Станет ли гидрат метана национальным энергоресурсом Японии?

Первого апреля 2013 года Главное управление по вопросам морской политики Японии опубликовало проект нового Основного морского плана, определяющего морскую политику на пять ближайших лет. Одним из наиболее любопытных положений этого документа является вопрос освоения гидрата метана. Гидрат метана находится в центре общественного внимания в качестве энергоресурса, которым располагает Япония, с тех пор, как он был успешно добыт с морского дна 12 марта в океане у префектуры Айти в районе разлома Нанкай.

Согласно Основному плану, на протяжении приблизительно трёх лет с 2013 финансового года (начинается с 1 апреля – прим. перев.), наряду с разведкой объёмов запасов, в том числе со стороны Японского моря, предусмотрена разработка технологий, призванных сделать возможным коммерческое использование этого ресурса. В связи с этим на гидрат метана стали возлагать большие надежды как на «национальный океанский ресурс». В то же время часть экспертов решительно заявляет: «Гидрат метана ресурсом не является». Всё это отнюдь не способствует пониманию реальной ситуации. В этой статье автор попытается оценить потенциал гидрата метана в качестве полезного ресурса, исходя из самостоятельно собранной информации.

Что отличает гидрат метана от используемого ныне природного газа?

Для начала позвольте вкратце объяснить, что представляет собой гидрат метана. Согласно основной научной теории наших дней, так называемые «прежние» общераспространенные энергоресурсы – нефть и природный газ – обязаны своим происхождением, главным образом, скоплению на морском дне органики – планктона, водорослей и т. п. Оказываясь в силу тектонических процессов в земной коре (как на суше, так и на морском дне), под воздействием высоких температур и давления они претерпели химические изменения, образовав ископаемые горючие вещества – нефть и газ. Гидрат метана предположительно образуется из органических веществ иначе – в условиях низкой температуры и высокого давления на морском дне либо в придонном слое грунта.

Обратите внимание на приведённую ниже схему. На ней выделена зона стабильного состояния гидрата метана. Когда метан и вода оказываются в условиях, соответствующих левой нижней части схемы, вокруг каждой молекулы метана образуется окружение из молекул воды, формируя то, что называют гидратом, то есть соединение, в котором молекулы воды присутствуют в виде структурных единиц. Метан в изобилии образуется как при разложении органики анаэробными организмами, так и при высокой температуре и давлении аналогично «прежним» ископаемым энергетическим ресурсам – нефти и газу. Таким образом, поскольку вода наличествует как в море, так и в земле, если в какой-либо зоне, где присутствуют метан и вода, возникают условия для стабильного состояния, эти два компонента естественным образом образуют гидрат метана.

К примеру, в море на глубине более 500 метров постоянна достаточно низкая температура – ниже пяти градусов Цельсия – и условия решительно не препятствуют процессу образования гидрата метана. Именно данный факт породил ожидания учёных: «Этот ресурс должен встречаться в больших объёмах, нежели прежние виды энергоносителей – нефть и природный газ, которые образуются только лишь глубоко в земле». Между тем, на суше имеется совсем немного мест с условиями для его стабильного существования. Гидрат метана удалось обнаружить лишь в незначительных объёмах в зонах вечной мерзлоты в России и Канаде.

Поскольку предполагалось, что гидрата метана окажется много в водах вблизи Японии, изыскания здесь начали вести раньше, чем в других местах. Вполне вероятно, что он будет обнаружен по всей планете в глубоководных зонах, примыкающих к континентальному шельфу. Иначе говоря, фактически ожидания наличия в океанском дне вокруг Японии созданных органикой обильных запасов гидратов метана обусловлены расположением Японского архипелага на восточном краю континентального шельфа огромной Евразии.

Тем не менее, утверждения о том, что «запасов в окрестностях Японии хватит, чтобы 100 лет покрывать потребность страны в природном газе», до сих пор активно муссируемые в масс-медиа, будучи основаны на старых данных из научной публикации 1996 года, не вполне достоверны. На данный момент официально объявлено лишь о том, что в обследованном морском районе разлома Тобу-Нанкай, где со дна был успешно извлечён гидрат метана, имеются его запасы, которые могли бы покрывать объёмы импортируемого Японией сжиженного природного газа (СПГ) в течение примерно 11 лет, если исходить из данных импорта за 2011 год.

