Предизвикателства и възможности на индустрията по "Подземно съхранение на природен газ" на фона на развитието на пазара на "възобновяеми" газове

Анализ на инж. Димитър К. Щерев специално за 3eNews и Dir.bg

Понастоящем преноса и съхранението на възобновяеми газове (биогаз и водород) в съществуващата Газопреносна инфраструктура, изградена за природен газ, все още не са достатъчно проучени.  Необходимо е подробно изследване на всички аспекти на въздействие на „възобновяемите“ газове върху газопреносните системи и всички прилежащи към тях звена и съоръжения.

Особено внимание е необходимо да се обърне на Подземните газови хранилища, където е възможно най-голямата промяна в качеството на газа поради наличието на голям брой трудно предвидими фактори повечето, от които са от различно естество.

Историческа бележка

На 12 декември 2015 г. в Париж, 195 държави подписват правно обвързващо Споразумение за поддържане на глобалното затопляне под 2°C – една амбициозна цел, която ще изисква икономиките по целия свят да декарбонизират големи части от Световната енергийна система.

Във връзка с „възобновяемите” газове са поставени цели за постепенно идентифициране на необходимите стъпки за използване на съществуващите газопреносни системи за природен газ, както и за оценка на възможните последици от това.

Водород

Водородните технологии имат потенциал да позволят преход към чиста, ниско въглеродна енергийна система, но завършването на този преход ще доведе до Нова енергийна реалност с възобновяеми енергийни източници, значително намалени (отменени?) емисии на парникови газове и подобрено (възстановено) качество на въздуха и др.

Понастоящем 96 % от водорода (H2) се произвежда от изкопаеми горива главно по метода на парово реформиране на природен газ, частично окисление на метана и само 4 % от вода/въздух.

Водородът, произведен от електролиза на водата е 3 - 4 пъти по-скъп (3 - 8 $ за килограм), отколкото водородът, произведен от природен газ.  Това е голяма пречка, тъй като дори цена от 2 - 3 $ за килограм е скъпа за потребителите.  От друга страна, така наречения зелен водород, произведен от възобновяема енергия струва невероятните 8 - 14 $ за килограм!

Трябва да се отбележи, че около 70% от разходите, които ще са необходими за създаване на Водородна икономика, ще бъдат за пренос и съхранение на водорода.

През последните години, в рамките на развитието на Водородната енергетика, някои приети технологии за производство на водород,  предвиждат и генерират образуването на значителни количества въглероден двуокис (CO2), като попътно добиван продукт.  Едно от  решенията е този въглероден двуокис да бъде оползотворяван посредством депониране (складиране) в геоложките структури (природните капани) на вече изчерпани находища на природен газ.  Обаче процесът на глобално използване на въглеродния двуокис, генериран при производството на водород, ще бъде сложен и дълготраен.

Активното инжектиране на водород в съществуващите Газопреносни и Разпределителни газопроводи, както и в газови хранилища, създава редица нерешени проблеми, свързани с негативното въздействие на водорода върху различните материали, от които са изградени съоръженията.  Именно тук, въпросът с осигуряването на надеждна херметичност на Подземните газови хранилища излиза на преден план.

Наред с «Надземната част» на Газовите хранилища, специално внимание трябва да се обърне върху „Подземната част”.  Това визира  експлоатационно-нагнетателните сондажи и тяхното оборудване, като:

-  обсадни  колони, чието циментиране задължително трябва да се прави със специални марки цимент,

-  помпено-компресорни тръби,

-  фонтанни  арматури,

-  елементи за пакероване, 

-  използвани предпазни клапани и др.

Всичко това ще наложи провеждането на ново мащабно сондиране в подземните газови хранилища, т.е. до прокарването на нови експлоатационно-нагнетателни сондажи, оборудвани с нови устойчиви материали.

Подземните газови хранилища, особено създадените на база на изчерпани находища на природен газ, представляват една абсолютно стабилна система, чиято стабилност се осигурява от самата природа.  Природният газ в тези находища е «пребивавал» милиони години.  Инжектирането на водород обаче, напълно разрушава тази природна стабилност.  Водородът реагира с резервоарните течности, скалите и минералите, както и с бактериите.  Тази ситуация се усложнява и от факта, че заедно с водорода, серни вещества (до 6 mg/m3) и бактерии, които не са налични в газовместващите (колекторните) скали, могат да влязат в подземния газов резервоар на газохранилището.  В резултат на това в газовместващите скали могат да се развият негативни процеси, които засега са слабо проучени, тъй като зависят от различни физически, хидрогеоложки, геохимични и биохимични условия.

