок для выпечки, поскольку в нем содержатся другие вещества, способные повлиять на процесс.
Налейте белый уксус. Отмерьте примерно один литр белого уксуса и осторожно залейте его в кастрюлю. Раствор сразу же начнет шипеть и пениться, поэтому наливайте уксус медленно, чтобы он не выплеснулся из кастрюли.
- Таким образом, вы используете 5-процентную уксусную кислоту (обычная концентрация стандартного уксуса). В данном случае в точных измерениях нет надобности.
Подождите, пока жидкость прекратит шипеть. В результате реакции уксуса (уксусной кислоты) и пищевой соды (двууглекислого натрия) образуется ацетат натрия и выделяется углекислый газ, что и приводит к шипению. Пока жидкость продолжает шипеть, хорошо перемешайте ее, чтобы растворилась вся сода, и подождите, пока закончится реакция.
Убедитесь в том, что прореагировала вся сода. Если в кастрюле остались крупинки соды, добавляйте уксус до тех пор, пока они не исчезнут. В противном случае вам не удастся переохладить жидкость до намеченной температуры, так как оставшаяся сода вызовет преждевременную кристаллизацию.
Доведите полученную жидкость до кипения и кипятите ее до тех пор, пока на поверхности не появится первая пленка. Уксус состоит в основном из воды, которую необходимо выпарить. После того, как вы выпарите примерно 90% жидкости - это займет полчаса или более - на ее поверхности начнет образовываться твердая пленка. Это означает, что вся лишняя вода выкипела, и необходимо как можно скорее выключить огонь. Если на поверхности образуется слишком много пленки, жидкость помутнеет, что уменьшит дальнейший эффект.
- Если жидкость помутнела и приобрела коричневый цвет, добавьте немного уксуса и прокипятите ее еще раз.
- В начале ацетат натрия образуется в виде "тригидрата ацетата натрия", в состав которого входит вода. В процессе выпаривания молекулы воды испаряются, и в результате образуется "безводный ацетат натрия".
Соскребите кристаллы со стенок кастрюли. По мере испарения воды уровень жидкости будет понижаться, и вы заметите, что на стенках кастрюли осели кристаллы ацетата натрия. Возьмите ложку и соберите их в отдельную емкость - они понадобятся вам позже. Это можно проделать в любое время, пока жидкость продолжает кипеть.
Перелейте жидкость в закрывающуюся емкость. Аккуратно перелейте жидкость в стакан из пирексового стекла или другого жаростойкого материала. Следите за тем, чтобы в емкость не попали твердые частицы. Плотно закройте емкость.
- Рекомендуется добавить 1-2 столовые ложки (15–30 мл) уксуса. Уксус поможет удержать раствор в жидком состоянии и предотвратит образование поверхностной пленки.
Охладите емкость с жидкостью в ледяной ванне. Подождите, пока емкость с ацетатом натрия остынет до комнатной или более низкой температуры. В ледяной воде на это уйдет около 15 минут, если же вы поставите емкость в холодильник, потребуется больше времени. Цель состоит в том, чтобы "переохладить" тригидрат ацетата натрия. При этом температура жидкости упадет ниже точки замерзания, но вещество останется в жидком состоянии.
- Если на данном этапе жидкость кристаллизуется, вероятно, в ней остались кристаллические частицы или другие примеси. Добавьте немного уксуса, вновь поставьте раствор на плиту, расплавьте его и повторите процедуру. Это непростой процесс, и он редко получается с первого же раза.
Энергия – это «наше все» в масштабах человечества. Точнее, энергоресурсы. За них ведутся войны, их обвиняют в усугублении глобальных экологических проблем, без них не может существовать современное общество. Поэтому поиск альтернативных источников энергии находится на вершине повестки дня во многих странах. Так, Китай на этой неделе потряс мир официальным сообщением о том, что впервые удалось добыть с океанического дна гидрат природного газа, или «горючий лед».
