профессор, доктор химических наук, заведующий лабораторией Института химической физики РАН
Несмотря на настойчивые призывы к переходу на инновационный путь развития, отечественная экономика продолжает развиваться преимущественно за счет сырьевых отраслей. Медленное развитие инновационного процесса в России обусловлено как неразвитостью самой инновационной инфрастуктуры и обеспечивающей ее функционирование законодательной базы, так и отсутствием значительных свободных капиталов, заинтересованных в развитии инновационного бизнеса. Поэтому инновационное развитие России может начаться только с тех отраслей, которые способны самостоятельно обеспечить инвестирование в них инноваций, используя пока еще существующий научно-промышленный потенциал страны и те возможности, которые предоставляют ее уникальные природные ресурсы, т.е. с нефтегазового комплекса. Даже частичный отказ от экспорта первичного сырья, в первую очередь энергоресурсов, с заменой на экспорт продуктов его более глубокой переработки мог бы дать мощный старт развитию отечественной инновационной экономики. Известно, что основной экономический результат достигается при реализации конечного продукта, и поэтому достается он не владельцам ресурсов, а странам, обладающим технологиями завершающих стадий его производства. Например, стоимость компонента природного газа — этана составляет примерно 80-90 долл./т, этилена — уже 600 долл./т, стоимость полиэтилена низкой плотности выше стоимости этана в 20 раз, а стоимость готовых изделий из полиэтилена (полиэтиленовых труб) достигает 2500-3700 долл./т. Почти все ближневосточные страны – экспортеры нефти и газа — сейчас быстро развивают собственную индустрию переработки добываемых углеводородов, стремясь обеспечить свое будущее в быстроменяющемся мире. Россия, являясь крупнейшим мировым экспортером сырья, обладает уникальным преимуществом перед остальными экспортерами не столько объемом своих ресурсов, сколько уникальным для страны-экспортера научно-техническим потенциалом. Именно это сочетание дает ей шанс перейти на путь инновационного развития, воспользовавшись переломным моментом в мировой энергетике и экономике, стоящих на пороге глубоких перемен. Энергетика на пороге перемен
На протяжении последних столетий развитие мировой экономики определяется наличием доступных и удобных для использования энергоресурсов. В течение почти всего ХХ века роль основного мирового энергоресурса играла нефть. Даже население мира в прошедшем столетии увеличивалось точно в соответствии с ростом добычи нефти – основного источника топлива для сельского хозяйства и сырья для производства важнейших удобрений и пестицидов. Но резкий взлет цен на нефть на рубеже двух последних веков ясно показал, что ситуация быстро меняется. Предстоящий спад мировой добычи нефти уже не является предметом дебатов и прогнозируется не позже 2010 г. Хотя отечественная нефтедобыча сейчас на подъеме, доля России в мировых запасах составляет всего 5% и непропорционально мала по сравнению с ее долей в территории мира (12,8%), а прогноз отечественной нефтедобычи соответствует общемировому тренду.
Несмотря на огромные усилия в области альтернативных источников энергии, их вклад в мировую энергетику не превышает 1% и по всем серьезным прогнозам даже к концу столетия не превысит нескольких процентов. Еще 40 лет назад П.Л.Капица обратил внимание на то, что из-за низкой плотности потока солнечной энергии на земной поверхности ни солнечная энергетика, ни тем более производство «возобновляемого биотоплива» сельскохозяйственными методами при нынешнем уровне энергопотребления не смогут дать серьезного вклада в мировую энергетику. Именно из-за низкой плотности потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) даже в наиболее развитых странах сельскохозяйственное производство является одной из наименее рентабельных и крупных энергозатратных областей человеческой деятельности.
Атомная энергетика имеет свои хорошо известные проблемы и не дает приемлемых решений для замены углеводородного сырья и вторичных энергоносителей. Термоядерная энергетика, с которой еще в середине прошлого века связывали большие надежды, все еще находится на стадии экспериментальных установок и выйдет на промышленный уровень, в лучшем случае, к концу нынешнего века. Появившиеся в прессе и высокопоставленных научно-административных кругах утверждения о том, что благодаря развитию водородной энергетики резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород, в частности, можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород, являются результатом либо вопиющего невежества, либо сознательной дезинформации. Даже в постоянно призывающей к борьбе с лженаукой газете российского научного сообщества «Поиск» (2004, №14 от 9 а не 1 апреля!) можно прочитать, что «Автомобили будущего станут заправляться не бензином, а водой, взятой, скажем, из любой придорожной колонки».
