Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергообеспечение в современном мире
1.1 Разведанные запасы и потребление энергоресурсов в мире 9
1.2 Разведанные запасы и потребление энергоресурсов в России и Республике Саха (Якутия) 20
1.3 Критерии сравнения эффективности энергоресурсов... 38
Основные выводы по первой главе 50
Глава 2. Разработка методики расчета энергетической эффективности добычи (производства) энергоресурсов
2.1 Определение и значимость энергетической эффективности 51
2.2 Методика расчета энергетической эффективности на основе учета фактических данных 80
2.3 Особенности методики расчета энергетической эффективности для нефтяных и газовых месторождений, включенных в единую систему добычи 90
Основные выводы по второй главе 100
Глава 3. Расчет энергетической эффективности на примере Средневилюйского газоконденсатного месторождения
3.1 Роль Средневилюйского ГКМ в газодобывающей и газоперерабатывающей отрасли Республики Саха (Якутия) 102
3.2 История открытия и особенности Средневилюйского ГКМ 118
3.3 Расчет энергетической эффективности и анализ полученных результатов 126
Основные выводы по третьей главе 134
Заключение 135
Библиографический список 138
- Разведанные запасы и потребление энергоресурсов в России и Республике Саха (Якутия)
- Методика расчета энергетической эффективности на основе учета фактических данных
- История открытия и особенности Средневилюйского ГКМ
- Расчет энергетической эффективности и анализ полученных результатов
Разведанные запасы и потребление энергоресурсов в России и Республике Саха (Якутия)
Ископаемые энергоресурсы являются фундаментом развития современного общества. В настоящее время основными энергоресурсами являются: уголь, газ, нефть, уран. Потребовалось много времени, прежде чем энергия данных энергоресурсов стала доступной человеку. Древесина -первый энергоресурс, который стал использоваться человеком. На протяжении долгого времени он являлся основным, до тех пор, пока в XIX веке его не сменил уголь. Благодаря своим свойствам и объемам запасов уголь стал массово использоваться во всех отраслях. Уголь как энергоресурс создал условия для масштабного развития сталелитейной промышленности, тяжелой промышленности, способствовал возникновению железнодорожного транспорта и развитию морского пароходства. В итоге, в конце XIX в начале XX века уголь стал преобладающим энергоресурсом, доля угля в мировом топливно-энергетическом балансе превысила 90%, в то же время доля древесины в мировом ТЭБ составляла около 4,8% [50].
Через небольшой промежуток времени был промышленно освоен новый ископаемый энергоресурс - нефть. Появление нового жидкого энергоресурса оказало сильнейшее влияние на технологическое развитие промышленности. Перед учеными и инженерами встала научно-практическая задача эффективного освоения нового жидкого энергоресурса. В результате это привело к изобретению и промышленному внедрению двигателя внутреннего сгорания, и данная технология радикальным образом преобразила облик цивилизации.
Далее, в середине XX века, были открыты и промышленно освоены природный газ и уран. В настоящее открыты и широко используются следующие первичные энергоресурсы: уголь, нефть, газ, уран, гидроэнергия, возобновляемая энергия (био-, ветровая, солнечная и др.)
В XX веке среднегодовой темп роста потребления первичных энергоресурсов составил 3%. Среднегодовой темп прироста потребления угля составил 1,8%, нефти - 5,7%), газа- 6,6%, гидроэнергии - 4,6%. В связи с аварией на Чернобыльской АЭС в 1980-2000 годах развитие атомной энергетики значительно замедлилось, и в настоящее время доля атомной энергии среди традиционных энергоресурсов наименьшая. Не исключено, что трагедия на японской атомной энергостанции Фукусима-1 в марте 2011 года также негативно скажется на темпах роста атомной энергетики.
