Природный газ (также называемый ископаемым газом, метаном или просто газом ) представляет собой встречающуюся в природе смесь газообразных углеводородов , состоящую в основном из метана (97%) [1] в дополнение к различным меньшим количествам других высших алканов . Также обычно присутствуют низкие уровни следовых газов, таких как углекислый газ , азот , сероводород и гелий . [2] Метан не имеет цвета и запаха и является вторым по величине источником парниковых газов в глобальном изменении климата после углекислого газа. [3] Поскольку природный газ не имеет запаха, в целях безопасности к нему обычно добавляют одорификаторы , такие как меркаптан (который пахнет серой или тухлыми яйцами), чтобы можно было легко обнаружить утечки. [4]
Природный газ — это ископаемое топливо и невозобновляемый ресурс , который образуется, когда слои органического вещества (в первую очередь морские микроорганизмы) [5] разлагаются в анаэробных условиях и подвергаются интенсивному теплу и давлению под землей в течение миллионов лет. [6] Энергия, которую разложившиеся организмы первоначально получили от Солнца посредством фотосинтеза , сохраняется в виде химической энергии в молекулах метана и других углеводородов. [7]
Природный газ можно сжигать для отопления, приготовления пищи, [8] и производства 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 является основным и растущим фактором изменения климата . [9] [10] [11] И сам газ (в частности, метан ), и углекислый газ , который выделяется при сжигании природного газа, являются парниковыми газами . [12] [13] При сжигании для получения тепла или электричества природный газ выделяет меньше токсичных загрязнителей воздуха, меньше углекислого газа и почти не содержит твердых частиц по сравнению с другими видами ископаемого топлива и биомассы . [14] Однако выбросы газа и непреднамеренные неорганизованные 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 видами ископаемого топлива, такими как уголь и нефть (нефть). Большая часть природного газа образовалась в результате биогенных или термогенных процессов. Биогенный газ образуется при анаэробном разложении метаногенных организмов на болотах , болотах , свалках и неглубоких отложениях, но не подвергающихся воздействию высоких температур и давлений. Для формирования термогенного газа требуется гораздо больше времени, и он создается, когда органическое вещество нагревается и сжимается глубоко под землей. [16] [6]
При добыче нефти природный газ иногда сжигают , а не собирают и используют. Прежде чем природный газ можно будет сжигать в качестве топлива или использовать в производственных процессах, его почти всегда необходимо обработать для удаления примесей, таких как вода. Побочные продукты этой обработки включают этан , пропан , бутаны , пентаны и углеводороды с более высокой молекулярной массой. Также необходимо удалить сероводород (который может быть преобразован в чистую серу ), углекислый газ , водяной пар , а иногда и гелий и азот .
Природный газ иногда неофициально 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 в разговорной речи также сокращается 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 менее 0,64 (18,5 г/моль, 0,78 кг/см). [18] Для сравнения, чистый метан (16,0425 г/моль) имеет плотность в 0,5539 раза больше плотности воздуха (0,678 кг на стандартный кубический метр).
В начале 1800-х годов природный газ стал называться «природным», чтобы отличить его от преобладающего в то время газового топлива — каменноугольного газа . [19] В отличие от каменноугольного газа, который производится путем нагревания угля, природный газ можно добывать из-под земли в естественной газообразной форме. Когда в 20 веке в англоязычных странах использование природного газа обогнало использование угольного газа, его все чаще стали называть просто «газом». [20] Однако, чтобы подчеркнуть его роль в усугублении климатического кризиса , многие организации раскритиковали продолжающееся использование слова «природный» применительно к газу. Эти защитники предпочитают термины «ископаемый газ» или «газ метан», поскольку они лучше передают общественности его климатическую угрозу. [21] [22] [23] Исследование восприятия топлива американцами в 2020 году показало, что, несмотря на политические определения, термин «газ метан» привел к более точным оценкам его вреда и рисков. [24]
Природный газ может выйти из-под земли и вызвать продолжительный пожар. 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 примерно в 400 году до нашей эры. [25] Китайцы транспортировали просачивающийся из-под земли газ по трубопроводам из бамбука туда, где он использовался для кипячения соленой воды для добычи соли в районе Цзилиуцзин провинции Сычуань . [26] [27]
Природный газ не широко использовался до начала строительства 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 угольный газ. [28]
История природного газа в Соединенных Штатах начинается с локализованного использования. В семнадцатом веке французские миссионеры стали свидетелями того, как американские индейцы подожгли источники природного газа вокруг озера Эри, а разрозненные наблюдения за этими выходами проводились поселенцами европейского происхождения по всему восточному побережью в течение 1700-х годов. [29] В 1821 году Уильям Харт выкопал первую коммерческую газовую скважину в Соединенных Штатах во Фредонии, штат Нью-Йорк , США, что привело в 1858 году к созданию компании Fredonia Gas Light Company . [30] Дальнейшие подобные предприятия следовали возле скважин в других штатах, пока технологические инновации не позволили начать строительство крупных трубопроводов на большие расстояния, начиная с 1920-х годов. [29]
К 2009 году было использовано 66 000 км 3 (16 000 куб. миль) (или 8%) из общих 850 000 км 3 (200 000 куб. миль) предполагаемых оставшихся извлекаемых запасов природного газа. [31]
В 19 веке природный газ в основном получали как побочный продукт добычи нефти . Маленькие легкие углеродные цепочки газа вышли из раствора, когда извлеченные жидкости подверглись снижению давления от резервуара к поверхности, подобно тому, как при открытии бутылки с безалкогольным напитком вскипает углекислый газ . Газ часто рассматривался как побочный продукт, опасность и проблема утилизации на действующих нефтяных месторождениях. Большие объемы добычи не могли быть использованы до тех пор, пока не были построены относительно дорогостоящие 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. Выпуск газа и факельное сжигание все еще практикуются в наше время, но во всем мире продолжаются попытки вывести их из употребления и заменить другими коммерчески жизнеспособными и полезными альтернативами. [32] [33] Нежелательный газ (или застрявший газ без рынка) часто возвращается в пласт с помощью «нагнетательных» скважин в ожидании возможного будущего рынка или для повторного повышения давления в пласте, что может повысить темпы добычи нефти из других скважин. . В регионах с высоким спросом на природный газ (например, в США) трубопроводы строятся тогда, когда экономически целесообразно транспортировать газ от скважины до конечного потребителя .
