Природный газ (также называемый ископаемым газом, метановым газом или просто газом ) представляет собой природную смесь газообразных углеводородов, состоящую в основном из метана (95%) [1] в дополнение к различным меньшим количествам других высших алканов . Следы углекислого газа , азота , сероводорода и гелия также обычно присутствуют. [2] Метан не имеет цвета и запаха и является вторым по величине парниковым газом, способствующим глобальному изменению климата после углекислого газа. [3] Поскольку природный газ не имеет запаха, в него обычно добавляют одоранты, такие как меркаптан (который пахнет серой или тухлыми яйцами) для безопасности, чтобы можно было легко обнаружить утечки. [4]
Природный газ — это ископаемое топливо , которое образуется, когда слои органического вещества (в первую очередь морских микроорганизмов) [5] разлагаются в анаэробных условиях и подвергаются сильному нагреву и давлению под землей в течение миллионов лет. [6] Энергия, которую разложившиеся организмы первоначально получили от солнца посредством фотосинтеза, хранится в виде химической энергии в молекулах метана и других углеводородов. [7]
Природный газ можно сжигать для отопления, приготовления пищи [8] и выработки электроэнергии . Он также используется в качестве химического сырья при производстве пластмасс и других коммерчески важных органических химикатов и реже используется в качестве топлива для транспортных средств .
Добыча и потребление природного газа вносят основной и растущий вклад в изменение климата . [9] [10] [11] Как сам газ (в частности, метан ), так и углекислый газ , который выделяется при сжигании природного газа, являются парниковыми газами . [12] [13] При сжигании для получения тепла или электроэнергии природный газ выделяет меньше токсичных загрязнителей воздуха, меньше углекислого газа и почти не выделяет твердых частиц по сравнению с другими видами ископаемого и биомассного топлива. [14] Однако выбросы газа в атмосферу и непреднамеренные неконтролируемые выбросы по всей цепочке поставок могут привести к тому, что природный газ будет иметь такой же углеродный след, как и другие виды ископаемого топлива в целом. [15]
Природный газ можно найти в подземных геологических формациях , часто вместе с другими ископаемыми видами топлива, такими как уголь и нефть (нефть). Большая часть природного газа была создана посредством биогенных или термогенных процессов. Термогенный газ формируется гораздо дольше и создается, когда органическое вещество нагревается и сжимается глубоко под землей. [16] [6] Метаногенные организмы производят метан из различных источников, в основном из углекислого газа.
В процессе добычи нефти природный газ иногда сжигают, а не собирают и используют. Перед тем, как природный газ можно будет сжигать в качестве топлива или использовать в производственных процессах, его почти всегда необходимо обработать, чтобы удалить примеси, такие как вода. Побочные продукты этой обработки включают этан , пропан , бутаны , пентаны и углеводороды с более высокой молекулярной массой. Сероводород (который может быть преобразован в чистую серу ), углекислый газ , водяной пар , а иногда гелий и азот также должны быть удалены.
Природный газ иногда неформально называют просто «газом», особенно когда его сравнивают с другими источниками энергии, такими как нефть, уголь или возобновляемые источники энергии. Однако его не следует путать с бензином , который также сокращается в разговорной речи до «газа», особенно в Северной Америке. [17]
Природный газ измеряется в стандартных кубических метрах или стандартных кубических футах . Плотность по сравнению с воздухом колеблется от 0,58 (16,8 г/моль, 0,71 кг на стандартный кубический метр) до 0,79 (22,9 г/моль, 0,97 кг на см3), но обычно меньше 0,64 (18,5 г/моль, 0,78 кг на см3). [18] Для сравнения, чистый метан (16,0425 г/моль) имеет плотность в 0,5539 раза больше, чем воздух (0,678 кг на стандартный кубический метр).
В начале 1800-х годов природный газ стал называться «природным», чтобы отличать его от доминирующего в то время газового топлива, угольного газа . [19] В отличие от угольного газа, который производится путем нагревания угля, природный газ можно добывать из земли в его естественной газообразной форме. Когда использование природного газа обогнало использование угольного газа в англоязычных странах в 20 веке, его все чаще называли просто «газом». [20] Однако , чтобы подчеркнуть его роль в усугублении климатического кризиса , многие организации критиковали продолжающееся использование слова «природный» в отношении газа. Эти сторонники предпочитают термин «ископаемый газ» или «метановый газ», как лучше передающий общественности его климатическую угрозу. [21] [22] [23] Исследование восприятия топлива американцами, проведенное в 2020 году, показало, что в разных политических идентификациях термин «метановый газ» привел к более точным оценкам его вреда и рисков. [24]
Природный газ может выходить из-под земли и вызывать долго горящий огонь. В Древней Греции газовое пламя на горе Химера способствовало появлению легенды об огнедышащем существе Химере . В Древнем Китае газ, полученный в результате бурения рассолов, впервые был использован около 400 г. до н. э. [25] Китайцы транспортировали газ, просачивающийся из-под земли, по грубым бамбуковым трубопроводам туда, где его использовали для кипячения соленой воды для извлечения соли в районе Цзылюцзин провинции Сычуань . [26] [27]
Природный газ не использовался широко до развития магистральных трубопроводов в начале двадцатого века. До этого, большая часть использования была вблизи источника скважины, и преобладающим газом для топлива и освещения во время промышленной революции был искусственный угольный газ. [28]
История природного газа в Соединенных Штатах начинается с локального использования. В семнадцатом веке французские миссионеры стали свидетелями того, как американские индейцы поджигали выходы природного газа вокруг озера Эри, а отдельные наблюдения за этими выходами производились поселенцами европейского происхождения по всему восточному побережью в течение 1700-х годов. [29] В 1821 году Уильям Харт вырыл первую коммерческую газовую скважину в Соединенных Штатах в Фредонии, штат Нью-Йорк , США, что привело в 1858 году к образованию компании Fredonia Gas Light Company . [30] Затем подобные предприятия последовали около скважин в других штатах, пока технологические инновации не позволили с 1920-х годов построить крупные магистральные трубопроводы. [29]
К 2009 году было использовано 66 000 км 3 (16 000 кубических миль) (или 8%) из 850 000 км 3 (200 000 кубических миль) предполагаемых оставшихся извлекаемых запасов природного газа. [31]
В 19 веке природный газ в основном получали как побочный продукт добычи нефти . Небольшие, легкие газовые углеродные цепи выходили из раствора, когда извлеченные жидкости подвергались снижению давления от резервуара к поверхности, подобно тому, как откупоривают бутылку с безалкогольным напитком, где выделяется углекислый газ . Газ часто рассматривался как побочный продукт, опасность и проблема утилизации на действующих нефтяных месторождениях. Большие объемы добычи не могли быть использованы, пока не были построены относительно дорогие трубопроводы и хранилища для доставки газа на потребительские рынки.