В последнее десятилетие наметилась тенденция роста доли альтернативной и возобновляемой энергетики (таблица 1.1.2). Отчасти это связано с опасением изменения климата от антропогенного воздействия и поиска альтернативных источников с низкой эмиссией углекислого газа, с другой стороны, это связано с ростом цен на традиционные энергоресурсы, так за прошедшее десятилетие цена на нефть на мировых рынка выросла с 20 до 110 долл./баррель.
Для мирового рынка нефти можно выделить следующие особенности. Наибольший объем добытой нефти потребляется в странах АТР и Северной Америке. При этом, объем добычи нефти в этих регионах меньше потребления (рис. 1.1.2). Такая разница в добыче и потреблении характерна для всего мирового рынка нефти (таблица 1.1.3). 100% 90% 80% 70% 60% 50% -40% 30% 20% 10% 0%
Ha 1.01.2012 объем извлекаемых запасов нефти в мире (без запасов битуминозных песков Канады и Венесуэлы) оценивался в 171,5 млрд.т. При текущих уровнях потребления обеспеченность запасами составляет 43 года (таблица 1.1.4). При этом следует понимать, что 43 года значение во многом условное. В действительности, по мере истощения запасов добыча будет естественным образом снижаться, и снижение добычи даже на 30% окажет крайне негативное влияние на мировую экономику. Очевидно, что мировая экономика столкнется со значительными сложностями задолго до того, как полностью исчерпаются все запасы нефти.
Распределение извлекаемых запасов нефти по регионам на начало 2012 года (данные ВР statistical review of world energy 2012) Для рынка газа ситуация отличается. Добыча по регионам приблизительно совпадает с потреблением. При этом, наибольший объем газа потребляется в Европе, Евразии и в Северной Америке (рис. 1.1.3)
Распределение извлекаемых запасов газа по регионам на начало 2012 года (данные ВР statistical review of world energy 2012) Рынок угля характеризуется еще более тесной связью между регионом добычи и регионом потребления (рис. 1.1.6). Кроме этого, для рынка угля характерна высокая концентрация потребления: более 65% угля добывается и потребляется в странах АТР (таблица 1.1.6).
Распределение извлекаемых запасов угля по регионам на начало 2012 года (данные ВР statistical review of world energy 2012) Нефть является энергоресурсом мирового значения: нефть и продукты переработки транспортируются морским, трубопроводным и железнодорожным видами транспорта на дальние расстояния во все регионы мира. Газ является энергоресурсом регионального значения: большая часть добытого объема природного газа транспортируется по трубопроводу в соседние регионы, меньшая морским путем в сжиженном состоянии (LNG) на дальние расстояния. Так, в 2010 году объем транспортировки газа в сжиженном состоянии составил 297,63 млрд.м3 при общем объеме мировой торговли в 975,22 млрд.м . Уголь, включая торф, как правило, потребляется в тех же регионах где и добывается, что обуславливается низкой экономической эффективностью транспортировки угля на дальние расстояния [50]. Уран как энергоресурс обладает специфическими особенностями, прежде всего военного направления, поэтому его распространение ограничивается соображениями безопасности, но, тем не менее, можно сказать, что уран также является энергоресурсом локального значения, как и уголь. Локальными также являются технологии возобновляемой энергетики, такие как ветряная, солнечная и геотермальная.
Как было отмечено выше, в XX веке коренным образом изменилась структура мирового ТЭБ. Уголь утратил лидирующие позиции, и на его место пришли нефть и газ. Этого бы не произошло, если бы нефть и газ не обладали свойствами, которые определяют их большую эффективность по сравнению с углем. Можно сказать, что нефть и газ выиграли конкурентную борьбу с углем, и будь запасов нефти и газа в объемах много больших, то уголь был бы окончательно вытеснен с рынка энергоресурсов. Об эффективности энергоресурсов и критериях сравнения эффективности речь будет идти в параграфе 1.3.