Помимо транспортировки газа по трубопроводам для использования в производстве электроэнергии, другие конечные виды использования природного газа включают экспорт в виде сжиженного природного газа (СПГ) или преобразование природного газа в другие жидкие продукты с помощью технологий преобразования газа в жидкость (GTL). Технологии GTL позволяют преобразовывать природный газ в жидкие продукты, такие как бензин, дизельное топливо или топливо для реактивных двигателей. Были разработаны различные технологии GTL, в том числе технологии Фишера-Тропша (F-T), превращение метанола в бензин (MTG) и синтез-газа в бензин плюс (STG+). F–T производит синтетическую нефть, которую можно далее перерабатывать в готовые продукты, а MTG может производить синтетический бензин из природного газа. STG+ может производить бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей и ароматические химикаты непосредственно из природного газа посредством одноконтурного процесса. [34] В 2011 году в Катаре был введен в эксплуатацию завод Royal Dutch Shell F-T мощностью 140 000 баррелей (22 000 м 3 ) в день . [35]
Природный газ может быть «попутным» (найденным в нефтяных месторождениях ) или «несвязанным» (выделенным на месторождениях природного газа ), а также встречается в угольных пластах (в виде метана угольных пластов ). [36] Иногда он содержит значительное количество этана , пропана , бутана и пентана — более тяжелых углеводородов, удаленных для коммерческого использования до того, как метан будет продан в качестве потребительского топлива или сырья для химических заводов. Неуглеводородные вещества, такие как углекислый газ , азот , гелий (редко) и сероводород , также должны быть удалены перед транспортировкой природного газа. [37]
Природный газ, добываемый из нефтяных скважин, называется попутным газом (независимо от того, действительно ли он добывается в затрубном пространстве и через выпускное отверстие попутного газа) или попутным газом. Газовая промышленность добывает все большее количество газа из сложных, нетрадиционных типов ресурсов : высокосернистого газа , газа из плотных пород , сланцевого газа и метана угольных пластов .
Существуют некоторые разногласия по поводу того, какая страна обладает крупнейшими доказанными запасами газа. Источники, считающие, что Россия обладает крупнейшими доказанными запасами, включают Центральное разведывательное управление США (47 600 км 3 ) [38] и Управление энергетической информации (47 800 км 3 ), [39] [40] , а также Организацию экспорта нефти. Страны (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, имеется около 900 000 км 3 «нетрадиционного» газа, такого как сланцевый газ, из которых 180 000 км 3 могут быть извлечены. [43] В свою очередь, многие исследования Массачусетского технологического института , Black & Veatch и Министерства энергетики США предсказывают, что в будущем природный газ будет составлять большую часть производства электроэнергии и тепла. [44] [ нужен лучший источник ]
Крупнейшим газовым месторождением в мире является шельфовое газоконденсатное месторождение Южный Парс/Северный Купол , расположенное между Ираном и Катаром. По оценкам, здесь имеется 51 000 кубических километров (12 000 кубических миль) природного газа и 50 миллиардов баррелей (7,9 миллиардов кубических метров) газового конденсата .
Поскольку природный газ не является чистым продуктом, поскольку пластовое давление падает при добыче непопутного газа из месторождения в сверхкритических (давление/температура) условиях, компоненты с более высокой молекулярной массой могут частично конденсироваться при изотермической разгерметизации – эффект, называемый ретроградной конденсацией. . Образовавшаяся таким образом жидкость может попасть в ловушку по мере истощения пор газового резервуара. Одним из способов решения этой проблемы является повторная закачка осушенного газа, свободного от конденсата, для поддержания подземного давления и обеспечения возможности повторного испарения и извлечения конденсатов. Чаще всего жидкость конденсируется на поверхности, и одной из задач газовой установки является сбор этого конденсата. Полученная жидкость называется сжиженным природным газом (ШФЛУ) и имеет коммерческую ценность.
Сланцевый газ — природный газ, добываемый из сланца . Поскольку проницаемость сланцевой матрицы слишком низка, чтобы позволить газу течь в экономичных количествах, скважины сланцевого газа зависят от трещин, позволяющих газу 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 гидроразрыва . С 2000 года сланцевый газ стал основным источником природного газа в США и Канаде. [45] Из-за увеличения добычи сланцевого газа Соединенные Штаты в 2014 году стали производителем природного газа номер один в мире. [46] Добычу сланцевого газа в США называют «революцией сланцевого газа» и «одним из знаковых событий XXI века». [47]
Вслед за увеличением добычи в США разведка сланцевого газа начинается в таких странах, как Польша, Китай и Южная Африка. [48] [49] [50] Китайские геологи определили бассейн Сычуань как многообещающую цель для бурения сланцевого газа из-за сходства сланцев с теми, которые оказались продуктивными в Соединенных Штатах. Добыча скважины Вэй-201 составляет от 10 000 до 20 000 м 3 в сутки. [51] В конце 2020 года Китайская национальная нефтяная корпорация заявила о ежедневной добыче 20 миллионов кубических метров газа из своей демонстрационной зоны Чаннин-Вэйюань. [52] [ ненадежный источник? ]
Городской газ — легковоспламеняющееся газообразное топливо, получаемое путем деструктивной перегонки угля . Он содержит множество теплотворных газов, включая водород , окись углерода , метан и другие летучие углеводороды , а также небольшие количества некалорийных газов, таких как диоксид углерода и азот , и использовался аналогично природному газу. Это историческая технология, которая сегодня обычно экономически не конкурентоспособна по сравнению с другими источниками топливного газа.