До начала 20-го века большая часть природного газа, связанного с нефтью, либо просто выбрасывалась, либо сжигалась на нефтяных месторождениях. Выброс газа и сжигание в факелах все еще практикуются в наше время, но во всем мире ведутся работы по их прекращению и замене их другими коммерчески жизнеспособными и полезными альтернативами. [32] [33]
Помимо транспортировки газа по трубопроводам для использования в электроэнергетике, другие конечные применения природного газа включают экспорт в виде сжиженного природного газа (СПГ) или преобразование природного газа в другие жидкие продукты с помощью технологий преобразования газа в жидкости (GTL). Технологии GTL могут преобразовывать природный газ в жидкие продукты, такие как бензин, дизельное топливо или реактивное топливо. Было разработано множество технологий GTL, включая Фишера-Тропша (F–T), метанол в бензин (MTG) и синтез-газ в бензин плюс (STG+). F–T производит синтетическую нефть, которая может быть далее переработана в готовые продукты, в то время как MTG может производить синтетический бензин из природного газа. STG+ может производить бензин, дизельное топливо, реактивное топливо и ароматические химикаты непосредственно из природного газа с помощью одноконтурного процесса. [34] В 2011 году в Катаре был введен в эксплуатацию завод F–T компании Royal Dutch Shell производительностью 140 000 баррелей (22 000 м3 ) в день . [35]
Природный газ может быть «попутным» (находится в нефтяных месторождениях ) или «непопутным» (изолированным в месторождениях природного газа ), а также находится в угольных пластах (как угольный метан ). [36] Иногда он содержит значительное количество этана , пропана , бутана и пентана — более тяжелых углеводородов, удаляемых для коммерческого использования до того, как метан продается в качестве потребительского топлива или сырья для химических заводов. Неуглеводороды, такие как диоксид углерода , азот , гелий (редко) и сероводород , также должны быть удалены до того, как природный газ можно будет транспортировать. [37]
Природный газ, добываемый из нефтяных скважин, называется попутным газом (независимо от того, действительно ли он добыт в кольцевом пространстве и через выходное отверстие попутного газа) или попутным газом. Газовая промышленность извлекает все большее количество газа из сложных, нетрадиционных типов ресурсов : сернистый газ , плотный газ , сланцевый газ и угольный метан .
Существуют некоторые разногласия относительно того, какая страна имеет самые большие доказанные запасы газа. Источники, которые считают, что Россия имеет самые большие доказанные запасы, включают Центральное разведывательное управление США (47 600 км 3 ) [38] и Управление энергетической информации (47 800 км 3 ), [39] [40] , а также Организация стран-экспортеров нефти (48 700 км 3 ). [41] Напротив, BP приписывает России только 32 900 км 3 , [42] что ставит ее на второе место, немного уступая Ирану (от 33 100 до 33 800 км 3 , в зависимости от источника).
.svg/1280px-Countries_by_Natural_Gas_Proven_Reserves_(2014).svg.png)
По оценкам, существует около 900 000 км 3 «нетрадиционного» газа, такого как сланцевый газ, из которых 180 000 км 3 могут быть извлекаемыми. [43] В свою очередь, многие исследования Массачусетского технологического института , Black & Veatch и Министерства энергетики США предсказывают, что в будущем на природный газ будет приходиться большая часть производства электроэнергии и тепла. [44] [ нужен лучший источник ]
Крупнейшим газовым месторождением в мире является оффшорное газоконденсатное месторождение Южный Парс/Северный купол , совместно используемое Ираном и Катаром. По оценкам, оно содержит 51 000 кубических километров (12 000 кубических миль) природного газа и 50 миллиардов баррелей (7,9 миллиарда кубических метров) конденсата природного газа .
Поскольку природный газ не является чистым продуктом, то по мере падения пластового давления при извлечении свободного газа из месторождения в сверхкритических (давление/температура) условиях компоненты с более высокой молекулярной массой могут частично конденсироваться при изотермическом сбросе давления — эффект, называемый ретроградной конденсацией . Образовавшаяся таким образом жидкость может задерживаться по мере истощения пор газового резервуара. Одним из методов решения этой проблемы является повторная закачка осушенного газа, свободного от конденсата, для поддержания подземного давления и обеспечения повторного испарения и извлечения конденсатов. Чаще всего жидкость конденсируется на поверхности, и одной из задач газового завода является сбор этого конденсата. Полученная жидкость называется сжиженным природным газом (СПГ) и имеет коммерческую ценность.
Сланцевый газ — это природный газ, добываемый из сланца . Поскольку проницаемость матрицы сланца слишком низкая, чтобы газ мог течь в экономичных количествах, скважины сланцевого газа зависят от трещин, чтобы газ мог течь. Ранние скважины сланцевого газа зависели от естественных трещин, через которые протекал газ; почти все скважины сланцевого газа сегодня требуют трещин, искусственно созданных с помощью гидравлического разрыва пласта . С 2000 года сланцевый газ стал основным источником природного газа в Соединенных Штатах и Канаде. [45] Из-за увеличения добычи сланцевого газа Соединенные Штаты в 2014 году были производителем природного газа номер один в мире. [46] Добыча сланцевого газа в Соединенных Штатах была описана как «революция сланцевого газа» и как «одно из знаковых событий в 21 веке». [47]
После увеличения добычи в Соединенных Штатах разведка сланцевого газа начинается в таких странах, как Польша, Китай и Южная Африка. [48] [49] [50] Китайские геологи определили бассейн Сычуань как перспективную цель для бурения сланцевого газа из-за сходства сланцев с теми, которые оказались продуктивными в Соединенных Штатах. Добыча из скважины Вэй-201 составляет от 10 000 до 20 000 м3 в день. [51] В конце 2020 года Китайская национальная нефтяная корпорация заявила о ежедневной добыче 20 миллионов кубометров газа из своей демонстрационной зоны Чаннин-Вэйюань. [52] [ ненадежный источник? ]
Городской газ — это горючее газообразное топливо, получаемое путем деструктивной перегонки угля . Он содержит множество теплотворных газов, включая водород , оксид углерода , метан и другие летучие углеводороды , а также небольшие количества нетеплотворных газов, таких как диоксид углерода и азот , и использовался аналогично природному газу. Это историческая технология, и сегодня она обычно экономически неконкурентоспособна по сравнению с другими источниками топливного газа.