Технологические сложности извлечения метана

Даже при наличии больших объёмов гидрата метана, его использование в качестве энергоресурса – иначе говоря, извлечение собственно метана из гидрата – не такая уж простая задача. Именно по этой причине разработка данного природного ресурса столь существенно отстала от потребляемого ныне природного газа. Между тем, и природный газ, и ставший актуальным ресурсом в последнее время сланцевый газ состоят, главным образом, из метана, и в случае успешного извлечения метана из гидрата его можно было бы использовать в качестве топлива совершенно аналогично двум первым ископаемым видам.

Структура гидрата метана. Зелёный – метан, красный – вода (изображение предоставлено Консорциумом исследований и разработки ресурсов гидрата метана)

Одна из причин заявлений о сложности использования гидрата метана в качестве энергоресурса состояла в том, что люди не знали эффективного способа извлечения газа из «клетки», образуемой молекулами воды вокруг каждой молекулы метана. Как и следует предположить из приведённой схемы 1, вывести гидрат метана из стабильного состояния можно либо нагрев его, либо подвергнув пониженному давлению. Но при скромных масштабах осуществления этой реакции незначительным окажется и объём извлекаемого метана. В рамках первой фазы японского плана разработки гидрата метана, реализация которой осуществлялась с 2001 по 2008 финансовый год, экспериментальное производство газа создавали на суше. Поскольку вести работы на суше гораздо проще, чем на морском дне, местом осуществления этой фазы избрали зону вечной мерзлоты в Канаде.

Сначала в 2001 году был опробован метод нагрева путём закачивания тёплой воды. Но поскольку разложение гидрата метана – реакция эндотермичная, требующая больших расходов тепловой энергии, и зона возможной добычи была соответственно ограничена, план потерпел неудачу. После этого подход пересмотрели, и начиная с 2007 года предприняли вторую попытку экспериментального производства, на этот раз – с использованием метода воздействия пониженным давлением. В ходе этой попытки удалось успешно непрерывно производить метан на протяжении шести суток подряд. Так впервые был проложен путь к практическому освоению гидрата метана в качестве природного ресурса. При этом, хотя экспериментальное производство продлилось всего шесть суток, непосредственно участвовавшие в этой работе технические специалисты вполне убедились в возможности длительного процесса производства.

Тем не менее, пока только предстоит преодолеть многочисленные трудности. Вторая причина, по которой получение метана из гидрата представлялось затруднительным, состоит в том, что обильно содержащие этот ресурс слои залегают между донными слоями песка и ила. План подразумевал внедрять в слой гидрата метана полые сваи-колодцы и создавать в них пониженное давление для извлечения метана. Однако это сопряжено с возможностью блокирования метана попадающим внутрь песком и илом, а также допрессовывания и разрушения подвергаемого декомпрессии слоя гидрата метана лежащими выше слоями. В рамках второй фазы проекта, которая началась в 2009 финансовом году, велись разнообразные технологические разработки, ориентированные на решение этих проблем. Наконец, в марте 2013 года состоялась долгожданная экспериментальная выработка газа на морском дне. Сейчас, после этого успеха, можно полагать, что процесс находится на этапе, когда самые большие трудности уже преодолены.

На каком этапе развитие находится сейчас?

С критикой в отношении всех этих планов разработки выступил почётный профессор Токийского университета, бывший директор Национального центра исследований окружающей среды Исии Ёсинори. Его негативные заявления привлекли внимание уже потому, что именно он возглавлял соответствующий научный комитет в первой половине 1990-х годов, когда Япония всерьёз занялась изысканиями и исследованиями, связанными с гидратом метана. Как указывал Исии, первоначально предполагалось, что в слоях гидрата метана на морском дне имеется свободный метан, который образуется за счёт геотермальной энергии. Его-то и предполагалось добывать. Однако затем было установлено, что метан фактически имеется лишь в форме гидрата. В результате Исии пришёл к мнению, что гидрат метана не может служить полезным ресурсом, поскольку извлечение из него метана – слишком затратный процесс.

Аналогичного мнения придерживались до недавнего времени и многие другие специалисты. Между тем, исследовательской группе удалось продвинуться по пути технологических инноваций дальше, чем ожидалось. Помимо успеха опытного процесса непрерывного производства, благоприятствующим фактором послужил выход на рынок ископаемого топлива с высоким уровнем производственных издержек – такого как сланцевый газ, сланцевая нефть, нефтеносные пески, а также нефть и газ с донных месторождений на сверхбольших глубинах. Шестнадцатикратный рост цен на нефть за период с 1999 по 2008 год не мог не повлечь за собой переосмысления ценности энергоресурсов. В этой связи не следует полностью исключать возможность коммерческого освоения гидрата метана, пусть и с высокими издержками.