Методика расчета энергетической эффективности на основе учета фактических данных
Использование относительно доступной, эффективной и дешевой энергии нефти, газа и угля способствовало бурному развитию цивилизации в XX веке. На протяжении всего прошлого века потребление энергоресурсов увеличивалось от десятилетия к десятилетию, давая возможность быстрому экономическому развитию. Не смотря на то, что в общем случае энергия углеродных энергоресурсов является относительно дешевой, себестоимость процесса добычи различается от месторождения к месторождению. Месторождения энергоресурсов находятся в разных регионах планеты, и каждое месторождение имеет свои особенности, которые в конечном итоге определяют себестоимость разработки.
В общем случае на себестоимость добычи полезных ископаемых влияют следующие факторы [29]:
Горно-геологические факторы характеризуются количеством и качеством полезного ископаемого, глубиной залегания, мощность и углом падения пластов, крепостью полезного ископаемого, вмещающих пород, гидрогеологическими и другими условиями, влияющими на ведение горных работ.
Экономико-географический фактор определяется спецификой района месторождения. При благоприятном районе размещения, т.е. близости месторождения от эксплуатируемых запасов строительных материалов, основных потребителей продукции, при развитой транспортной инфраструктуре создаются условия для ускоренного и менее затратного строительства предприятия. Климатические условия оказывают существенное влияние на сроки строительства предприятия, величину инвестиционных и эксплуатационных расходов. Например, для Якутии удорожание строительства по сравнению с первым поясом составляло 2,2-4,4 раза [65].
Народнохозяйственный фактор в условиях рыночной экономики можно разделить на две группы: общероссийскую и региональную, влияющую на организационно-управленческую, производственную структурную и имущественно-правовую системы хозяйствующих субъектов. К народнохозяйственным факторам общероссийского значения следует отнести: Усиление механизмов централизованного управления базовыми отраслями горной промышленности субъектов РФ; Передачу юридических прав регионов на владение, пользование и распоряжение природными ресурсами, находящимися на их территории, федеральным структурам управления; Ограничение возможности свободного выхода субъектов РФ на международный рынок в связи с федерализацией и коммерциализацией ресурсных отраслей экономики регионов; Повышение практической роли участия частногосударственных структур экономики в инвестировании крупных предприятий горной промышленности. К группе регионального характера относится: Наличие уникальных по запасам и качеству минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, способствующих созданию производственных комплексов межрегионального и международного значения; Совместное функционирование различных форм собственности в производственной структуре отраслей региональной экономики; Развитие региональной транспортной инфраструктуры в связи с её вхождением в национальные транспортные сети, обеспечивающие транспортную доступность региона;
Поддержание экономической безопасности региона при освоении природных ресурсов на его территории; Данные факторы определяют меры по рациональному освоению и использованию природных ресурсов и созданию комплексных добывающих производств. К основным региональным природным и экономическим особенностям Якутии, оказывающим существенное воздействие на эффективность производства в целом и геолого-разведочных работ в частности, можно отнести [60]:
Суровость климата. Продолжительная зима с низкими температурами, сильными ветрами, глубоким снежным покровом, многолетним и сезонным промерзанием грунтов чрезвычайно затрудняет производство любых работ, особенно горных и геолого-разведочных. Машины и механизмы, в подавляющем большинстве не приспособленные к таким экстремальным условиям, часто выходят из строя, быстрее изнашиваются, не могут работать круглогодично и в полную мощность. Низкая температура в еще более значительной степени оказывает отрицательное воздействие на бурильные и обсадные трубы геологоразведочного сортамента. Суровость климата Республики Саха (Якутия) в целом является отрицательным фактором, удорожающим производство любых, и в частности геологоразведочных работ.
Длительность зимнего и краткость летнего периодов. Суровые зимние условия вынуждают к сезонному проведению многих горных, геолого-разведочных, строительных, транспортных работ. Большая часть года (7-8 мес.) на Севере падает на долю неблагоприятного зимнего сезона и сопровождается значительным удорожанием работ, снижением темпов и объемов производства. Летний период, благоприятный для проведения работ составляет всего 3 месяца.