Большинство городских «газовых домов», расположенных на востоке США в конце 19 и начале 20 веков, представляли собой простые коксовые печи , нагревавшие битуминозный уголь в герметичных камерах. Газ, выделяемый из 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 ), скапливавшаяся на дне газовых печей, часто использовалась для кровельных и других гидроизоляционных целей, а также в смеси с песком. гравий использовался для мощения улиц.
Огромные количества природного газа (в первую очередь метана) существуют в виде клатратов под отложениями на морских континентальных шельфах и на суше в арктических регионах, где есть вечная мерзлота , например, в Сибири . Для образования гидратов требуется сочетание высокого давления и низкой температуры.
В 2013 году Японская национальная корпорация нефти, газа и металлов (JOGMEC) объявила, что они извлекли коммерчески важные объемы природного газа из гидрата метана. [53]
На изображении ниже представлена блок-схема типичного завода по переработке природного газа. На нем показаны различные единичные процессы, используемые для преобразования сырого природного газа в товарный газ, подаваемый по трубопроводам на рынки конечных потребителей.
Блок-схема также показывает, как при переработке сырого природного газа образуются побочный продукт сера, побочный этан и сжиженный природный газ (ШФЛУ), пропан, бутаны и природный бензин (обозначаемый как пентаны +). [54] [55] [56] [57]
По состоянию на середину 2020 года добыча природного газа в США трижды достигала пика, при этом текущий уровень превысил оба предыдущих пика. В 1973 году он достиг 24,1 триллиона кубических футов в год, после чего последовал спад и достиг 24,5 триллиона кубических футов в 2001 году . 33,4 триллиона кубических футов, а добыча в 2019 году — 40,7 триллиона кубических футов. После третьего пика в декабре 2019 года добыча продолжила падать, начиная с марта, из-за снижения спроса, вызванного пандемией COVID-19 в США . [58]
Глобальный энергетический кризис 2021 года был вызван глобальным ростом спроса, поскольку мир вышел из экономической рецессии, вызванной COVID-19, особенно из-за высокого спроса на энергию в Азии. [59]
Из-за низкой плотности природный газ сложно хранить или транспортировать на автомобиле. Трубопроводы природного газа через океаны непрактичны, поскольку газ необходимо охлаждать и сжимать, поскольку трение в трубопроводе приводит к его нагреванию. Многие существующие трубопроводы в США близки к достижению своей мощности, что побуждает некоторых политиков, представляющих северные штаты, говорить о потенциальном дефиците газа. Большие торговые издержки подразумевают, что глобальные рынки природного газа гораздо менее интегрированы, что приводит к значительным различиям в ценах между странами. В Западной Европе сеть газопроводов уже густая. [61] [ нужен лучший источник ] [ нужна полная цитата ] Планируются или строятся новые трубопроводы между Западной Европой и Ближним Востоком или Северной Африкой . [62]
При покупке или продаже газа в пунктах коммерческого учета устанавливаются правила и соглашения относительно качества газа. Они могут включать максимально допустимую концентрацию CO.2, Ч2С и Ч
2О. _ Обычно газ товарного качества, обработанный для удаления загрязнений, продается на основе «сухого газа» и должен быть коммерчески свободным от нежелательных запахов, материалов и пыли или других твердых или жидких веществ, восков, смол и компонентов, образующих смолы. которые могут повредить или отрицательно повлиять на работу оборудования после пункта коммерческого учета.
Суда-перевозчики СПГ перевозят сжиженный природный газ (СПГ) через океаны, а автоцистерны могут перевозить СПГ или сжатый природный газ (СПГ) на более короткие расстояния. [63] Морские перевозки с использованием судов -перевозчиков СПГ , которые сейчас находятся в стадии разработки, могут в определенных условиях конкурировать с транспортировкой СПГ. [ нужна цитата ]
Газ переводится в жидкость на заводе по сжижению и возвращается в газовую форму на заводе по регазификации на терминале . Также используется судовое регазификационное оборудование. СПГ является предпочтительной формой транспортировки природного газа в больших объемах на большие расстояния, тогда как трубопровод предпочтителен для транспортировки на расстояния до 4000 км (2500 миль) по суше и примерно половину этого расстояния по морю.
СПГ транспортируется под высоким давлением, обычно выше 200 бар (20 000 кПа; 2900 фунтов на квадратный дюйм). Компрессоры и декомпрессионное оборудование менее капиталоемки и могут быть экономичными при меньших размерах, чем установки по сжижению/регазификации. Грузовики и перевозчики природного газа могут транспортировать природный газ непосредственно конечным потребителям или к точкам распределения, например, по трубопроводам.
В прошлом природный газ, который добывался в ходе добычи нефти, нельзя было выгодно продать, и его просто сжигали на нефтяном месторождении в процессе, известном как факельное сжигание . Сейчас факельное сжигание запрещено во многих странах. [64] Кроме того, более высокий спрос в последние 20–30 лет сделал добычу газа, связанного с нефтью, экономически жизнеспособной. В качестве дополнительного варианта газ теперь иногда повторно закачивают в пласт для повышения нефтеотдачи за счет поддержания давления, а также смешивающегося или несмешивающегося заводнения. Сохранение, обратная закачка или сжигание природного газа, связанного с нефтью, в первую очередь зависит от близости к рынкам (трубопроводам) и нормативных ограничений.