При нарушаване на геохимичното и биохимичното равновесие, рискът от корозионни процеси и преди всичко от бактериална корозия, се увеличава значително.  Също така серните вещества оказват негативно влияние и върху силикагела - химическо вещество, използвано в модулите за обработка и изсушаване на газа в подземните газови хранилища преди подаването му в Газопреносната система в предварително договорени кондиции.  В тази връзка, практиката досега показва, че създаването на регулации, стандарти и правила за транспортиране и съхранение на водород ще изисква огромни усилия.

Успоредно с това, при условия, когато коефициентът на използване на инсталираната мощност на вятърните турбини е 25%, а ефективността на слънчевите панели е 20%, възобновяемите енергийни източници са много чувствителни към външни фактори.  Съответно, производството на «зелен водород» също се оказва много нестабилно.

В тази ситуация единственият инструмент, който може да осигури стабилно снабдяване на потребителите с водород и следователно да осигури тяхната енергийна сигурност, са изграждането на специализирани  подземни газови хранилища със сондажи с безопасно оборудване, което бе отбелязано по-горе.

Биогаз

Тъй като източникът на биогаз от биомаса е възобновяема суровина, тогава самият биогаз е възобновяем газ.  Обаче твърдението, че биогаза е „екологично чист“ не се потвърждава с факти!

Общо над 60 милиарда кубически метра (bcm) биогаз са произведени по целия свят през 2020 г.  В близко бъдеще производството ще достигне 100 милиарда кубически метра, но много проблеми с въздействието върху околната среда от производството на биогаз не са решени.

Малките инсталации на „семейно ниво” не могат да осигурят необходимото ниво на пречистване на биогаза и защита на атмосферата от метанови емисии.  От друга страна, мащабните инсталации за производство на биогаз също имат отрицателно влияние, а именно:

-  изместване на производството на хранителни аграрни култури;

-  отделяне на парникови газове, свързани с използването на торове;

-  замърсяване с торове на почвата и подземните води;

-  нарушаване на баланса и състава на подземните води в резултат на напояване;

-  покачване на цените на храните и др.

В зависимост от суровините и технологията на производство, съставът на биогаза може да бъде много различен.  Основната част е метан CH4, но има и значителни количества.

-  О2, кислород (до 3 %);

-  CO2, въглероден диоксид (от 12 до 50 %);

-  S, сяра (до 6%); азот (до 10%);

-  H2O, като водна пара (до 10%);

-  тежки въглеводороди и катрани до 200 mg/m3;

-  твърди примеси, бактерии и др.

Последиците от нагнетяването на такъв биогаз в съществуващите магистрални газопроводи и оттук - в подземни газови хранилища могат да бъдат най-негативни и непредвидими.

Наличието дори на малко количество (даже част от процента) на сероводород H2S в газа, инжектиран в порова, пуканатинна или порово-пукнатинна среда, каквито са газо-вместващите скали на подземните газови хранилища, може да доведе до директно взаимодействие на това активно вещество (H2S) с минералите на тези скали, с бактериите и с наличните там пластови води.

Въпреки много разнообразните и сложни проблеми, които възникват при разработването и създаването на система за транспортиране и съхранение на възобновяеми газове, такива системи могат и трябва да се създават.  Това обаче ще  изисква не само значителни инвестиции, но и мощна научна, и технологична подкрепа.

Резултати

1.  Необходимо е да се разработят технологии, които ще позволят да се произвежда водород на цена не повече от 2 $ за килограм и „въглероден отпечатък“ от не повече от 4.4 kg CO2-екв. / kg H2;

2.  Различният състав и значителната степен на замърсеност на биогаза с нежелани химически компоненти, прави транспортирането и съхранението му заедно с природния газ и водорода невъзможно;

3.  Използването на съществуващите Газопреносни система и свързаните към тях подземни газови хранилища за пренос и съхранение на природен газ е невъзможно да се използват за инжектиране на „възобновяеми“ газове без допълнителни изследвания, приключили с доказани разработки на специални материали за елементите на оборудване, технологии и стандарти;