Наличие многолетней мерзлоты. Мощный слой многолетней мерзлоты даже летом обуславливает преобладающую крепость горных пород не ниже V-VI категорий, что замедляет проходку горных выработок и буровых скважин. Особенности режима поведения мерзлоты под фундаментами инженерных конструкций осложняет и удорожает строительство.
Удаленность, обширность территории и недостаточность развития наземных транспортных сетей. Удаленность Якутии от промышленно развитых районов страны измеряется несколькими тысячами километров. К этому надо добавить обширность территории. Большие расстояния обуславливают необходимость последовательного использования трех-пяти видов транспорта. Особое влияние на проведение геолого-разведочных работ оказывает транспортная неосвоенность Якутии. Проблема эффективного транспортного обеспечения связана с рациональным использованием воздушного, наземного и водного транспорта. Наземный транспорт из-за неприспособленности транспортной техники к суровым климатическим условиям, работает с низким коэффициентом полезного действия, что приводит к простоям геологоОразведочного оборудования.
Благоприятные особенности минерально-сырьевых ресурсов. Большие запасы природного газа и содержание в природном газе ценных компонентов создает предпосылки для формирования на территории Якутии крупного газохимического промышленного комплекса.
История открытия и особенности Средневилюйского ГКМ
При всей простоте концепции EROEI, расчет этого показателя оказывается непростой задачей. В первую очередь сложность связана с самим определением «энергетические затраты». Американские ученые Ч.Холл, Д. Мерфи определяют энергетические затраты в общем случае как сумму прямых (direct) и вспомогательных (indirect) затрат [101]: Е = ЕП + ЕВ (7) где Еп - прямые энергозатраты, связанные непосредственно с обустройством промысла, добычей (производством) и первичной переработкой энергоресурсов, выраженные в тоннах горючего (ГСМ), КВт ч потребленной электроэнергии, Ккал тепла. Ев - вспомогательные энергозатраты, связанные с производством материалов, необходимых для организации всего процесса добычи (производства) энергоресурсов. Прямые и вспомогательные энергозатраты необходимо учитывать на всех трех этапах проекта: этап капитального обустройства, эксплуатационный и ликвидационный этап. Таким образом, формула расчета EROEI приобретает вид: EROEIHK = Е / (Е,п+В + Е2П+В + Е3П+В) (8) где Е]П+В = Еп + Ев энергозатраты на этапе капитального обустройства; Е2П+В = Еп + Ев энергозатраты на этапе эксплуатации; Е3П в = Еп + Ев энергозатраты на этапе ликвидации.
Учет прямых энергозатрат, выраженных в натуральных единицах (тонны ГСМ или КВт ч электроэнергии, Ккал тепла), с той или иной детальностью ведется на каждом промысле (производстве). Поэтому учет прямых затрат не представляет никакой теоретической сложности. Но может представить практическую сложность, потому что частой практикой у компаний-операторов является учет затрат ГСМ и электроэнергии сразу по группе месторождений, без дифференциации по каждому участку. В этом случае расчет EROEI (впрочем, как и любого другого показателя эффективности) возможно выполнить только по всей группе месторождений.
Для учета вспомогательных энергозатрат необходимо уточнить их сущностное содержание. Для выполнения капитальных работ требуются материалы, для производства которых требуется энергия. Именно эта энергия, «связанная в материалах» (embodied energy) является сущностным содержанием вспомогательных затрат. Для осуществления учета необходимо решить два вопроса: 1. Определение перечня материалов, которые в дальнейшем будут рассматриваться при учете вспомогательных энергозатрат. 2. Определение метода, по которому будет производиться пересчет натуральных единиц учитываемых материалов в энергетический эквивалент. На промысле используется много различных материалов, и учитывать каждый килограмм каждой краски или лака представляется бессмысленным и непродуктивным. Поэтому возникает вопрос о перечне учитываемых материалов. Возможны различные варианты определения перечня. Автор предлагает ограничиться учетом только основных конструкционных материалов: 1. Сталь (конструкционная, арматура, листовая и т.д.); 2. Другие металлы (алюминий, медь, титан); 3. Цемент; 4. Битум.