Природный газ может экспортироваться косвенно за счет поглощения другой физической продукции. Недавнее исследование показывает, что 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 в период с 1996 по 2012 год содержание энергии в средней долларовой единице экспорта обрабатывающей промышленности США почти утроилось. [65]
«Главная газовая система» была изобретена в Саудовской Аравии в конце 1970-х годов, что положило конец необходимости сжигания газа на факелах. Однако наблюдения со спутников и близлежащих инфракрасных камер показывают, что в некоторых странах все еще происходят вспышки [66] [67] [68] [69] и выбросы [70] .
Природный газ используется для выработки электроэнергии и тепла для опреснения воды . Аналогичным образом, для улавливания метана и выработки электроэнергии были созданы некоторые свалки, которые также сбрасывают метан.
Природный газ часто хранится под землей [необходимы ссылки на геологическое хранилище] внутри истощенных газовых резервуаров из предыдущих газовых скважин, соляных куполов или в резервуарах в виде сжиженного природного газа. Газ закачивается в периоды низкого спроса и извлекается, когда спрос возрастает. Хранение рядом с конечными пользователями помогает удовлетворить нестабильные потребности, но такое хранение не всегда возможно.
Поскольку на долю 15 стран приходится 84% мировой добычи, доступ к природному газу стал важным вопросом в международной политике, и страны соперничают за контроль над трубопроводами. [71] В первом десятилетии XXI века «Газпром» , государственная энергетическая компания в России, участвовал в спорах с Украиной и Белоруссией по поводу цен на природный газ, что вызвало опасения, что поставки газа в некоторые части Европы могут быть прекращены. отрезан по политическим причинам. [72] США готовятся к экспорту природного газа. [73]
Плавучий сжиженный природный газ (СПГ) — это инновационная технология, предназначенная для разработки морских ресурсов газа, которые в противном случае остались бы неиспользованными из-за экологических или экономических факторов, которые в настоящее время делают нецелесообразным их разработку посредством наземных операций по производству СПГ. Технология СПГ также обеспечивает ряд экологических и экономических преимуществ:
Многие газовые и нефтяные компании рассматривают экономические и экологические преимущества плавучего сжиженного природного газа (СПГ). В настоящее время реализуются проекты строительства пяти установок СПГ. Petronas близка к завершению проекта FLNG-1 [76] в Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering и реализует проект FLNG-2 [77] в Samsung Heavy Industries . Shell Prelude должна начать производство в 2017 году. [78] Проект Browse LNG начнет FEED в 2019 году. [79]
Природный газ в основном используется в северном полушарии. Северная Америка и Европа являются основными потребителями.
Часто устьевые газы требуют удаления различных молекул углеводородов, содержащихся в газе. Некоторые из этих газов включают гептан , пентан , пропан и другие углеводороды с молекулярной массой выше метана ( CH
4). Линии передачи природного газа доходят до завода или установки по переработке природного газа, которая удаляет углеводороды с более высокой молекулярной массой для производства природного газа с энергосодержанием 35–39 мегаджоулей на кубический метр (950–1050 британских тепловых единиц на кубический фут). Переработанный природный газ затем может быть использован в жилых, коммерческих и промышленных целях.
Природный газ, текущий по распределительным линиям, называется средним природным газом и часто используется для питания двигателей, вращающих компрессоры. Эти компрессоры необходимы на линии передачи для создания и повторного повышения давления в среднем потоке природного газа по мере его перемещения. Обычно двигателям, работающим на природном газе, требуется 35–39 МДж/м 3 (950–1050 БТЕ/куб футов) природного газа для работы в соответствии со спецификациями вращения, указанными на заводской табличке. [80] Для удаления этих высокомолекулярных газов для использования в двигателях, работающих 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 жилых помещениях, может генерировать температуру, превышающую 1100 °C (2000 °F), что делает его мощным топливом для приготовления пищи и отопления в домашних условиях. [83] Ученые из Стэнфорда подсчитали, что газовые плиты выделяют 0,8–1,3% используемого ими газа в виде несгоревшего метана, а общие выбросы печей в США составляют 28,1 гигаграмма метана. [3] В большинстве развитых стран мира он поставляется по трубам в дома, где используется для многих целей, включая плиты и духовки, отопление / охлаждение , уличные и переносные грили и центральное отопление . [84] К обогревателям в домах и других постройках могут относиться 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 килопаскаля (0,25 фунтов на квадратный дюйм) по сравнению с атмосферным давлением. Давление в линиях подачи варьируется: либо стандартное рабочее давление (UP), упомянутое выше, либо повышенное давление (EP), которое может превышать атмосферное давление от 7 до 800 килопаскалей (от 1 до 120 фунтов на квадратный дюйм). Системы, использующие EP, имеют регулятор на служебном входе для понижения уровня до UP. [85]
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 на выходе 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 по топливному газу [86] , за исключением случаев, одобренных 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, допускается максимальное давление сжиженного нефтяного газа 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа) при условии, что здание используется специально для промышленных или исследовательских целей и построено в соответствии со стандартом NFPA 58: Кодекс по сжиженному нефтяному газу, глава 7. [87 ]
Сейсмостойкий клапан, работающий под давлением 55 фунтов на квадратный дюйм (3,7 бар), может остановить поток природного газа в сеть распределительных трубопроводов природного газа по всей площадке (которая проходит (снаружи под землей, над крышами зданий или внутри верхних опор Сейсмостойкие клапаны рассчитаны на использование при максимальном давлении 60 фунтов на квадратный дюйм [88] [89]
В Австралии природный газ транспортируется от газоперерабатывающих предприятий до регулирующих станций по магистральным газопроводам. Затем газ регулируется до распределенного давления, и газ распределяется по газовой сети через газопровод. Небольшие ответвления сети, называемые службами, подключают к сети отдельные жилые или многоквартирные дома. В сетях обычно наблюдается давление от 7 кПа (низкое давление) до 515 кПа (высокое давление). Затем газ регулируется до 1,1 кПа или 2,75 кПа, после чего его измеряют и передают потребителю для бытового использования. [90] Магистрали природного газа изготавливаются из различных материалов: исторически из чугуна, хотя более современные магистрали изготавливаются из стали или полиэтилена.