Большинство городских «газовых домов», расположенных на востоке США в конце 19-го и начале 20-го веков, представляли собой простые побочные коксовые печи, которые нагревали битуминозный уголь в герметичных камерах. Газ, отводимый от угля, собирался и распределялся по сетям труб в жилые дома и другие здания, где он использовался для приготовления пищи и освещения. (Газовое отопление не получило широкого распространения до второй половины 20-го века.) Каменноугольная смола (или асфальт ), которая собиралась на дне газовых печей, часто использовалась для кровельных работ и других целей гидроизоляции, а в смеси с песком и гравием использовалась для мощения улиц.
Огромные объемы природного газа (в первую очередь метана) существуют в форме клатратов под осадочными породами на континентальных шельфах и на суше в арктических регионах, где наблюдается вечная мерзлота , например, в Сибири . Для образования гидратов требуется сочетание высокого давления и низкой температуры.
В 2013 году Японская национальная корпорация по нефти, газу и металлам (JOGMEC) объявила, что извлекла коммерчески значимые объемы природного газа из гидрата метана. [53]
На рисунке ниже представлена схематическая блок-схема типичного завода по переработке природного газа. На ней показаны различные процессы, используемые для преобразования сырого природного газа в товарный газ, поставляемый на рынки конечных потребителей.
Блок-схема также показывает, как переработка сырого природного газа дает побочные продукты: серу, этан, а также природный газовый конденсат (ПГК): пропан, бутаны и газовый бензин (обозначенные как пентаны +). [54] [55] [56] [57]
По состоянию на середину 2020 года добыча природного газа в США достигала пика трижды, при этом текущие уровни превышают оба предыдущих пика. Она достигла 24,1 триллиона кубических футов в год в 1973 году, после чего последовал спад и достигла 24,5 триллиона кубических футов в 2001 году. После кратковременного спада отборы увеличивались почти каждый год с 2006 года (из-за бума сланцевого газа ), при этом добыча в 2017 году составила 33,4 триллиона кубических футов, а в 2019 году — 40,7 триллиона кубических футов. После третьего пика в декабре 2019 года добыча продолжала падать с марта из-за снижения спроса, вызванного пандемией COVID-19 в США . [58]
Глобальный энергетический кризис 2021 года был вызван глобальным всплеском спроса, поскольку мир вышел из экономической рецессии, вызванной COVID-19, особенно из-за высокого спроса на энергоносители в Азии. [59]
Из-за его низкой плотности, его нелегко хранить или транспортировать на транспорте. Трубопроводы природного газа непрактичны через океаны, так как газ необходимо охлаждать и сжимать, так как трение в трубопроводе заставляет газ нагреваться. Многие существующие трубопроводы в США близки к достижению своей пропускной способности, побуждая некоторых политиков, представляющих северные штаты, говорить о потенциальном дефиците. Большие торговые издержки подразумевают, что рынки природного газа в глобальном масштабе гораздо менее интегрированы, что приводит к значительным различиям в ценах между странами. В Западной Европе сеть газопроводов уже плотная. [61] [ нужен лучший источник ] [ нужна полная цитата ] Новые трубопроводы планируются или строятся между Западной Европой и Ближним Востоком или Северной Африкой . [62]
При покупке или продаже газа в пунктах сдачи-приемки устанавливаются правила и соглашения относительно качества газа. Они могут включать максимально допустимую концентрацию CO2, Н2С и Н
2O. Обычно товарный газ, прошедший очистку для удаления загрязнений, продается на условиях «сухого газа» и должен быть коммерчески свободен от неприятных запахов, материалов, пыли или других твердых или жидких веществ, восков, смол и смолообразующих компонентов, которые могут повредить или неблагоприятно повлиять на работу оборудования, расположенного ниже по потоку от пункта сдачи-приемки.
Суда-газовозы перевозят сжиженный природный газ (СПГ) через океаны, в то время как автоцистерны могут перевозить СПГ или сжатый природный газ (СПГ) на более короткие расстояния. [63] Морской транспорт с использованием судов -газовозов , которые в настоящее время находятся в стадии разработки, может составить конкуренцию транспортировке СПГ в определенных условиях. [64]
Газ превращается в жидкость на заводе по сжижению и возвращается в газообразную форму на заводе по регазификации на терминале . Также используется судовое регазификационное оборудование. СПГ является предпочтительной формой для транспортировки природного газа на большие расстояния в больших объемах, тогда как трубопровод предпочтителен для транспортировки на расстояния до 4000 км (2500 миль) по суше и примерно на половину этого расстояния в море.
СПГ транспортируется под высоким давлением, обычно выше 200 бар (20 000 кПа; 2 900 фунтов на кв. дюйм). Компрессоры и декомпрессионное оборудование менее капиталоемки и могут быть экономичны при меньших размерах установок, чем установки сжижения/регазификации. Газовозы и перевозчики природного газа могут транспортировать природный газ непосредственно конечным потребителям или в распределительные пункты, такие как трубопроводы.
В прошлом природный газ, который был извлечен в ходе добычи нефти , не мог быть продан с прибылью и просто сжигался на нефтяном месторождении в процессе, известном как факельное сжигание . Факельное сжигание теперь незаконно во многих странах. [65] Кроме того, более высокий спрос за последние 20–30 лет сделал добычу газа, связанного с нефтью, экономически выгодной. В качестве еще одного варианта газ теперь иногда повторно закачивают в пласт для повышения нефтеотдачи путем поддержания давления, а также смешивающегося или несмешивающегося заводнения. Сохранение, обратная закачка или сжигание природного газа, связанного с нефтью, в первую очередь зависят от близости к рынкам (трубопроводам) и нормативных ограничений.
