Ученые из Центрального университета Эквадора в Кито нашли решение для одной из самых острых проблем нефтедобывающей отрасли, которая заключается в сжигании попутного нефтяного газа на факелах. Они создали модульную энергетическую установку контейнерного типа, работающую по принципу кислородно-топливного сжигания с улавливанием углекислого газа. Эта система позволяет не просто отказаться от токсичного факельного горения, но и превратить попутный газ в источник электроэнергии, одновременно утилизируя практически весь объем образующегося CO2. В результате удаленные нефтепромыслы могут существенно сократить выбросы парниковых газов и сажи.
Разработка создавалась с учетом реальных условий эквадорской Амазонии, где большинство скважин расположены вдали от трубопроводов, а сам газ часто содержит примеси, включая сероводород и углекислоту. В таких условиях транспортировать попутный нефтяной газ на переработку сложно и дорого, поэтому его обычно сжигают на месте.
Ученые отобрали три наиболее подходящих нефтяных участка, содержащих достаточные объемы газа и высокую долю метана. Это принципиально важно, поскольку состав газа напрямую влияет на эффективность всей установки. Чем больше метана, тем больше энергии можно получить.
Выстроенная учеными технологическая цепочка выглядит следующим образом. Сначала газ очищается от сероводорода с помощью раствора диэтаноламина, необходимого для защиты оборудования и повышения качества топлива. После этого газ сжигают, но не в воздухе, а в почти чистом кислороде (96,7%), который производится на месте в криогенной установке разделения воздуха. За счет этого из процесса исключается азот, а на выходе получают поток, состоящий в основном из CO2 и водяного пара. Это ключевое преимущество технологии, поскольку в таком виде углекислый газ легко улавливать. Часть CO2 возвращается обратно в процесс для стабилизации температуры, а остальной объем сжимается и подготавливается к закачке в пласт. При этом вся установка выполнена в виде контейнерных модулей, которые можно доставить и быстро развернуть прямо на месторождении.
Проведенное моделирование подтвердило работоспособность этой схемы. Установка мощностью 272 мегаватта показала тепловой КПД 33,1%, а общий уровень полезного использования энергии составил около 40%. Производство кислорода требует 0,385 кВт·ч на килограмм, а улавливание CO2 достигает 99,99% при энергозатратах 0,41 кВт·ч на килограмм. При этом расчеты подтвердили, что эффективность напрямую зависит от состава газа. Чем выше доля метана, тем лучше результат. При 70% она составляет около 28%, а при 95% этот показатель достигает 38%. Тяжелые углеводороды, наоборот, снижают эффективность, поскольку требуют большего расхода кислорода.
Значение этой технологии особенно заметно в глобальном масштабе. В мире ежегодно сжигают около 148 миллиардов кубометров попутного нефтяного газа. Это огромная потеря энергетических ресурсов. Использование установок, разработанных эквадорскими учеными, позволит превратить этот объем в 520 тераватт-часов электроэнергии в год.
Подобные установки также способны улавливать до 381 миллиона тонн CO2. Для этого потребуются около 220 модулей мощностью по 272 мегаватта каждый.
Основные затраты энергии в системе связаны с работой криогенной установки разделения воздуха и сжатием CO2. Именно они потребляют значительную часть выработанной энергии, снижая общий КПД до 33%. За счет оптимизации рециркуляции CO2 и работы парового цикла эффективность можно дополнительно повысить примерно на 2%. Кроме того, если содержание сероводорода в исходном газе минимально, этап очистки можно исключить, что упростит конструкцию и снизит стоимость установки.