В некоторых штатах США природный газ может поставляться независимыми оптовыми торговцами/поставщиками природного газа, используя существующую инфраструктуру владельцев трубопроводов в рамках программ Natural Gas Choice .
СНГ ( сжиженный нефтяной газ ) обычно используется в качестве топлива для уличных и переносных грилей . Хотя сжатый природный газ (СПГ) редко доступен для аналогичных применений в США в сельских районах, недостаточно обслуживаемых существующей системой трубопроводов и распределительной сетью менее дорогого и более распространенного сжиженного нефтяного газа ( сжиженного нефтяного газа ).
СПГ является более чистой и более дешевой альтернативой другим автомобильным видам топлива, таким как бензин (бензин). [91] К концу 2014 года во всем мире насчитывалось более 20 миллионов автомобилей, работающих на природном газе , в первую очередь Иран (3,5 миллиона), Китай (3,3 миллиона), Пакистан (2,8 миллиона), Аргентина (2,5 миллиона), Индия (1,8 миллиона). и Бразилия (1,8 миллиона). [92] Энергоэффективность в целом равна эффективности бензиновых двигателей, но ниже по сравнению с современными дизельными двигателями . Бензиновые автомобили, переоборудованные для работы на природном газе, страдают из-за низкой степени сжатия их двигателей, что приводит к снижению отдаваемой мощности при работе на природном газе (10–15%). Однако в двигателях, предназначенных для КПГ, используется более высокая степень сжатия из-за более высокого октанового числа этого топлива (120–130). [93]
Помимо использования в дорожных транспортных средствах, КПГ также может использоваться в самолетах. [94] Сжатый природный газ использовался в некоторых самолетах, таких как Aviat Aircraft Husky 200 CNG [95] и Chromarat VX-1 KittyHawk [96].
СПГ также используется в авиации. Например, российский авиастроительный завод «Туполев» реализует программу разработки самолетов, работающих на СПГ и водороде . [97] Программа реализуется с середины 1970-х годов и направлена на разработку СПГ и водородных вариантов пассажирских самолетов Ту-204 и Ту-334 , а также грузового самолета Ту-330 . В зависимости от текущей рыночной цены на реактивное топливо и СПГ, топливо для самолетов, работающих на СПГ, может стоить на 5000 рублей (100 долларов США) дешевле за тонну, примерно на 60%, при значительном сокращении выбросов угарного газа , углеводородов и оксидов азота . [ нужна цитата ]
Преимущества жидкого метана в качестве топлива для реактивных двигателей заключаются в том, что он обладает большей удельной энергией, чем стандартные керосиновые смеси, и что его низкая температура может помочь охладить воздух, сжимаемый двигателем, для большей объемной эффективности, фактически заменяя промежуточный охладитель . Альтернативно его можно использовать для снижения температуры выхлопных газов. [ нужна цитата ]
Природный газ является основным сырьем для производства аммиака по процессу Габера для использования в производстве удобрений . [84] [98] Разработка синтетических азотных удобрений значительно поддержала рост населения планеты — по оценкам, почти половина людей на Земле в настоящее время питается в результате использования синтетических азотных удобрений. [99] [100]
Природный газ можно использовать для производства водорода , причем одним из распространенных методов является установка риформинга водорода . Водород имеет множество применений: он является основным сырьем для химической промышленности , гидрирующим агентом, важным сырьем для нефтеперерабатывающих заводов и источником топлива в водородных транспортных средствах .
Богатые белком корма для животных и рыб производятся путем подачи природного газа бактериям Mmethylococcus capsulatus в промышленных масштабах. [101] [102] [103]
Компоненты природного газа (алканы) могут быть преобразованы в олефины (алкены) или другим химическим синтезом . Этан путем окислительного дегидрирования превращается в этилен, который в дальнейшем можно превратить в оксид этилена , этиленгликоль , ацетальдегид или другие олефины. Пропан путем окислительного гидрирования превращается в пропилен или может окисляться до акриловой кислоты и акрилонитрила .
Природный газ также используется в производстве тканей , стекла , стали , пластмасс , красок , синтетического масла и других продуктов. [104]
Топливо для промышленного отопления и процессов сушки .
Сырье для крупномасштабного производства топлива с использованием процесса преобразования газа в жидкость (GTL) (например, для производства дизельного топлива, не содержащего серы и ароматических веществ, с низким уровнем выбросов).