Природный газ может быть экспортирован косвенно через поглощение в других физических объемах производства. Расширение добычи сланцевого газа в США привело к падению цен по сравнению с другими странами. Это вызвало бум в экспорте энергоемкого производственного сектора, в результате чего средняя долларовая единица экспорта продукции обрабатывающей промышленности США почти утроила свое энергосодержание в период с 1996 по 2012 год. [66]
В конце 1970-х годов в Саудовской Аравии была изобретена «главная газовая система» , что устранило необходимость в сжигании. Однако спутниковые и инфракрасные наблюдения показывают, что сжигание [67] [68] [69] [70] и выброс [71] все еще происходят в некоторых странах.
Природный газ используется для выработки электроэнергии и тепла для опреснения . Аналогичным образом, некоторые свалки, которые также выбрасывают метановые газы, были созданы для улавливания метана и выработки электроэнергии.
Природный газ часто хранится под землей [необходимы ссылки на геологическое хранение] внутри истощенных газовых резервуаров из предыдущих газовых скважин, соляных куполов или в резервуарах в виде сжиженного природного газа. Газ закачивается в период низкого спроса и извлекается, когда спрос растет. Хранение вблизи конечных пользователей помогает удовлетворять нестабильный спрос, но такое хранение не всегда может быть осуществимо.
С учетом того, что 15 стран добывают 84% мирового объема газа, доступ к природному газу стал важным вопросом международной политики, и страны соперничают за контроль над трубопроводами. [72] В первом десятилетии 21-го века «Газпром» , государственная энергетическая компания России, вступила в споры с Украиной и Беларусью по поводу цены на природный газ, что вызвало опасения, что поставки газа в некоторые части Европы могут быть прекращены по политическим причинам. [73] Соединенные Штаты готовятся экспортировать природный газ. [74]
Плавучий сжиженный природный газ (FLNG) — это инновационная технология, разработанная для разработки морских газовых ресурсов, которые в противном случае остались бы неиспользованными из-за экологических или экономических факторов, которые в настоящее время делают их разработку с помощью наземных операций по производству СПГ нецелесообразным. Технология FLNG также обеспечивает ряд экологических и экономических преимуществ:
Многие газовые и нефтяные компании рассматривают экономические и экологические преимущества плавучего сжиженного природного газа (FLNG). В настоящее время ведутся проекты по строительству пяти объектов FLNG. Petronas близка к завершению своего FLNG-1 [77] на Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering и находится в процессе реализации своего проекта FLNG-2 [78] на Samsung Heavy Industries . Shell Prelude должен начать производство в 2017 году. [79] Проект Browse LNG начнет FEED в 2019 году. [80]
Природный газ в основном используется в северном полушарии. Основными потребителями являются Северная Америка и Европа.
Часто для газов на устье скважины требуется удаление различных молекул углеводородов, содержащихся в газе. Некоторые из этих газов включают гептан , пентан , пропан и другие углеводороды с молекулярным весом выше метана ( CH
4). Линии транспортировки природного газа простираются до завода или установки по переработке природного газа, которая удаляет углеводороды с более высоким молекулярным весом для производства природного газа с энергосодержанием от 35 до 39 мегаджоулей на кубический метр (950–1050 британских тепловых единиц на кубический фут). Переработанный природный газ затем может использоваться в жилых, коммерческих и промышленных целях.
Природный газ, текущий в распределительных линиях, называется средним природным газом и часто используется для питания двигателей, которые вращают компрессоры. Эти компрессоры требуются в линии передачи для нагнетания и повторного нагнетания среднего природного газа по мере его перемещения. Обычно для двигателей, работающих на природном газе, требуется природный газ плотностью 35–39 МДж/м 3 (950–1050 БТЕ/куб. фут) для работы в соответствии с техническими характеристиками вращательной таблички. [81] Для удаления этих газов с более высоким молекулярным весом для использования в двигателе, работающем на природном газе, используется несколько методов. Вот несколько технологий:
В США более трети домохозяйств (>40 миллионов домов) готовят на газе. [3] Природный газ, подаваемый в жилые помещения, может создавать температуру свыше 1100 °C (2000 °F), что делает его мощным бытовым топливом для приготовления пищи и отопления. [84] Ученые Стэнфорда подсчитали, что газовые плиты выделяют 0,8–1,3% используемого ими газа в виде несгоревшего метана, а общие выбросы плит в США составляют 28,1 гигаграмма метана. [3] В большинстве развитых стран он подается по трубам в дома, где используется для многих целей, включая плиты и духовки, отопление / охлаждение , уличные и переносные грили и центральное отопление . [85] Обогреватели в домах и других зданиях могут включать котлы, печи и водонагреватели . И Северная Америка, и Европа являются основными потребителями природного газа.
Бытовые приборы, печи и котлы используют низкое давление, обычно со стандартным давлением около 1,7 килопаскалей (0,25 фунтов на квадратный дюйм) выше атмосферного давления. Давление в линиях подачи варьируется, либо стандартное давление использования (UP), упомянутое выше, либо повышенное давление (EP), которое может быть где-то от 7 до 800 килопаскалей (от 1 до 120 фунтов на квадратный дюйм) выше атмосферного давления. Системы, использующие EP, имеют регулятор на входе обслуживания для понижения до UP. [86]
Системы трубопроводов природного газа внутри зданий часто проектируются с давлением от 14 до 34 килопаскалей (от 2 до 5 фунтов на квадратный дюйм) и имеют регуляторы давления ниже по потоку для снижения давления по мере необходимости. В Соединенных Штатах максимально допустимое рабочее давление для систем трубопроводов природного газа внутри здания основано на NFPA 54: Национальный кодекс топливного газа [87] , за исключением случаев, когда это одобрено Управлением общественной безопасности или когда страховые компании предъявляют более строгие требования.