Это основные конструкционные материалы, доля которых в общей массе материалов (кроме сыпучих: песок, гравий, щебень) на любом промысле составляет основную часть.
После того как был определен перечень учитываемых материалов, необходимо определить метод пересчета натуральных единиц в энергетический эквивалент.
На производство каждого материала уходит определенное количество энергии, поэтому зная два параметра по каждому материалу, мы сможем рассчитать количество энергии, затраченной на производство этих материалов. Два параметра по каждому материалу это: 1. Масса (объем) израсходованного материала; 2. Удельную энергоемкость производства одной единицы данного материала. Определение массы израсходованного материала не представляет никакой теоретической сложности, эта информация имеется в проектно-сметной документации, а также в отчетной документации, которая составляется для каждого производственного объекта.
Определение удельной энергоемкости производства материалов является сложной, комплексной задачей. К примеру, производство стали это длинная производственная цепочка, начинающаяся от карьера добычи железной руды и заканчивающаяся складом готовой продукции, где на каждом производственном этапе затрачивается определенное количество энергии. Итоговое значение затраченной энергии, необходимой для производства, в данном случае килограмма стали, получается путем суммирования всех затрат энергии по всей производственной цепочке. В англоязычной литературе имеются примеры завершенных исследований по данной проблеме. Одним из таких примеров является исследование английских ученых из Университета Бас (University of Bath) под названием "ICE inventory of carbon and energy" [104]. В данной работе английские ученые провели анализ производства основных строительных материалов на предмет удельных энергозатрат (embodied energy) и удельного выхлопа углекислого газа (embodied carbon). В работе были посчитаны затраты первичной энергии на производство одной единицы некоторых материалов по схеме «от карьера до ворот склада» (cradleo-gate), с учетом затрат энергии на стадиях добычи сырья, транспорта, производства продукции. Результаты исследований приведены в таблицах 2.2.1 - 2.2.6.
Значения удельной энергоемкости производства стали находятся в широких пределах от 6 до 95,7 МДж/кг. При этом выплавка стали с использованием лома оказывается менее энергозатратной, среднее значение в этом случае составляет 13,6 МДж/кг. Выплавка стали из руды без лома оказывается более энергозатратной - 37,48 МДж/кг. Изготовление нержавеющей стали технологически является более сложным процессом, и среднее значение удельной энергоемкости производства нержавеющей стали составляет 45,68 МДж/кг.
Расчет энергетической эффективности и анализ полученных результатов
Развитие газовой промышленности в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, предполагающее не только традиционное использование природного газа в качестве топлива, но и создание в этом регионе новой отрасли промышленности для выпуска продукции с высокой добавленной стоимостью (газопереработки и газохимии), положительно скажется на социально-экономическом развитии восточных регионов России [66].
Ввод новых мощностей продукции газохимического комплекса с учетом ожидаемой потребности представлен в утвержденной приказом Минпромэнерго России от 14 марта 2008 г. за № 119 «Стратегии развития химической и нефтехимической промышленности России на период до 2015 года». В регионах Восточной Сибири предусматривается создание газохимического комплекса в Красноярском крае, а также реконструкция (с 2017 г.) Ангарского и Саянского НХК. На Дальнем Востоке - создание газохимического комплекса в Республике Саха (Якутия) не раньше 2020 г., то есть за рамками Стратегии развития химической и нефтехимической промышленности России [79].
Благоприятные предпосылки создания газоперерабатывающей и газохимической промышленности на востоке страны связаны, с тем, что все месторождения Красноярского края, Иркутской области и большинство Республики Саха (Якутия) содержат гелий в промышленных концентрациях - продукт, являющийся стратегическим, роль которого при развитии научно-технического прогресса будет постоянно возрастать. Освоение месторождений без выделения и утилизации гелия недопустимо. Однако его выделение экономически оправдано только при комплексной переработке природного газа на крупных газохимических комплексах.