Увы, несколько веков борьбы с изобретателями вечного двигателя прошли напрасно! Сейчас 80% водорода в промышленности получают из природного газа, а остальные 20% — из каменного угля, т.е. тех самых ископаемых источников, которые он якобы заменит после их исчерпания. При использовании же водорода, полученного электролизом воды за счет электроэнергии тепловой электростанции (работающей на ископаемом топливе!), для питания электромобиля, полный энергетический кпд относительно первичного топлива в такой системе составит всего несколько процентов, т.е. будет в несколько раз меньше, чем для двигателя внутреннего сгорания и того же ископаемого топлива.
Термин «водородная энергетика» возник в 60-х годах в связи необходимостью иметь удобный вторичный энергоноситель при ожидавшемся массовом внедрении термоядерной энергетики и до ее создания, а тем более в контексте обсуждения первичных источников энергии, абсолютно лишен смысла. Реально энергетика, транспорт и нефтехимическая промышленность в XXI веке могут рассчитывать только на имеющиеся ресурсы газа и угля, которые в настоящее время являются наиболее прогрессирующими первичными источниками энергии. Их доля в мировой энергетике в 2002 г. была почти одинакова и составляла примерно по 24%.
Запасы каменного угля огромны и распределены в мире достаточно равномерно. Наибольшими его запасами обладают три страны — США, КНР и Россия, на долю каждой из которых приходится примерно по четверти мировых ресурсов. Уголь частично отвоевывает некогда утраченные позиции. Особенно велика его доля в производстве электроэнергии: в КНР — около 75%, США — более 50%. Однако низкая производительность труда при добыче и транспортировке угля, а также серьезные экологические проблемы, связанные с его использованием, сдерживают масштабы его применения. Тем не менее быстро нарастающий дефицит природного газа в стране вынудил Департамент энергетики США выступить с инициативой разработки нового поколения экологически более чистых способов получения энергии из угля. Предполагается, что типовая угольная электростанция XXI века будет использовать в качестве топлива не непосредственно уголь, а синтез-газ или водород, полученный путем его предварительной газификации. Необходимый для газификации угля кислород предполагается получать относительно дешевым мембранным разделением воздуха. Из очищенного от серо- и азотсодержащих соединений и твердых примесей синтез-газа на основе мембранных технологий будет выделяться водород, используемый в качестве экологически чистого топлива для газовых турбин и топливных элементов. Монооксид углерода путем паровой конверсии будет превращаться в дополнительное количество водорода и углекислый газ, а последний – удаляться из полученных газов без его выделения в атмосферу, что позволило бы закрыть вопрос об антропогенном вкладе углекислого газа в парниковый эффект.
В периоды минимума нагрузки «водородных» электростанций часть полученного синтез-газа сможет использоваться для выработки синтетических жидких углеводородов (СЖУ), необходимых для замещения истощающихся природных нефтяных ресурсов и производства синтетических моторных топлив, отвечающих новым жестким экологическим стандартам. Таким образом, США делают ставку на развитие инновационных газохимических технологий производства и использования вторичных энергоресурсов. Тем не менее твердое агрегатное состояние угля и большое количество примесей — от серы до тяжелых металлов — делает его менее привлекательным первичным источником энергии по сравнению с природным газом. А главное, даже по самым оптимистичным оценкам, удельные капиталовложения для такой «чистой» угольной электростанции будут в три раза выше, чем для электростанции на природном газе.
«Газовая пауза» XXI века – шанс для России
Таким образом, по мере истощения нефтяных ресурсов природный газ уверенно выдвигается на передовую позицию в мировой энергетике, в т.ч. как источник вторичных энергоресурсов и транспортных топлив. На арене мировой энергетики природный газ появился относительно недавно, лишь во второй половине прошлого века, и, в отличие от угля и нефти, никогда не выступал в роли основного энергоресурса. Но в 2002 г. его мировая добыча уже превысила 2,5 трлн м3. Доказанные мировые запасы газа постоянно пересматриваются в сторону увеличения и на 2002 г. составляли около 155 трлн м3, а потенциальные запасы оцениваются в 280 трлн м3. Они сосредоточены в основном в России и на Ближнем Востоке.