Это достижение уже приравнивается по значению к открытию технологии добычи сланцевого газа некогда в США, а новому энергоресурсу приписывается роль катализатора мировой энергетической революции. По заверениям китайских исследователей, в мире этого уникального топлива в разы больше, чем нефти, газа и угля вместе взятых. А значит, с помощью «горючего льда» можно будет решить проблему невозобновляемости ресурсов. Более того, на сайте правительства Китая сказано, что именно «гидрат природного газа – это богатейший альтернативный источник энергии, который сыграет в будущем стратегическую роль».
За последнюю неделю из скважины, расположенной в Южно-Китайском море, на глубине 1200 м, уже было добыто более 120 куб. м «горючего льда» – соединения воды и газа, напоминающего рыхлый снежный ком. И пока одни рассуждают, заменит ли в будущем этот энергоресурс все традиционные топливные источники, другие не спешат призывать всех к энергетической революции.
Кстати, исследования этого ресурса уже давно известны науке. Свои предположения о существовании на дне Мирового океана «горючего льда» высказывали советские ученые, а в последние годы попытки организовать разведку газового гидрата были не только у Китая, но также у США и Японии. Но, как мы видим, преуспел именно первый.
Экспертное мнение
Дмитрий Николаевич Редька, кандидат технических наук, ассистент к афедры квантовой электроники и оптико-электронных приборов СПбГЭТУ ʺЛЭТИʺ
«По сути «горючий лед» представляет собой кристаллическое соединение, сформированное из воды и природного газа. То есть это все тот же привычный, знакомый нам газ, но в другой «упаковке». Поэтому надо понимать, что мы видим не принципиально новый энергоресурс, а нестандартную химическую форму. И прежде чем говорить о его революционности, необходимо ответить на ряд вопросов. Во-первых, неизвестно, в каких объемах можно в перспективе добывать этот «горючий лед». Далее, какие можно осуществлять модификации с ним? Каким способом можно оптимально его добывать и транспортировать? Насколько это все окажется экономически оправдано и рентабельно? Ответы тут могут быть неоднозначные. Тем не менее, попытка найти новый энергоресурс или более эффективный и безопасный способ получения природного газа может быть встречена только положительно».
Как известно, вода имеет достаточно сложную структуру. Вода является универсальным растворителем, одним из двух главных универсальных растворителей, известных химикам. Вода способна смешиваться почти с любыми веществами и тем более с метаном. При растворении метана в воде образуются такие кластеры, структуры которых при обычной комнатной температуре и при атмосферном давлении являются жидкостью, но эти кластеры при температуре порядка 4°C и давления несколько сот атмосфер в отличие от воды становятся твердыми и образуют так называемые газовые гидраты. Гидраты образуются не только с метаном, они могут образовываться также с другими углеводородными и неуглеводородными газами. Это достаточно распространенное явление.
Если эти газовые гидраты оказываются в условиях, когда они стабильны, то они накапливаются. Многие бактерии, которые живут в толще морской воды, выделяют метан. Этот метан связывается с водой и опускается на дно, потому что газовые гидраты оказываются тяжелее воды. И на дне накапливаются залежи газовых гидратов. Во всех глубоких океанских впадинах есть эти гидраты. В России существуют целые месторождения газовых гидратов на суше. Это газы, которые находятся в смеси с водой и в твердом состоянии. Вечная мерзлота имеет температуру от 0 до -3 °C, в этих условиях даже при атмосферном давлении могут образовываться гидраты.
Новости о том, что Китай добыл со дна моря «горючий лед» ничего не значат, это утверждение на уровне того, что Россия - родина слонов. Это может быть утверждением некомпетентного человека на не слишком широко известную тему или утверждение компетентного человека, который хочет обмануть некомпетентных людей. Ничего нового они не открыли.