Исходя из задач развития конкурентоспособности российского химического комплекса новые мощности целесообразно размещать на площадках рядом с крупными транспортными узлами в непосредственной близости от месторождений, либо в точках, удобных для подключения к нефте- и газопроводам. Такие производства могут быть размещены в Красноярском крае, Иркутской области, в Республике Саха (Якутия) или в Амурской области, в Хабаровском крае и Сахалинской области.
Перспективы по переработке природного газа в Республике Саха (Якутия) связаны как с модернизацией уже существующих мощностей, так и возможностью создания новых современных заводов.
Модернизация действующего газоперерабатывающем заводе в г. Якутске с целью двукратного увеличения производства сжиженного газа (до 15 тыс. т/год) включает в себя работы по монтажу дополнительных технологических установок с общей производительностью до 5 млн.м природного газа в сутки. Кроме того, предусмотрено увеличение объема резервуарного парка для готовой продукции [34].
Создание новых мощностей по переработке природного газа на территории республики обуславливается особенностями газа месторождений, многокомпонентный состав которого характеризуется высоким содержанием жидких углеводородов и высокими концентрациями гелия (таблица 3.1.2). Такой состав газа месторождений республики требует его комплексной переработки с извлечением ценных компонентов, в том числе и гелия. В этой связи необходимым и обязательным условием промышленной разработки месторождений, включая крупнейшее в республике Чаяндинское НГКМ должно стать синхронизированное с уровнем роста добычи природного газа строительство газоперерабатывающего и газохимического заводов [65].
Как видно из таблиц Средневилюйское ГКМ характеризуется самым высоким из всех месторождений республики содержанием конденсата. В связи с отсутствием гелия в составе газа, отсутствует необходимость в дополнительной переработке газа с целью выделения гелия. Принимая во внимание удаленность месторождения от основных транспортных магистралей, отсутствие гелия в составе газа является скорее плюсом, так как значительно упрощает процесс разработки месторождения. Целесообразность размещения газоперерабатывающего и газохимического заводов в г. Ленске обоснована тем, что город является ближайшим от Чаяндинского НГКМ крупным населенным пунктом. Кроме того, очень важно, что геологические условия в районе г. Ленска позволяют создать естественное хранилище, извлекаемого при переработке природного газа гелия. Наряду с этими обоснованиями значимым моментом является и то, что в период до 2018 г. предусмотрено строительство железной дороги Усть-Кут - Непа - Ленек и, соответственно, появится возможность транспортировки готовой газохимической продукции (полиэтилен, полипропилен и др.).
В умеренном сценарии, в отличие от стратегического, ввод завода по переработке природного газа мощностью 12 млрд.м3 в год предполагается в 2030 году. В стратегическом сценарии ввод газоперерабатывающих мощностей предусматривается с 2016 года, т к 2030 году общая мощность завода достигнет 25 млрд.м3 газа в год [79].
Кроме природного газа Чаяндинского НГКМ на Ленском ГПЗ будет перерабатываться и попутный газ нефтяных месторождений. Материальный баланс газоперерабатывающего завода для стратегического сценария представлен в таблице 3.1.4. В результате газоразделения в качестве товарных продуктов будут получены: 1. сухой товарный газ, который можно использовать в качестве энергетического топлива на внутренние потребности республики, а избытки газа поставлять за ее пределы; 2. гелиевый концентрат; 3. этан, пропан, бутаны - которые являются исходными продуктами для получения различных видов химической продукции. Материальный баланс газохимического завода для стратегического сценария представлен в таблице 3.1.5. Полученные на газохимическом заводе продукты будут использоваться как на собственные нужды республики, так и поставляться в соседние регионы и на внешний рынок.