Человеческая деятельность ответственна за около 60% всех выбросов метана и за большую часть возникающего в результате увеличения количества метана в атмосфере. [106] [107] [108] Природный газ намеренно выбрасывается в атмосферу или имеет иную утечку во время добычи, хранения, транспортировки и распределения ископаемого топлива . Во всем мире на метан приходится около 33% антропогенного потепления парниковых газов . [109] На разложение твердых бытовых отходов (источник свалочного газа ) и сточных вод приходится еще 18% таких выбросов. Эти оценки включают существенные неопределенности [110] , которые должны быть уменьшены в ближайшем будущем за счет улучшения спутниковых измерений, таких как запланированные для MthanSAT . [13]
После выброса в атмосферу метан удаляется путем постепенного окисления до углекислого газа и воды гидроксильными радикалами ( OH−
) образуется в тропосфере или стратосфере, давая общую химическую реакцию CH
4+ 2 О
2→ КО
2+ 2 ч.
2О. _ [111] [112] Хотя время жизни атмосферного метана относительно короткое по сравнению с диоксидом углерода, [113] с периодом полураспада около 7 лет, он более эффективно удерживает тепло в атмосфере, так что заданное количество метана имеет в 84 раза больший потенциал глобального потепления, чем углекислый газ за 20-летний период и в 28 раз 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. [108]
Целенаправленные усилия по быстрому замедлению потепления за счет сокращения антропогенных выбросов метана являются стратегией смягчения последствий изменения климата , поддерживаемой Глобальной инициативой по метану . [109]
При очистке и сжигании природный газ может производить на 25–30% меньше углекислого газа на джоуль доставки, чем нефть, и на 40–45% меньше, чем уголь. [114] Он также может производить потенциально меньше токсичных загрязнителей , чем другие углеводородные виды топлива. [114] [115] Однако по сравнению с другими основными видами ископаемого топлива природный газ вызывает больше выбросов в относительном выражении во время производства и транспортировки топлива, а это означает, что выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла примерно на 50% выше, чем прямые выбросы от место потребления. [116] [117]
С точки зрения эффекта потепления за 100 лет, добыча и использование природного газа составляют около одной пятой выбросов парниковых газов человеком , и этот вклад быстро растет. Во всем мире в результате использования природного газа в атмосферу выбрасывается около 7,8 миллиардов тонн CO.
2в 2020 году (с учетом сжигания на факелах), а при использовании угля и нефти выбросы составили 14,4 и 12 млрд тонн соответственно. [118] По оценкам МЭА, на энергетический сектор (нефть, природный газ, уголь и биоэнергетика) приходится около 40% выбросов метана человеком. [119] Согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК , потребление природного газа выросло на 15% в период с 2015 по 2019 год по сравнению с 5%-ным увеличением потребления нефти и нефтепродуктов. [120]
Продолжающееся финансирование и строительство новых газопроводов указывает на то, что огромные выбросы ископаемых парниковых газов могут быть зафиксированы на 40-50 лет в будущем. [121] Только в американском штате Техас строятся пять новых магистральных газопроводов, первый из которых будет введен в эксплуатацию в 2019 году, [122] а остальные планируется ввести в эксплуатацию в 2020–2022 годах. [123] : 23
Чтобы сократить выбросы парниковых газов, Нидерланды субсидируют переход от природного газа для всех домов в стране к 2050 году . к 2040 году использовать избыточное тепло соседних промышленных зданий и предприятий. [124] Некоторые города в Соединенных Штатах начали запрещать подключение газа к новым домам, при этом законы штата были приняты и находятся на рассмотрении, либо требующие электрификации, либо запрещающие местные требования. [125] Подключение новых газовых приборов запрещено в штате Нью-Йорк [126] и на Австралийской столичной территории . [127] Кроме того, штат Виктория в Австралии намерен ввести запрет на новые подключения к природному газу, начиная с 1 января 2024 года, в рамках своей дорожной карты по замене газа. [128]
Правительство Великобритании также экспериментирует с альтернативными технологиями отопления домов для достижения своих климатических целей. [129] Чтобы сохранить свой бизнес, газовые компании в Соединенных Штатах лоббируют законы, запрещающие местные постановления об электрификации, и продвигают возобновляемый природный газ и водородное топливо . [130]
Хотя природный газ производит гораздо меньшее количество диоксида серы и оксидов азота (NOx), чем другие виды ископаемого топлива, [115] NOx от сжигания природного газа в домах могут представлять опасность для здоровья. [131]
При добыче природного газа также образуются радиоактивные изотопы полония (Po-210), свинца (Pb-210) и радона (Rn-220). Радон — газ с начальной активностью от 5 до 200 000 беккерелей на кубический метр газа. Он быстро разлагается до Pb-210, который может образовывать тонкую пленку в газодобывающем оборудовании. [132]
Рабочие, занимающиеся добычей природного газа, сталкиваются с уникальными проблемами в области здравоохранения и безопасности. [133] [134]
На некоторых газовых месторождениях добывается сернистый газ , содержащий сероводород ( H
2S ), токсичное соединение при вдыхании. Очистка газа амином , процесс промышленного масштаба, который удаляет кислые газообразные компоненты, часто используется для удаления сероводорода из природного газа. [135]
Добыча природного газа (или нефти) приводит к снижению давления в пласте . Такое снижение давления, в свою очередь, может привести к проседанию , опусканию грунта выше. Проседание может затронуть экосистемы, водные пути, системы канализации и водоснабжения, фундаменты и т. д. [136]