О существовании газовых гидратов на дне глубоких океанских впадин известно более полувека. В 70-е годы было доказано, что такие гидраты существуют и на суше, их обнаружили в зоне вечной мерзлоты в Якутии. Тогда советские ученые получили диплом на открытие. Как вы знаете, получить патент на изобретение несложно, а вот дипломов в год выдают всего несколько во всем мире. Но даже этому открытию полвека. А что касается газовых гидратов, которые называют «горючим льдом», то об этом давно всем известно. Япония в течение нескольких десятилетий пытается реализовать программу добычи этих газовых гидратов со дна впадин. Технически это легко реализуемо и можно драгой набрать сколько угодно гранул, но дело в том, что при подъеме их на поверхность они начинают сразу же распадаться на воду и метан, который уходит в атмосферу. Кстати говоря, метан является самым сильным агентом по сохранению парникового эффекта, он в этом смысле превосходит даже углекислый газ. Это прямой вред для экологии.
А что касается того, чтобы использовать газовые гидраты в качестве топлива, это техническая проблема, нужно сначала поднять его на поверхность, потом создавать условия, чтобы гидрат не распадался. Нужно обеспечить низкие температуры, около 4°C и давление в несколько сот атмосфер. Гидрат хранится в таком виде и при необходимости делится на воду и газ, после чего газ используется в качестве топлива. Только это оказывается экономически нецелесообразно, потому что поддерживать давление можно лишь за счет расходования топлива. В результате получается, что вы больше тратите, чем получаете. Китайцы, как и японцы, пытаются решить эту техническую задачу, потому что у них энергетический баланс отрицателен, они вынуждены завозить дополнительную энергию из других стран, в основном из России.
Эта тема не очень интересна и довольно объемна информационно. В той или иной мере этой тематикой занимаются у нас, в какой-то степени в США. Это не экзотика, вовсе не открытие и не новость. Да, китайцы поставили платформу, они вышли на уровень полупромышленного применения. Все хорошо, одно плохо - экономика этого технологического процесса отрицательна. Пока что денег туда уходит больше, чем возвращается. Поэтому считать газовые гидраты конкурентами обычных видов энергоносителей никак нельзя. Если бы это было возможно, японцы уже давно избавились бы от газовой зависимости и перестали быть главным импортером газа в мире.
Японцы на этой неделе открыли новый фронт своей отчаянной борьбы за снижение мировых цен на природный газ. Теперь они первыми в мире добыли его у своего побережья с подводного месторождения совершенно фантастической штуки - т.н. «горючего льда», метангидратов.
В стране по этому поводу возникла явно преждевременная эйфория: один из депутатов парламента в запальчивости даже призвал подумать о выработке будущей стратегии Японии как нового крупного экспортера природного газа - второго после России на Дальнем Востоке. Напомним для тех, кто не знает, - сейчас у нашего зажиточного островного соседа по Дальнему Востоку вообще практически нет каких-либо полезных ископаемых кроме нерентабельного угля. Но, все по порядку.
Метангидрат – это соединение газа метана с водой, которое происходит при очень низких температурах и под большим давлением. Внешне эта штука напоминает подтаявший рыхлый снег или, если угодно, шербет. Метангидрата на планете очень-очень много – в арктической тундре, на дне или под дном мирового океана. Богатые месторождения, кстати, имеются и в России. Метан из соединения с водой можно выделить либо путем повышения температуры, либо при понижении давления. Но это легко сказать – как и в случае со сланцевым газом эффективных технологий такого рода долго не было.
Первый прорыв был совершен в Канаде: еще в 2007 и 2008 году там был добыт газ с месторождений метангидратов в тундре. Но затею на этом приостановили – себестоимость продукции оказалась непомерно высокой.