Как правило, давление в системе природного газа не должно превышать 5 фунтов на квадратный дюйм (34 кПа), если не соблюдены все следующие условия:
Как правило, максимальное давление сжиженного нефтяного газа допускается в 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа) при условии, что здание построено в соответствии с NFPA 58: Кодекс по сжиженному нефтяному газу, Глава 7. [88]
Сейсмический сейсмический клапан, работающий при давлении 55 фунтов на кв. дюйм (3,7 бар), может остановить поток природного газа в трубопроводную сеть распределения природного газа по всей территории (которая проходит (под землей, над крышами зданий и/или внутри верхних опор навеса крыши). Сейсмические сейсмические клапаны рассчитаны на использование при давлении не более 60 фунтов на кв. дюйм. [89] [90]
В Австралии природный газ транспортируется от газоперерабатывающих предприятий до регулирующих станций по магистральным трубопроводам. Затем газ регулируется до распределенных давлений, и газ распределяется по газовой сети через газопроводы. Небольшие ответвления от сети, называемые службами, соединяют отдельные жилые дома или многоквартирные дома с сетью. Давление в сетях обычно варьируется от 7 кПа (низкое давление) до 515 кПа (высокое давление). Затем газ регулируется до 1,1 кПа или 2,75 кПа, прежде чем его измеряют и передают потребителю для бытового использования. [91] Магистрали природного газа изготавливаются из различных материалов: исторически чугуна, хотя более современные магистрали изготавливаются из стали или полиэтилена.
В некоторых штатах США природный газ может поставляться независимыми оптовыми торговцами/поставщиками природного газа с использованием существующей инфраструктуры владельцев трубопроводов в рамках программ Natural Gas Choice .
LPG ( сжиженный нефтяной газ ) обычно используется в качестве топлива для уличных и переносных грилей . Хотя сжатый природный газ (CNG) редко доступен для аналогичных целей в США в сельских районах, не охваченных существующей трубопроводной системой и распределительной сетью менее дорогого и более распространенного LPG ( сжиженного нефтяного газа ).
КПГ является более чистой и дешевой альтернативой другим видам автомобильного топлива, таким как бензин (бензин). [92] К концу 2014 года во всем мире насчитывалось более 20 миллионов транспортных средств, работающих на природном газе , во главе с Ираном (3,5 миллиона), Китаем (3,3 миллиона), Пакистаном (2,8 миллиона), Аргентиной (2,5 миллиона), Индией (1,8 миллиона) и Бразилией (1,8 миллиона). [93] Энергоэффективность в целом равна эффективности бензиновых двигателей, но ниже по сравнению с современными дизельными двигателями. Автомобили на бензине/бензине, переведенные на работу на природном газе, страдают из-за низкой степени сжатия их двигателей, что приводит к снижению вырабатываемой мощности при работе на природном газе (10–15%). Однако двигатели, работающие на КПГ, используют более высокую степень сжатия из-за более высокого октанового числа этого топлива 120–130. [94]
Помимо использования в дорожных транспортных средствах, сжатый природный газ также может использоваться в самолетах. [95] Сжатый природный газ использовался в некоторых самолетах, таких как Aviat Aircraft Husky 200 CNG [96] и Chromarat VX-1 KittyHawk [97]
СПГ также используется в самолетах. Например, российский производитель самолетов Туполев реализует программу разработки для производства самолетов, работающих на СПГ и водороде . [98] Программа действует с середины 1970-х годов и направлена на разработку вариантов пассажирских самолетов Ту-204 и Ту-334 , а также грузового самолета Ту-330, работающих на СПГ и водороде . В зависимости от текущей рыночной цены на авиатопливо и СПГ, топливо для самолета, работающего на СПГ, может стоить на 5000 рублей (100 долларов США) меньше за тонну, примерно на 60%, со значительным сокращением выбросов оксида углерода , углеводородов и оксидов азота . [ требуется ссылка ]
Преимущества жидкого метана в качестве топлива для реактивных двигателей заключаются в том, что он имеет большую удельную энергию , чем стандартные керосиновые смеси, и что его низкая температура может помочь охладить воздух, который двигатель сжимает для большей объемной эффективности, фактически заменяя промежуточный охладитель . В качестве альтернативы его можно использовать для снижения температуры выхлопных газов. [ необходима цитата ]
Природный газ является основным сырьем для производства аммиака с помощью процесса Габера , используемого в производстве удобрений . [85] [99] Разработка синтетических азотных удобрений в значительной степени способствовала росту населения планеты — было подсчитано, что почти половина людей на Земле в настоящее время питается за счет использования синтетических азотных удобрений. [100] [101]
Природный газ может быть использован для производства водорода , одним из распространенных методов является водородный риформинг . Водород имеет множество применений: это основное сырье для химической промышленности , гидрогенизирующий агент, важный товар для нефтеперерабатывающих заводов и источник топлива в водородных транспортных средствах .
Богатый белком корм для животных и рыб производится путем скармливания природного газа бактериям Methylococcus capsulatus в промышленных масштабах. [102] [103] [104]
Компоненты природного газа (алканы) могут быть преобразованы в олефины (алкены) или другой химический синтез . Этан путем окислительного дегидрирования преобразуется в этилен, который может быть далее преобразован в оксид этилена , этиленгликоль , ацетальдегид или другие олефины. Пропан путем окислительного гидрирования преобразуется в пропилен или может быть окислен до акриловой кислоты и акрилонитрила .
Природный газ также используется в производстве тканей , стекла , стали , пластмасс , красок , синтетического масла и других продуктов. [105]
Топливо для промышленных процессов нагрева и сушки .
Сырье для крупномасштабного производства топлива с использованием процесса «газ в жидкость » (GTL) (например, для производства дизельного топлива без содержания серы и ароматических соединений с низким уровнем выбросов при сгорании).