Тем не менее, учитывая то, что длительность последнего эксперимента по добыче с морского дна пришлось сократить из-за попадания в колодец пониженного давления песка и ила, а также тот факт, что разложение гидрата метана удалось подтвердить лишь в радиусе около 20 метров от колодца, похоже, ещё только предстоит решить много задач. Причём, даже при благополучном исходе, промышленная добыча так и не начнётся, если не удастся обеспечить преимущество с точки зрения издержек перед такими рыночными конкурентами, как сланцевый газ или природный газ с глубоководных месторождений.

Согласно плану, в рамках второй фазы проекта, до 2015 финансового года, планировалось провести ещё одну экспериментальную добычу с морского дна, после чего в рамках третьей фазы – с 2016 по 2018 финансовый год – дать окончательную оценку возможности коммерческой эксплуатации этого ресурса. Упомянутый в начале статьи новый основной план следует в этом русле, предполагая:

– подготовку технологической базы для реализации коммерческой добычи ориентировочно в 2018 финансовом году;

– продолжение технологического развития и изучение международной ситуации с тем, чтобы начать реализацию проектов, направленных на коммерческое освоение силами, главным образом, частных предприятий, в пятилетний период с 2023 года.

Несмотря на то, что всё это ясно излагается в плане, в своих новостях средства массовой информации по не вполне понятным причинам зачастую отбрасывали второй пункт, говоря о том, что план «в числе прочего предусматривает цель обеспечить коммерческое освоение гидрата метана ориентировочно в 2018 финансовом году» (Вещательная корпорация NHK, News Web, 5 апреля 2013). Таким образом, многие публикации создавали впечатление о том, что уже через пять лет начнётся полномасштабное освоение в качестве промышленного ресурса. Вероятно, это было вызвано желанием привлечь внимание аудитории броскими формулировками, но по сути журналисты поторопились, будучи не слишком знакомы с нюансами непростого дела освоения природных ресурсов.

Лишь первый уровень развития

Прежде чем раскрыть свой рыночный потенциал, не только энергоноситель, но любой товар проходит определённые уровни развития. В качестве примера можно привести автомобили с гибридной силовой установкой, долгое время пребывавшие на нулевом уровне, прежде чем фирмы Toyota и Honda не вывели их на нынешний, третий уровень. Причём, поскольку занимаемая гибридными моделями доля мирового авторынка остаётся незначительной, выхода на четвёртый уровень пока не происходит:

Уровень 0: Полное отсутствие ценности в качестве товара;

Уровень 1: Научная возможность производства (экспериментальное производство);

Уровень 2: Технологическая возможность производства (опытно-практическое производство);

Уровень 3: Возможность экономически обоснованного производства (коммерческое производство);

Уровень 4: Наличие товарного потенциала, достаточного для изменения жизни общества.

Гидрат метана, которому, по мнению профессора Исии, было суждено вечно находиться на нулевом уровне, благодаря экспериментальному производству на суше вышел на уровень 1, а в настоящее время вполне можно считать, что разработка ведётся с целью выхода на уровень 2. Таким образом, хотя ситуацию не стоит оценивать слишком пессимистично, совершенно неуместным представляется и ажиотаж в духе «это станет решением всех энергетических проблем Японии». Необходимо понимать, что на данном этапе задачей является прежде всего обеспечить технологическую возможность устойчивого длительного производства, прежде чем перейти к последующему этапу коммерческой эксплуатации ресурса.

В заключение необходимо отметить, что доля природного газа среди всех первичных энергоносителей, потребляемых Японией, даже увеличившись, составляет не более 20%, не превышая и половины той доли, которая приходится на нефть. При этом обеспечить в современной ситуации стабильное использование природного газа в качестве топлива для автомобилей представляется затруднительным, а полная замена нефти – невозможной. Следовательно, даже при наличии обильных запасов гидрата метана в непосредственной близости от Японии и успешном освоении этого ресурса, он способен лишь отчасти обеспечивать удовлетворение потребностей нашей страны в энергоносителях. В этом смысле также представляется важным наблюдать за дальнейшим развитием событий, не теряя спокойствия.

Фотография к заголовку: Горение искусственно созданного образца гидрата метана (фотография предоставлена Консорциумом исследований и разработки ресурсов гидрата метана)