Японцы без особого шума еще с 80-х годов активно занимались проблемой метангидратов, которых, как оказалось, вокруг их страны имеется немало. Кружила голову перспектива если не самообеспечения природным газом, то хотя бы существенного снижения полной кабальной зависимости от его закупок за рубежом. К настоящему времени уже в целом исследованы прилегающие к Японии месторождения в Охотском море, в море Японском и у повернутого на Америку тихоокеанского побережья страны. По оценкам, запасов метана там столько, что они могут в течение 100 лет полностью обеспечить потребности Японии при нынешнем уровне потребления природного газа. Сто лет! Короче, игру сочли стоящей свеч, были выделены государственные ассигнования, а самым перспективным было признано месторождение в 70 км от полуострова Ацуми в центральной части тихоокеанского побережья главного японского острова Хонсю.
Еще в феврале прошлого года уникальное исследовательское судно «Тикю» («Земля») пробурило там четыре пробные скважины. Глубина океана в районе операции – 1000 метров. Скважины подтвердили наличие пригодных для добычи метангидратов. Месторождение, по оценкам, может полностью обеспечить потребности Японии в природном газе в течение 10-11 лет.
В том же районе «Тикю» пробурило и обустроило скважину для добычи глубиной 300 метров. В минувший вторник туда было опущено оборудование и произошло историческое событие – через четыре часа ожидания на горелке у палубы судна заполыхало оранжевое пламя – это пылал метан, впервые в истории полученный из подводного «горючего льда».
Эксперимент будет продолжаться еще две недели, а потом японцы на основе полученных данных станут думать дальше. Главная задача – снижение себестоимости, поскольку получение газа из метангидрата крайне дорого. При нынешней технологии он стоит более чем втрое больше, чем сжиженный природный газ, который сейчас импортирует Япония. Однако сланцевый газ тоже одно время считали нерентабельным. До тех пор, пока в США не нашли прорывные технологии, вызвавшие революцию на рынке.
В Токио тоже верят, что смогут найти новые методы, позволяющие резко сбить себестоимость. Правительство поставило задачу разработать коммерчески оправданные технологии эксплуатации месторождений метангидратов к 2018 финансовому году. Деньги на это выделяются из бюджета весьма приличные.
Кстати, метангидратами сейчас стали активно заниматься и в Южной Корее, которая тоже лишена природных ресурсов. Китай на этой неделе опубликовал доклад, где многозначительно напомнил, что занимает третье место по запасам метана и уступает по этому показателю только России и Канаде. В ходе нынешней пятилетки (2011-15 гг.) предполагается начать добычу этого газа на двух месторождениях в КНР. К 2015 году ее хотят довести до 30 млрд кубометров в год. Потом добычу начнут еще на пяти месторождениях. Цель не скрывается – снизить зависимость КНР от зарубежных поставок природного газа.
Кстати, с Россией Пекин уже долгие годы ведет затяжные мучительные переговоры о цене на газ, который Москва очень хочет гнать в Китай по трубе. КНР не уступает и верит: время и развитие новых технологий на ее стороне, тарифы все равно придется существенно снижать.
На это же рассчитывают и японцы, самый крупный в мире покупатель сжиженного природного газа. Конечно, разговоры о полной «газовой независимости» на базе «горящего льда» - пока утопия. Однако вполне возможные успехи в выработке технологий более-менее рентабельного использования метангидрата в сочетании с началом закупок дешевого сланцевого сжиженного газа в США и Канаде позволят, как считают в Токио, уверенно сбивать цены и на традиционный газ. По мнению японцев, уже в ближайшие годы они могут снизить свои расходы на этот ресурс по меньшей мере процентов на пятнадцать. Пока – только за счет фактора американского сланцевого газа.
Что же касается «Газпрома», то его продукцию японцы тоже готовы закупать. Но цены будут эффективно сбивать всеми доступными средствами. Используя уже сейчас американский сланцевый фактор, а потом, если получится, и «горючий лед». «Природного газа, как оказалось, в мире имеется очень много, рынок переполнен. И это нужно понимать»,- сказал мне как-то дипломат, возглавлявший одно время Российский отдел японского МИД.