4.  Единственият инструмент, който може да осигури стабилно снабдяване на потребителите с водород и следователно да гарантира тяхната енергийна сигурност, е създаването на специализирани подземни газови хранилища за "възобновяеми" газове с ново оборудване, описано по-горе;

5.  И не на последно място:  всички Инвестиционни енергийни проекти, трябва задължително да съдържат предварително проведени Технико-икономически разчети,  анализи и съпоставки, с ясни крайни параметри, заключения и препоръки, и с приемливо обозрим период на възвращаемост на инвестициите, което за огромно съжаление трудно се забелязва напоследък.  В противен случай, много от тези енергийни проекти ще лежат единствено на базата на добрите пожелания и политическите намерения,  които обаче често се променят в тази или онази посока.  Това генерира празни очаквания, работа в погрешни насоки и в крайна сметка –  загуба на ценно време със съответното изоставане.

Използвана литература:

1. Глобално състояние на CCS https://www.globalccsinstitute.com/resources/global-status-report/download/

2. Технология на UNECE бързо улавяне на въглерод, използване и съхранение (CCUS) https://unece.org/sites/default/files/2021-03/CCUS%20brochure_EN_final.pdf

____________________________________________________________________________________________

инж. Димитър Щерев e завършил магистратура в Руския Държавен  Геологопроучвателен университет (МГРИ), Москва, Русия, специалност “Хидрогеология и инженерна геология”.

В процеса на работа е специализирал в областта:

(1)     на «Симулирането и оценката на експлоатацията на Газопреносни системи и Подземни газови хранилища” - в офисите на Международната СЕРВИЗНА Нефтогазова компания „Шлумберже”, (Schlumberger), Хановер, Германия;

(2)     на „Управлението на Инвестиционни проекти в Енергетиката” в Дъблин, Ирландия;

(3)     на „Геотермалния резервоарен инженеринг” в Университета на ООН, Рейкявик, Исландия (UNU university - National energy authority, iceland).

От 1997 г. (в продължение вече на 26 години) работи в Булгартрансгаз ЕАД в областта на «Съхранението и преноса на природен газ” и се занимава с оптимизиране на капацитетните възможности на Подземното газово хранилище „Чирен” (ПГХ „Чирен”), с неговата оптимална  експлоатация, рехабилитация, поддръжка и възможности за разширение, както и с ролята на газовото хранилище за безпроблемен пренос на природен газ в страната и региона;

Димитър Щерев е участвал  в инициализирането, управлението, координирането, мониторинга и изпълнението на различни Международни газови проекти, като «Южен поток» и «Набуко», в симулирането и предварителната оценка на възможни варианти на българските участъци, както и в проекти, финансирани от Международни институции, като Агенцията за Търговия и развитие на САЩ (U.S. Trade & Development Agency), програмата ФАР - Трансгранично сътрудничество, Европейски съюз (PHARE Cross Border Co-operation Program, EU и ДР.);

От 2008 г., Димитър Щерев е член на Международния газов съюз (World Gas Union), Работен комитет по „Подземно съхранение на природен газ”, където има представени и защитени редица разработки, свързани със съхранението и преноса на природен газ в България и Балканския регион, както и с развитието на Газовата индустрия в страната;

В периода 2013 – 2015 г. Димитър Щерев е Началник на управление “Съхранение на природен газ”, Булгартрансгаз ЕАД, Централно управление, София;

В периода 2019 – 2020 г., Димитър Щерев е участвал в оказването на «Техническа помощ за „Подобряване на тарифното регулиране на управлението на Енергийния пазар в Р Турция (за  Турския енергиен регулатор EMRA) чрез въвеждането на подобрена система за мониторинг, проект, финансиран от Европейския съюз.

(Technical Assistance for Improvement of Performance-Based Tariff Regulation of EMRA for Turkish Energy Markets through Introducing an Enhanced Monitoring System; Project ident. no: EuropeAid /139125/IH/SER/TR, Contract no: TR2015/EN/07/A3-01/001 - Improvement of Performance-based Tariff Setting for Transmission and Distribution System Operations at Turkish Electricity and Natural Gas Markets, 2019 - 2020).

В периода 1985 – 1995 г. е работил по различни хидрогеоложки и гео-екологични проекти, свързани с уранодобива, геотермалната енергетика и добива на минерални води в България.