Приготовление пищи с использованием природного газа ухудшает качество воздуха в помещении и может привести к серьезным респираторным заболеваниям, таким как астма . [106] [107]
Человеческая деятельность ответственна примерно за 60% всех выбросов метана и за большую часть последующего увеличения атмосферного метана. [110] [111] [112] Природный газ намеренно высвобождается или иным образом известен как утечка во время добычи, хранения, транспортировки и распределения ископаемого топлива . В глобальном масштабе метан составляет, по оценкам, 33% антропогенного парникового потепления . [113] Разложение твердых бытовых отходов (источник свалочного газа ) и сточных вод составляет еще 18% таких выбросов. Эти оценки включают существенные неопределенности, [114] которые должны быть уменьшены в ближайшем будущем с помощью улучшенных спутниковых измерений, таких как те, которые запланированы для MethaneSAT . [13]
После выброса в атмосферу метан удаляется путем постепенного окисления до углекислого газа и воды гидроксильными радикалами ( ОН−
) образуется в тропосфере или стратосфере, давая общую химическую реакцию CH
4+ 2 О
2→ КО
2+ 2 ч.
2O . [115] [116] Хотя продолжительность жизни атмосферного метана относительно коротка по сравнению с углекислым газом, [117] с периодом полураспада около 7 лет, он более эффективен в удержании тепла в атмосфере, так что данное количество метана имеет в 84 раза больший потенциал глобального потепления, чем углекислый газ за 20-летний период и в 28 раз больше за 100-летний период. Таким образом, природный газ является мощным парниковым газом из-за сильного радиационного воздействия метана в краткосрочной перспективе и продолжающегося воздействия углекислого газа в долгосрочной перспективе. [112]
Целенаправленные усилия по быстрому снижению потепления путем сокращения антропогенных выбросов метана являются стратегией смягчения последствий изменения климата, поддерживаемой Глобальной инициативой по метану . [113]
При очистке и сжигании природный газ может производить на 25–30% меньше углекислого газа на доставленный джоуль , чем нефть, и на 40–45% меньше, чем уголь. [118] Он также может производить потенциально меньше токсичных загрязняющих веществ , чем другие углеводородные виды топлива. [118] [119] Однако по сравнению с другими основными видами ископаемого топлива природный газ вызывает больше выбросов в относительном выражении во время производства и транспортировки топлива, что означает, что выбросы парниковых газов за жизненный цикл примерно на 50% выше, чем прямые выбросы с места потребления. [120] [121]
С точки зрения эффекта потепления за 100 лет, добыча и использование природного газа составляет около одной пятой выбросов парниковых газов человеком , и этот вклад быстро растет. Во всем мире использование природного газа выделило около 7,8 млрд тонн CO
2в 2020 году (включая сжигание), в то время как выбросы угля и нефти составили 14,4 и 12 миллиардов тонн соответственно. [122] МЭА оценивает, что энергетический сектор (нефть, природный газ, уголь и биоэнергия) несет ответственность за около 40% выбросов метана человеком. [123] Согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК , потребление природного газа выросло на 15% в период с 2015 по 2019 год по сравнению с 5%-ным ростом потребления нефти и нефтепродуктов. [124]
Продолжающееся финансирование и строительство новых газопроводов указывает на то, что огромные выбросы ископаемых парниковых газов могут быть заблокированы на 40–50 лет в будущем. [125] Только в американском штате Техас ведется строительство пяти новых магистральных газопроводов, первый из которых будет введен в эксплуатацию в 2019 году, [126] а остальные планируется ввести в эксплуатацию в течение 2020–2022 годов. [127] : 23
Чтобы сократить выбросы парниковых газов, Нидерланды субсидируют переход от природного газа для всех домов в стране к 2050 году. В Амстердаме с 2018 года не разрешается открывать новые счета за газ для жилых домов, и ожидается, что к 2040 году все дома в городе будут переоборудованы для использования избыточного тепла от соседних промышленных зданий и производств. [128] Некоторые города в Соединенных Штатах начали запрещать подключение газа для новых домов, при этом приняты и рассматриваются государственные законы, требующие электрификации или запрещающие местные требования. [129] Подключение новых газовых приборов запрещено в штате Нью-Йорк [130] и на Австралийской столичной территории . [131] Кроме того, штат Виктория в Австралии ввел запрет на подключение новых газовых приборов с 1 января 2024 года в рамках своей дорожной карты по замещению газа. [132] Это произошло после кампании, которая привела к запрету на разведку и добычу газа на суше в Виктории в 2014 году. Это было частично снято в 2021 году, но конституционный запрет на фрекинг сохраняется. [133]
Правительство Великобритании также экспериментирует с альтернативными технологиями отопления домов для достижения своих климатических целей. [134] Чтобы сохранить свой бизнес, газовые коммунальные службы в Соединенных Штатах лоббируют законы, запрещающие местные постановления об электрификации, и продвигают возобновляемый природный газ и водородное топливо . [135]
Хотя природный газ производит гораздо меньшее количество диоксида серы и оксидов азота (NOx), чем другие ископаемые виды топлива, [119] NOx от сжигания природного газа в домах может представлять опасность для здоровья. [136]
Добыча природного газа также производит радиоактивные изотопы полония (Po-210), свинца (Pb-210) и радона (Rn-220). Радон — это газ с начальной активностью от 5 до 200 000 беккерелей на кубический метр газа. Он быстро распадается до Pb-210, который может накапливаться в виде тонкой пленки в оборудовании для добычи газа. [137]
Рабочие, занимающиеся добычей природного газа, сталкиваются с особыми проблемами в области охраны труда и техники безопасности. [138] [139]
Некоторые газовые месторождения дают сернистый газ, содержащий сероводород ( H
2S ), токсичное соединение при вдыхании. Очистка газа амином , промышленный процесс, который удаляет кислотные газообразные компоненты, часто используется для удаления сероводорода из природного газа. [140]
Добыча природного газа (или нефти) приводит к снижению давления в резервуаре . Такое снижение давления в свою очередь может привести к проседанию — опусканию земли выше. Проседание может повлиять на экосистемы, водные пути, канализационные и водопроводные системы, фундаменты и т. д. [141]
Высвобождение природного газа из подземных пористых горных пород может быть достигнуто с помощью процесса, называемого гидравлическим разрывом пласта или «фрекингом». С момента первой коммерческой операции по гидравлическому разрыву пласта в 1949 году в Соединенных Штатах было проведено около миллиона скважин с помощью гидравлического разрыва пласта. [142] Добыча природного газа из скважин с гидравлическим разрывом пласта использовала технологические разработки направленного и горизонтального бурения, которые улучшили доступ к природному газу в плотных горных породах. [143] Значительный рост добычи нетрадиционного газа из скважин с гидравлическим разрывом пласта произошел в период с 2000 по 2012 год. [144]