Практически столь же велики нетрадиционные запасы природного газа, в частности угольного метана, объем добычи которого в США достиг 35 млрд м3/год. Но существуют еще огромные залежи твердых газовых гидратов, содержание метана в которых превосходит традиционные запасы на два порядка и достигает, по оценкам, около 20 тысяч трлн м3. Сейчас многие страны прилагают усилия для создания промышленных методов разработки этих гигантских запасов. Кроме того, согласно современным представлениям о генезисе природного газа, его запасы, в отличие от нефти и угля, имеют в основном не биологическое происхождение. Ежегодно до 1 трлн м3 метана выделяется из глубинных слоев в земную кору и атмосферу, что позволяет рассматривать его как частично возобновляемый ресурс.
Доля России в мировых запасах газа значительно превышает ее долю в территории мира. Достоверные запасы газа на территории СНГ составляют 36% мировых (56 трлн м3), а потенциальные превышают 40%. Таким образом, отечественный природный газ может в течение длительного периода не только обеспечивать потребности национальной экономики, но и оставаться объектом энергетического экспорта. Однако, в отличие от глобального рынка нефти, во многом обеспечиваемого танкерным флотом, рынок природного газа привязан к существующим системам трубопроводов и имеет региональный характер. Превращение природного газа в ведущий источник энергии для мировой экономики невозможно без решения двух проблем: необходимо обеспечить возможность его оперативной доставки на мировые рынки и места непосредственного потребления в любой точке земного шара, а также создать эффективные технологии его конверсии в жидкое топливо и углеводородное сырье. Именно этим обусловлен резкий всплеск интереса к GTL — технологиям (gas to liquid), т.е. процессам химической конверсии газа в синтетические жидкие углеводороды, метанол и моторное топливо.
Таким образом, природный газ по запасам, экономичности добычи, возможности использования и экологическим свойствам является наиболее перспективным энергоресурсом, способным обеспечить потребности человечества в энергии и углеводородном сырье по крайней мере в течение текущего столетия. «Газовая пауза» может дать человечеству время, необходимое для овладения управляемым термоядерным синтезом, а природный газ и газохимия могут сыграть в мировой экономике и энергетике ХХI века такую же роль, какую сыграли в ХХ веке нефть и нефтехимия. Огромные отечественные запасы природного газа не только являются главным энергетическим ресурсом России, но и дают ей шанс сохранить достойное место среди ведущих держав мира. Необходимость в новых инновационных технологиях для развития инфраструктуры и увеличения экспортного потенциала газовой отрасли, а также повышение доли газа, подвергающейся химической переработке в сочетании с возможностью аккумулирования для этих целей получаемых от экспорта капиталов, позволяет газовой промышленности стать мощным катализатором инновационных процессов в стране.
В настоящее время первичное сырье доминирует в структуре российского экспорта. Доля же, к примеру, продуктов нефтепереработки составляет менее 17% от экспорта сырой нефти, причем в основном они представлены такими низкосортными топливами, как мазут и газойль. При этом доля бензина и керосина в российском нефтяном экспорте составляет менее 3%. Однако и этот скудный экспортный поток продуктов нефтепереработки в ближайшее время, видимо, резко сократится, по крайней мере, в европейском направлении, из-за введения более жестких экологических требований, прежде всего в отношении содержания серы.
Новые экологические требования в отношении углеводородных топлив, причем не только для транспорта, но и энергетики в целом, и ожидаемое снижение уровня мировой добычи нефти ставят вопрос о дальнейших путях развития энергетики. Отечественные экспортеры сырья, имея в настоящее время возможность аккумулировать значительные финансовые средства и исходя из долгосрочных перспектив развития отрасли, могли бы дать мощный старт инновационной экономике в первую очередь за счет создания новых процессов более глубокой переработки экспортируемого ими сырья. Это позволило бы не только увеличить объем нашего экспорта и разнообразить его ассортимент, но и значительно повысить его стоимость. Например, при одинаковом с США уровне добычи природного газа, объем производства легких углеводородных фракций в России в 5 раз меньше, чем в США, а степень извлечения этана – ценного сырья для производства этилена – составляет всего 7-8% от потенциально имеющегося.