Высвобождение природного газа из подземных пористых горных пород может быть осуществлено с помощью процесса, называемого гидроразрывом или «разрывом пласта». С момента первой коммерческой операции по гидроразрыву пласта в 1949 году в США было проведено гидроразрыв около миллиона скважин. [137] При добыче природного газа из скважин с гидроразрывом пласта использовались технологические разработки наклонно-направленного и горизонтального бурения, которые улучшили доступ к природному газу в плотных горных породах. [138] Сильный рост добычи нетрадиционного газа из скважин с гидроразрывом произошел в период с 2000 по 2012 год. [139]
При гидроразрыве пласта операторы скважин проталкивают воду, смешанную с различными химикатами, через обсадную колонну скважины в породу. Вода под высоким давлением разрушает или «разламывает» породу, в результате чего из горной породы выделяется газ. Песок и другие частицы добавляются в воду в качестве проппанта , чтобы держать трещины в породе открытыми, что позволяет газу течь в обсадную колонну, а затем на поверхность. В жидкость добавляются химические вещества для выполнения таких функций, как уменьшение трения и ингибирование коррозии. После «разрыва» нефть или газ извлекается, и 30–70% жидкости разрыва, то есть смеси воды, химикатов, песка и т. д., вытекает обратно на поверхность. Многие газоносные пласты также содержат воду, которая поднимается по стволу скважины на поверхность вместе с газом как в скважинах с гидроразрывом, так и в скважинах без гидроразрыва. Пластовая вода часто имеет высокое содержание солей и других растворенных минералов, присутствующих в пласте. [140]
Объем воды, используемый для гидроразрыва скважин, варьируется в зависимости от метода гидроразрыва. В Соединенных Штатах средний объем воды, использованный на гидроразрыв, составляет почти 7 375 галлонов для вертикальных нефтяных и газовых скважин до 1953 года, почти 197 000 галлонов для вертикальных нефтяных и газовых скважин в период с 2000 по 2010 год и почти 3 миллиона галлонов. для горизонтальных газовых скважин в период с 2000 по 2010 год. [141]
Выбор метода гидроразрыва, подходящего для продуктивности скважин, во многом зависит от свойств породы-коллектора, из которой можно добывать нефть или газ. Если порода характеризуется низкой проницаемостью – что означает ее способность пропускать через себя вещества, то есть газ, то породу можно считать источником плотного газа . [142] Гидроразрыв для добычи сланцевого газа, который в настоящее время также известен как источник нетрадиционного газа , включает в себя бурение скважины вертикально до тех пор, пока она не достигнет боковой формации сланцевой породы, после чего бур поворачивается, следуя за породой на протяжении сотен или тысяч футов. горизонтально. [143] Напротив, традиционные источники нефти и газа характеризуются более высокой проницаемостью породы, что, естественно, обеспечивает приток нефти или газа в ствол скважины с использованием менее интенсивных методов гидроразрыва, чем требуется для добычи плотного газа. [144] [145] Десятилетия в разработке технологии бурения для традиционной и нетрадиционной добычи нефти и газа не только улучшили доступ к природному газу в низкопроницаемых породах-коллекторах, но также оказали значительное неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. [146] [147] [148] [149]
Агентство по охране окружающей среды США признало, что токсичные канцерогенные химические вещества, например, бензол и этилбензол, использовались в качестве гелеобразователей в воде и химических смесях при крупнообъемном горизонтальном разрыве пласта (HVHF). [150] После гидроразрыва в HVHF вода, химикаты и жидкость для гидроразрыва, которые возвращаются на поверхность скважины, называемая обратной или пластовой водой, могут содержать радиоактивные материалы, тяжелые металлы, природные соли и углеводороды, которые естественным образом существуют в сланцевой породе. образования. [151] Химические вещества для гидроразрыва, радиоактивные материалы, тяжелые металлы и соли, которые удаляются из скважин HVHF операторами скважин, настолько трудно удалить из воды, с которой они смешаны, и они настолько сильно загрязняют водный цикл , что большая часть обратная отработка либо перерабатывается в другие операции по гидроразрыву, либо закачивается в глубокие подземные скважины, исключая воду, которая требуется HVHF из гидрологического цикла. [152]
Исторически низкие цены на газ задержали ядерный ренессанс , а также развитие солнечной тепловой энергии . [153]
Природный газ в своем естественном состоянии бесцветен и почти не имеет запаха . Чтобы помочь потребителям обнаружить утечки , добавляется одорификатор с запахом, похожим на запах тухлых яиц, трет-бутилтиол (т-бутилмеркаптан). Иногда в смеси можно использовать родственное соединение тиофан . В газовой промышленности возникали ситуации, когда одорант, добавляемый в природный газ, может быть обнаружен аналитическими приборами, но не может быть обнаружен наблюдателем с нормальным обонянием. Это вызвано маскировкой запаха, когда один запах подавляет ощущение другого. По состоянию на 2011 год в отрасли проводятся исследования причин маскировки запаха. [154] [ нужно обновить ]
Взрывы, вызванные утечками природного газа, происходят несколько раз в год. Отдельные дома, малые предприятия и другие постройки чаще всего страдают от внутренней утечки газа внутри конструкции. Утечки часто возникают в результате земляных работ, например, когда подрядчики копают и разрушают трубопроводы, иногда даже не подозревая о каком-либо ущербе. Часто взрыв бывает достаточно мощным, чтобы существенно повредить здание, но оставить его устоявшим. В этих случаях люди внутри, как правило, получают травмы легкой или средней степени тяжести. Иногда газ может собраться в достаточно больших количествах, чтобы вызвать смертельный взрыв, разрушающий при этом одно или несколько зданий. Многие строительные нормы и правила теперь запрещают установку газовых труб внутри полых стен или под половицами, чтобы снизить этот риск. Газ обычно легко рассеивается на открытом воздухе, но иногда может накапливаться в опасных количествах, если скорость потока достаточно высока . [155] Однако, учитывая десятки миллионов сооружений, использующих это топливо, индивидуальный риск использования природного газа невелик.