При гидроразрыве пласта операторы скважин закачивают воду, смешанную с различными химикатами, через обсадную колонну в породу. Вода под высоким давлением разрушает или «фрэкирует» породу, что высвобождает газ из горной породы. Песок и другие частицы добавляются в воду в качестве расклинивающего агента, чтобы удерживать трещины в породе открытыми, тем самым позволяя газу течь в обсадную колонну, а затем на поверхность. Химикаты добавляются в жидкость для выполнения таких функций, как снижение трения и ингибирование коррозии. После «фрэка» нефть или газ извлекаются, и 30–70% жидкости для фрекинга, т. е. смеси воды, химикатов, песка и т. д., возвращается на поверхность. Многие газоносные формации также содержат воду, которая будет течь по стволу скважины на поверхность вместе с газом, как в скважинах с гидроразрывом, так и без него. Эта добываемая вода часто имеет высокое содержание соли и других растворенных минералов, которые встречаются в формации. [145]
Объем воды, используемой для гидравлического разрыва скважин, варьируется в зависимости от техники гидравлического разрыва. В Соединенных Штатах средний объем воды, используемый для гидравлического разрыва, был зарегистрирован как около 7375 галлонов для вертикальных нефтяных и газовых скважин до 1953 года, около 197000 галлонов для вертикальных нефтяных и газовых скважин между 2000 и 2010 годами и около 3 миллионов галлонов для горизонтальных газовых скважин между 2000 и 2010 годами. [146]
Определение того, какой метод фрекинга подходит для производительности скважины, во многом зависит от свойств породы-коллектора, из которой извлекается нефть или газ. Если порода характеризуется низкой проницаемостью, что относится к ее способности пропускать вещества, например газ, через себя, то порода может считаться источником плотного газа . [147] Фрекинг для сланцевого газа, который в настоящее время также известен как источник нетрадиционного газа , включает бурение скважины вертикально до тех пор, пока она не достигнет боковой сланцевой формации, после чего бур поворачивается, чтобы следовать за породой на сотни или тысячи футов по горизонтали. [148] Напротив, традиционные источники нефти и газа характеризуются более высокой проницаемостью породы, что естественным образом обеспечивает приток нефти или газа в ствол скважины с менее интенсивными методами гидравлического разрыва, чем требовалось для добычи плотного газа. [149] [150] Десятилетия развития технологий бурения для традиционной и нетрадиционной добычи нефти и газа не только улучшили доступ к природному газу в низкопроницаемых коллекторских породах, но и оказали значительное неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. [151] [152] [153] [154]
Агентство по охране окружающей среды США признало, что токсичные, канцерогенные химикаты, то есть бензол и этилбензол, использовались в качестве гелеобразующих агентов в воде и химических смесях для горизонтального разрыва пласта большого объема (HVHF). [155] После гидравлического разрыва пласта в HVHF вода, химикаты и жидкость гидроразрыва, которые возвращаются на поверхность скважины, называемые обратным потоком или пластовой водой, могут содержать радиоактивные материалы, тяжелые металлы, природные соли и углеводороды, которые существуют в природе в сланцевых горных породах. [156] Химикаты гидроразрыва пласта, радиоактивные материалы, тяжелые металлы и соли, которые извлекаются из скважины HVHF операторами скважин, настолько трудно удалить из воды, с которой они смешиваются, и они так сильно загрязняют водный цикл , что большая часть обратного потока либо перерабатывается в других операциях по гидроразрыву пласта, либо закачивается в глубокие подземные скважины, исключая воду, которая требуется для HVHF из гидрологического цикла. [157]
Исторически низкие цены на газ задержали ядерный ренессанс , а также развитие солнечной тепловой энергии . [158]
В своем естественном состоянии природный газ бесцветен и почти не имеет запаха . В США взрыв в школе New London School , произошедший в 1937 году в Техасе, послужил толчком к принятию законодательства, требующего добавления одоранта для помощи потребителям в обнаружении утечек . Может быть добавлен одорант с неприятным запахом, такой как тиофан или трет-бутилтиол (трет-бутилмеркаптан). Возникали ситуации, в которых одорант не мог быть должным образом обнаружен наблюдателем с нормальным обонянием, несмотря на то, что его можно было обнаружить аналитическими приборами. Это вызвано маскировкой запаха, когда один запах перебивает ощущение другого. По состоянию на 2011 год отрасль проводит исследования причин маскировки запаха. [159] [ требуется обновление ]
Взрывы, вызванные утечками природного газа, происходят несколько раз в год. Отдельные дома, малые предприятия и другие сооружения чаще всего страдают, когда внутренняя утечка накапливает газ внутри конструкции. Утечки часто возникают в результате земляных работ, например, когда подрядчики роют и прокладывают трубопроводы, иногда не зная о каком-либо ущербе. Часто взрыв достаточно мощный, чтобы значительно повредить здание, но оставить его стоять. В этих случаях люди внутри, как правило, получают легкие или средние травмы. Иногда газ может собираться в достаточно больших количествах, чтобы вызвать смертельный взрыв, разрушая одно или несколько зданий в процессе. Многие строительные нормы теперь запрещают установку газовых труб внутри полых стен или под половыми досками, чтобы смягчить этот риск. Газ обычно легко рассеивается на открытом воздухе, но иногда может собираться в опасных количествах, если скорость потока достаточно высока . [160] Однако, учитывая десятки миллионов сооружений, которые используют это топливо, индивидуальный риск использования природного газа невелик.
Системы отопления на природном газе могут вызывать отравление угарным газом , если они не вентилируются или плохо вентилируются. Улучшения в конструкции печей на природном газе значительно снизили проблемы отравления CO. Также доступны детекторы , которые предупреждают об угарном газе или взрывоопасных газах, таких как метан и пропан. [161]
Количество природного газа измеряется в стандартных кубических метрах (кубический метр газа при температуре 15 °C (59 °F) и давлении 101,325 кПа (14,6959 фунтов на квадратный дюйм)) или стандартных кубических футах (кубический фут газа при температуре 60,0 °F и давлении 14,73 фунтов на квадратный дюйм (101,6 кПа)), 1 стандартный кубический метр = 35,301 стандартных кубических футов. Общая теплота сгорания природного газа коммерческого качества составляет около 39 МДж/м3 ( 0,31 кВтч/куб. фут), но она может варьироваться в пределах нескольких процентов. Это составляет около 50-54 МДж/кг в зависимости от плотности. [162] [163] Для сравнения, теплота сгорания чистого метана составляет 37,7 МДж на стандартный кубический метр, или 55,5 МДж/кг.