На предприятиях «Газпрома» извлечение этана из природного газа осуществляется только на Оренбургском ГПЗ (220 тыс. т/год), в то время как в США его производство достигает 4 млн т/год. Мы экспортируем на Запад природный газ с неоправданно высоким содержанием этана, пропана и бутана, предоставляя другим странам возможность извлекать выгоду из нашей технологической отсталости. Наращивая экспорт сырой нефти, мы из-за отсутствия соответствующих технологий сжигаем огромный объем (примерно 18 млрд м3) попутного газа, используя менее 40% этого ценнейшего сырья.
Более глубокая переработка нефтяного сырья, безусловно, отвечает национальным экономическим интересам. Но учитывая долгую историю отрасли и относительно большой период создания оборудования и возврата капвложений на фоне ожидаемого снижения темпов добычи, перспективы инновационного прорыва в нефтехимии не столь очевидны. Газохимия, как значительно более молодая и еще только развивающаяся отрасль, дает в этом отношении большие шансы для развития отечественной инновационной экономики.
По уровню своего развития газохимия пока значительно уступает нефтехимии, а мировой объем химической переработки природного газа (около 110 млрд м3/год) составляет менее 5% его годовой добычи. В России же доля природного газа, используемого в качестве химического сырья, еще ниже и не превышает 1,5%. Основной применяемый в настоящее время в промышленных масштабах путь химической переработки природного газа – его предварительная конверсия в смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ). На получение синтез-газа затрачивается от 50 до 75% энергии и общей стоимости всего производства. Поэтому современные, упомянутые выше GTL-технологии — это сложные многостадийные энергоемкие процессы, требующие огромных капвложений. Порогом их экономической рентабельности является годовая производительность в 600 тыс. т. Ее дальнейшее снижение приводит к стремительному росту удельных капвложений. Это вынуждает производителей ориентироваться на мощности свыше 1 млн т, для сырьевого обеспечения которых необходимы месторождения с доказанными запасами газа в сотни миллиардов кубометров.
Постоянное снижение запасов газа в эксплуатируемых и вновь открываемых месторождениях, а также современная тенденция снижения масштабов производства по соображениям техногенного риска, экологической нагрузки, необходимости его диверсификации и повышения гибкости, уменьшения транспортных расходов противоречат тяге к гигантизму. В регионах со сложными климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой рентабельная эксплуатация производств такого масштаба и степени сложности практически невозможна. Поэтому, несмотря на обилие анонсированных проектов в области GTL-технологий, производители не спешат рисковать и занимают выжидательную позицию: по оценкам экспертов, из множества анонсированных проектов в ближайшие годы будет реализовано не более
2-3. К тому же из примерно 4,5 тысячи газовых месторождений мира подавляющая часть приходится на долю средних и мелких месторождений. Для их разработки и оперативной доставки углеводородных ресурсов в любую точку земного шара газовая отрасль остро нуждается в простых и экономически эффективных малотоннажных технологиях конверсии природного газа в жидкие продукты, рассчитанных на эксплуатацию непосредственно в районах газодобычи, в т. ч. приполярных областях и на морском шельфе.
Потребность в быстром и адекватном решении сложнейших научно-технических проблем делает газохимию одной из критических отраслей мировой энергетики, способной стимулировать инновационные процессы. Для России интенсивное развитие газохимии отвечает ее приоритетным задачам и может стать мощным стимулом развития всей экономики. Как крупнейший экспортер природного газа и, одновременно, один из его крупнейших потребителей, Россия более других стран заинтересована в быстром прогрессе в этой области. Воспользовавшись сменой базовых технологий в энергетике и сделав ставку на более глубокую и комплексную переработку природного газа, а также на увеличение в экспорте доли продуктов его переработки, Россия может значительно расширить свою долю на рынке не только первичных энергоресурсов, но и гораздо более прибыльном рынке дорогостоящих химических продуктов и экологически чистых моторных топлив. Именно в этой области Россия имеет наибольшие шансы уже в ближайшие годы выйти на рынок высоких технологий.