Системы отопления природным газом могут вызвать отравление угарным газом , если они не вентилируются или плохо вентилируются. Усовершенствования конструкции печей, работающих на природном газе, значительно снизили проблемы отравления CO. Также доступны детекторы , предупреждающие об угарном газе или взрывоопасных газах, таких как метан и пропан. [156]
Количество природного газа измеряется в стандартных кубических метрах (кубических метрах газа при температуре 15 °C (59 °F) и давлении 101,325 кПа (14,6959 фунтов на квадратный дюйм)) или стандартных кубических футах (кубических футах 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 товарного качества составляет около 39 МДж/м 3 (0,31 кВтч/куб футов), но она может варьироваться на несколько процентов. Это примерно от 50 до 54 МДж/кг в зависимости от плотности. [157] [158] 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 в гигаджоулях. СПГ (сжиженный природный газ) и СНГ ( сжиженный нефтяной газ ) продаются в метрических тоннах (1000 кг) или миллионах БТЕ в виде спотовых поставок. Долгосрочные контракты на поставку природного газа заключаются в кубических метрах, а контракты на СПГ – в метрических тоннах. СПГ и СУГ перевозятся специализированными транспортными судами , поскольку газ сжижается при криогенных температурах. Спецификация каждого груза СПГ/СНГ обычно содержит информацию о энергетическом составе, но эта информация, как правило, недоступна для общественности. Европейский Союз стремился сократить свою газовую зависимость от России на две трети в 2022 году. [159]
В августе 2015 года итальянская газовая компания ENI сделала, возможно, крупнейшее открытие природного газа в истории. Энергетическая компания сообщила, что обнаружила «сверхгигантское» газовое месторождение в Средиземном море площадью около 40 квадратных миль (100 км 2 ). Это месторождение было названо Зор и потенциально могло содержать 30 триллионов кубических футов (850 миллиардов кубических метров) природного газа. В ENI заявили, что энергия составляет около 5,5 миллиардов баррелей нефтяного эквивалента [BOE] (3,4 × 10 10 ГДж). Месторождение Зор было обнаружено в глубоких водах у северного побережья Египта, и ENI утверждает, что оно будет крупнейшим в Средиземноморье и даже в мире. [160]
Цены на газ для конечных потребителей сильно различаются по странам ЕС . [161] 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 , [162] а также укрепить отношения с другими странами Средиземноморья и стимулировать инвестиции в регион. [163] США обратились к Катару с просьбой поставлять экстренный газ в ЕС на случай перебоев в поставках в ходе российско -украинского кризиса . [164]
В американских единицах измерения один стандартный кубический фут (28 л) природного газа дает около 1028 британских тепловых единиц (1085 кДж). Фактическая теплота сгорания, когда образующаяся вода не конденсируется, представляет собой чистую теплоту сгорания и может быть на 10 % меньше. [165]
В Соединенных Штатах розничные продажи часто выражаются в термах ( th); 1 терм = 100 000 БТЕ. Продажи газа внутренним потребителям часто выражаются в 100 стандартных кубических футах (SCF). Газовые счетчики измеряют объем использованного газа и преобразуют его в термосы путем умножения объема на энергосодержание газа, использованного за этот период, которое незначительно меняется с течением времени. Типичное годовое потребление дома на одну семью составляет 1000 терм или один эквивалент постоянного потребителя (RCE). Оптовые сделки обычно осуществляются в декатермах (Dth), тысячах декатерм (MDth) или миллионах декатерм (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 теплотворная способность природного газа составляет примерно 1000 БТЕ на кубический фут, в зависимости от состава газа. Природный газ в США торгуется как фьючерсный контракт на Нью-Йоркской товарной бирже . Каждый контракт рассчитан на 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, стоимость контракта составит 100 000 долларов США.
Канада использует метрическую систему мер для внутренней торговли нефтехимической продукцией. Следовательно, природный газ продается в гигаджоулях (ГДж), кубических метрах (м 3 ) или тысячах кубических метров (Е3м3). Распределительная инфраструктура и счетчики почти всегда измеряют объем (кубический фут или кубический метр). В некоторых юрисдикциях, таких как Саскачеван, газ продается только по объему. В других юрисдикциях, таких как Альберта, газ продается по энергетическому содержанию (ГДж). В этих районах почти все счетчики для бытовых и небольших коммерческих потребителей измеряют объем (м 3 или фут 3 ), а в отчетах о счетах содержится множитель для преобразования объема в энергосодержание местного газоснабжения.
Гигаджоуль (ГДж) — это мера, приблизительно равная 80 литрам (0,5 барреля) нефти, или 28 м 3 или 1000 куб футов или 1 миллиону БТЕ газа. Энергоемкость поставок газа в Канаде может варьироваться от 37 до 43 МДж/м 3 (от 990 до 1150 БТЕ/куб футов) в зависимости от поставок газа и его обработки между устьем скважины и потребителем.
Природный газ можно хранить путем адсорбции его пористыми твердыми веществами, называемыми сорбентами. Оптимальные условия хранения метана – комнатная температура и атмосферное давление. Давление до 4 МПа (примерно в 40 раз выше атмосферного давления) обеспечит большую емкость хранилища. Наиболее распространенным сорбентом, используемым для АНГ, является активированный уголь (АУ), преимущественно в трех формах: активированное углеродное волокно (АКФ), порошкообразный активированный уголь (ПАУ) и монолит активированного угля. [166]
Woodside продолжает планировать выбор концепции разработки Browse во втором полугодии 2017 года и начало предварительного проектирования и проектирования (FEED) в 2019 году.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Однако добыча природного газа может вызвать проседание скважины в районе скважины. Одним из ярких примеров является район гавани Лос-Анджелес-Лонг-Бич, где в 1928 году началась масштабная добыча нефти и газа, в результате чего в некоторых районах земля опустилась на 9 метров (30 футов).