За исключением Европейского союза, США и Канады, природный газ продается в розничных единицах измерения гигаджоулей. СПГ (сжиженный природный газ) и СУГ ( сжиженный нефтяной газ ) продаются в метрических тоннах (1000 кг) или миллионах БТЕ в качестве спотовых поставок. Долгосрочные контракты на распределение природного газа подписываются в кубических метрах, а контракты на СПГ — в метрических тоннах. СПГ и СУГ транспортируются специализированными транспортными судами , поскольку газ сжижается при криогенных температурах. Спецификация каждого груза СПГ/СУГ обычно будет содержать энергосодержание, но эта информация, как правило, недоступна общественности. Европейский союз поставил себе цель сократить свою газовую зависимость от России на две трети к 2022 году. [164]
В августе 2015 года итальянская газовая компания ENI сделала, возможно, самое крупное открытие природного газа в истории и уведомила об этом. Энергетическая компания сообщила, что она раскопала «супергигантское» газовое месторождение в Средиземном море площадью около 40 квадратных миль (100 км 2 ). Оно было названо газовым месторождением Зохр и может содержать потенциальные 30 триллионов кубических футов (850 миллиардов кубических метров) природного газа. ENI заявила, что энергия составляет около 5,5 миллиардов баррелей нефтяного эквивалента [БНЭ] (3,4 × 10 10 ГДж). Месторождение Зохр было обнаружено в глубоких водах у северного побережья Египта, и ENI утверждает, что оно станет крупнейшим в Средиземном море и даже в мире. [165]
Цены на газ для конечных потребителей сильно различаются по всему ЕС . [166] Единый европейский энергетический рынок, одна из ключевых целей ЕС, должен выровнять цены на газ во всех государствах-членах ЕС. Более того, это помогло бы решить проблемы поставок и глобального потепления , [167] а также укрепить отношения с другими средиземноморскими странами и способствовать инвестициям в регион. [168] США обратились к Катару с просьбой поставлять экстренный газ в ЕС в случае перебоев поставок в российско-украинском кризисе . [169]
В единицах США один стандартный кубический фут (28 л) природного газа производит около 1028 британских тепловых единиц (1085 кДж). Фактическая теплотворная способность, когда образовавшаяся вода не конденсируется, является чистой теплотой сгорания и может быть на 10% меньше. [170]
В Соединенных Штатах розничные продажи часто осуществляются в единицах терм (th); 1 терм = 100 000 BTU. Продажи газа бытовым потребителям часто осуществляются в единицах 100 стандартных кубических футов (scf). Газовые счетчики измеряют объем использованного газа, и он преобразуется в термы путем умножения объема на энергосодержание газа, использованного за этот период, которое немного меняется с течением времени. Типичное годовое потребление односемейного дома составляет 1000 терм или один эквивалент жилого потребителя (RCE). Оптовые сделки обычно совершаются в декатермах (Dth), тысячах декатермах (MDth) или миллионах декатермах (MMDth). Миллион декатермов — это триллион БТЕ, примерно миллиард кубических футов природного газа.
Цена на природный газ сильно варьируется в зависимости от местоположения и типа потребителя. Типичная калорийность природного газа составляет примерно 1000 БТЕ на кубический фут в зависимости от состава газа. Природный газ в Соединенных Штатах торгуется в виде фьючерсных контрактов на Нью-Йоркской товарной бирже . Каждый контракт составляет 10 000 миллионов БТЕ или 10 миллиардов БТЕ (10 551 ГДж). Таким образом, если цена газа на NYMEX составляет 10 долларов США за миллион БТЕ, контракт стоит 100 000 долларов США.
Канада использует метрическую систему мер для внутренней торговли нефтехимическими продуктами. Следовательно, природный газ продается в гигаджоулях (ГДж), кубических метрах (м3 ) или тысячах кубических метров (E3m3). Распределительная инфраструктура и счетчики почти всегда измеряют объем (кубический фут или кубический метр). Некоторые юрисдикции, такие как Саскачеван, продают газ только по объему. Другие юрисдикции, такие как Альберта, продают газ по энергосодержанию (ГДж). В этих областях почти все счетчики для бытовых и небольших коммерческих клиентов измеряют объем (м3 или фут3 ) , а в счетах указывается множитель для преобразования объема в энергосодержание местного газоснабжения.
Гигаджоуль (ГДж) — это мера, приблизительно равная 80 литрам (0,5 барреля) нефти или 28 м3 или 1000 куб. футов или 1 миллиону БТЕ газа. Энергосодержание поставок газа в Канаде может варьироваться от 37 до 43 МДж/м3 ( от 990 до 1150 БТЕ/куб. фут) в зависимости от поставок и переработки газа между устьем скважины и потребителем.
Природный газ можно хранить, адсорбируя его на пористых твердых телах, называемых сорбентами. Оптимальным условием для хранения метана является комнатная температура и атмосферное давление. Давление до 4 МПа (примерно в 40 раз больше атмосферного давления) обеспечит большую емкость хранения. Наиболее распространенным сорбентом, используемым для ANG, является активированный уголь (AC), в основном в трех формах: активированное углеродное волокно (ACF), порошкообразный активированный уголь (PAC) и монолит активированного угля. [171]
Woodside продолжает ориентироваться на выбор концепции разработки Browse во второй половине 2017 года и начало проектирования и разработки интерфейсов (FEED) в 2019 году.
Однако добыча природного газа может вызвать просадку в районе скважины. Один из ярких примеров – район гавани Лос-Анджелеса и Лонг-Бич, где в 1928 году началась обширная добыча нефти и газа, в результате чего в некоторых районах земля опустилась на 9 метров (30 футов).