Приоритет газохимии для отечественной экономики
Широкое внедрение малотоннажной газохимии может сыграть огромную роль в экономическом развитии России. Прежде всего это облегчит снабжение углеводородным сырьем и топливом обширной территории самой России. Появится возможность более гибко и оперативно, по сравнению с трубопроводным транспортом, экспортировать этот энергетический ресурс на мировые рынки, в т. ч. перспективные рынки Юго-Восточной Азии. Экспорт газа на такие расстояния с помощью трубопроводного транспорта требовал бы фантастических затрат, а значительная его часть сжигалась бы по пути на десятках газокомпрессорных станций.
Появится возможность вовлечь в промышленную эксплуатацию примерно шестьсот уже разведанных малоресурсных (с запасами менее 10 млрд м3) отечественных месторождений природного газа, в т. ч. в европейской части России. Они до сих пор не разрабатываются по экономическим соображениям, т. к. недостаточно велики, чтобы стать базой для современных производств и не могут оправдать прокладку к ним дорогостоящих трубопроводов. Поскольку средний срок службы газодобывающего и газоперерабатывающего оборудования составляет около 30 лет, для оптимального использования вкладываемых средств ежегодный отбор газа из эксплуатируемого месторождения не должен превышать 3% извлекаемых запасов. Поэтому для эксплуатации таких месторождений необходимы установки производительностью примерно 50 млн м3 в год и ниже. Перерабатывая всего несколько тысяч кубометров газа в час, они смогут использовать в качестве сырья и другие углеводородные газы, например попутный нефтяной газ или угольный метан. Отсутствие простых малотоннажных процессов конверсии углеводородных газов сдерживает вовлечение в разработку даже перспективных месторождений, в том числе нефтяных. Для их экономического обоснования требуются более привлекательные планы использования газа, залегающего в нефтеносном пласте, чем сжигание в факелах или повторная закачка в пласт.
Возникнут условия для создания сети местного производства жидких топлив и кардинального решения проблемы «северного завоза» топлива, объем которого составляет 9 млн т/год. Это повысит энергетическую безопасность регионов, создаст там дополнительные рабочие места. Будет создана научная, технологическая и промышленная база для производства альтернативных топлив, отвечающих жестким европейским стандартам и плавно замещающих истощающиеся нефтяные ресурсы, а отечественные производители химического оборудования получат возможность выхода на мировой рынок с новой наукоемкой технологией.
Создание и широкое внедрение малотоннажных установок по переработке углеводородных газов является также наиболее эффективным и наименее затратным путем достижения Россией целей, предусмотренных условиями Киотского протокола по снижению эмиссии парниковых газов. Такое оборудование позволило бы стране экономически оправданным образом погасить огромное число факелов, в которых ежегодно сгорает около 40 млрд м3 углеводородных газов. Помимо экономии ценнейшего сырья, из-за более высокого климатического воздействия метана это эквивалентно снижению эмиссии СО2 более чем на триллион кубометров.
Развитие малотоннажной газохимии является не только сиюминутной потребностью, но и работой на перспективу, причем и достаточно близкую. В первую очередь это упреждающий ответ на прогнозируемое быстрое изменение ситуации с ископаемыми энергоносителями и климатическими процессами. Для России с ее уникально суровым климатом и удаленностью основных газовых месторождений от транспортных артерий, центров промышленной инфраструктуры и мировых рынков потребления углеводородов создание малотоннажной технологии, ориентированной непосредственно на районы газодобычи, — жизненно необходимая стратегическая задача.
Помимо исследований по созданию новых технологий получения синтез-газа и процессов на его основе, в развитии малотоннажной газохимии большую роль могут сыграть альтернативные подходы, основанные на прямой окислительной конверсии метана в метанол или его окислительной конденсации в этан и этилен. Перенасыщенность мирового рынка предложениями в области традиционной технологии конверсии углеводородных газов в жидкие продукты при крайне низкой их практической реализации отражает потребность в смене базовой технологии, уже не отвечающей современным потребностям рынка, а наблюдаемая тяга к гигантизму является симптомом развития в тупиковом направлении.
Только создание принципиально новых технологий способно вывести Россию на лидирующие позиции в таких критически важных областях, как газохимия и освоение новых видов энергоносителей. Но для создания технологий современного уровня необходимо придать газохимии ранг приоритетного направления государственной научно-технической политики и объединить в этом деле усилия государства и газодобывающих компаний.
