Метан: вчера, сегодня, завтра

Метан: вчера, сегодня, завтра

10 мая 2023

Материал опубликован в № 4 корпоративного журнала «Газпром», автор — Петр Сергеев

На вопросы журнала отвечает заместитель начальника Департамента — начальник Управления ПАО «Газпром», доктор химических наук, профессор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, заслуженный эколог РФ Александр Ишков

Александр Гаврилович, метан — основной компонент природного газа. При этом метан содержится в воздухе и может быть как природного, так и антропогенного происхождения. Откуда он возникает?

Метан является неотъемлемой и естественной частью атмосферы (общее содержание — около 5 млрд т), при этом обнаружили его в атмосфере сравнительно недавно — менее 100 лет назад. Достаточно долго метан назывался «болотным газом». Идентифицирован метан впервые был итальянским физиком Алессандро Вольта в болотах озера Маджоре в ноябре 1776 года. Алессандро собрал газ, поднимающийся из болота, и в 1778 году выделил чистый газ (который мы сегодня и называем «метан»). А название «метан» в 1886 году было придумано немецким химиком Вильгельмом фон Гофманом.

Ежегодно из всех источников в атмосферу поступает около 550 млн т метана и приблизительно столько же изымается из атмосферы естественным образом. Природными источниками метана являются болота, океаны, озера, дикие жвачные животные, термиты и т.д. В части антропогенных источников — более половины объема выделяемого метана обусловлено сельскохозяйственной деятельностью: выращиванием риса, разведением скота, а также ферментацией мусора, добычей угля и т.д. Доля газовой промышленности в эмиссии метана — около 6% (примерно 35 млн т).

Метан — вещество без цвета, запаха, химически инертно, легче воздуха, поэтому человечество так поздно «узнало» о метане, хотя метан, один из самых распространенных газов на Земле (и других планетах), и дал начало всему живому.

В природе метан образуется четырьмя абсолютно разными способами: биогенный метан образуется в ходе трансформации органических веществ, абиогенный метан — в результате химических реакций между неорганическими соединениями, бактериальный метан — в результате жизнедеятельности микроорганизмов, термогенный метан образуется в природе в результате термохимических процессов.

Основой органической жизни на Земле являются вода, аммиак и метан — как простейший углеводород, из которого образовались все органические вещества и затем собственно жизнь. В химических процессах возникновения жизни «участвовали» и другие химические элементы и простейшие вещества (окись углерода, сера, металлы и др.), но основой органической жизни был именно метан. Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из метана, аммиака и углекислого газа, далее атмосфера обогатилась парами воды, двуокиси углерода и др. Именно они создали условия, в том числе температурные, для зарождения органической жизни, и сейчас мы живем только благодаря этим парниковым газам.

Абиогенный и термогенный метан обнаружены относительно недавно, но благодаря их обнаружению даже ранее общепринятая теория, что наличие метана на планете — признак наличия органической жизни, стала неоднозначной. Фактически ученые до сих пор не могут прийти к единому мнению об основном источнике происхождения природного газа на Земле.

Минеральная теория говорит о том, что метан является частью процесса дегазации Земли. Биогенная теория (имеет больше сторонников) считает, что природный газ образовался из остатков растительных и животных организмов, вымерших в конце палеозойской эры, которые с помощью бактерий, давления и высокой температуры превратились в смесь газообразных углеводородов (природный газ с содержанием метана 80–98%). Скорее всего имеют место оба механизма образования природного газа, но однозначно можно сказать, что метан в значительной степени — продукт циркулярных процессов на Земле. Вся органика рано или поздно распадается до молекул метана, который затем трансформируется в органику путем цепочки сложных процессов, в том числе и через энергетическое использование с получением двуокиси углерода, который обеспечивает существование жизни на Земле.

Применение метана

Когда человек стал использовать метан в своей хозяйственной деятельности?

Человечество использует природный газ с давних времен. Еще в IV веке до нашей эры в Китае его научились применять для отопления и освещения. Для транспортировки делали «газопроводы» из бамбука. На Апшеронском полуострове в VII веке был построен храм, где горел «вечный огонь» природного газа, а Персидский царь в I веке, увидев огонь, горевший постоянно «из земли», приказал построить там дворцовую кухню, где не надо было «тратиться» на топливо.

В XIX веке активно использовался «светильный газ», получаемый в основном из угля. Для этих целей были нужны десятки миллионов тонн угля в год. Парадоксально, что светильный газ по современным требованиям был самым «экологичным» видом энергоресурсов. В нем было около 50% водорода и 30–40% метана. Но производство светильного газа сопровождалось значимыми выбросами вредных веществ (оксид серы и др.).

В России впервые применили светильный газ для освещения улиц Санкт-Петербурга в 1813 году. Начиная с 1863 года в России приступили к работе несколько десятков газовых заводов. В Москве первый завод был открыт в 1866 году, а уже в 1867-м в Москве было проложено 90 км газопроводных сетей. К 1913 году в Москве производилось около 17 млн куб. м светильного газа и было проложено 460 км газопроводов. В Санкт-Петербурге с 1886 года потреблялось более 20 млн куб. м газа.

В то же время природный газ — самый «молодой» энергоресурс, которым стало пользоваться человечество в промышленном масштабе, а также самый экологичный и доступный. При этом запасы газа огромны. Следует отметить, что главными «хранилищами» метана являются газогидраты (комплексы метана с водой, которые в природе находятся в твердом состоянии). До настоящего времени извлечены и использованы только доли процента всего метана на Земле. Если учитывать циркулярность метана, то он почти вечен, и не только на Земле. По своей распространенности во Вселенной метан находится на третьем месте после водорода и гелия.

Расскажите, пожалуйста, о преимуществах использования природного газа.

Метан действительно является основным компонентом природного газа (95–99%), и это — самый чистый энергетический ресурс на современном этапе развития мировой промышленности. Его использование является одним из наиболее доступных способов уменьшения негативного воздействия на окружающую среду и декарбонизации экономики.

Природный газ имеет самый низкий углеродный след по сравнению с другими ископаемыми энергоресурсами, поэтому повышение доли природного газа в энергетическом балансе страны влияет на снижение углеродоемкости топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в целом. ТЭК России имеет один из самых низких показателей углеродоемкости среди крупных мировых экономик (США, Германия, Япония, Китай, Индия и др.).

Реализация программ по газификации регионов и переводу транспорта на метан обеспечивает снижение выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ, а значит, уменьшение заболеваемости и смертности населения.

Метан и климат

Какова роль метана в изменении климата?

По инициативе ПАО «Газпром» Российской академией наук проведены исследования о роли метана в изменении климата. Результаты работы представлены в монографии «Метан и климатические изменения: научные проблемы и технологические аспекты». Как показывают исследования, концентрация метана в атмосфере Земли в последние годы имеет тенденцию к увеличению, хотя в некоторые периоды наблюдалось и ее снижение.

Изотопный анализ метана показал, что наблюдаемый рост концентрации метана в атмосфере происходит за счет увеличения эмиссии именно метана биогенного и бактериального происхождения: от сельского хозяйства, болот и т.д., а не от ископаемого метана, который имеет другой изотопный состав.

При этом на основании исследований специалисты отмечают, что наиболее вероятное объяснение роста концентрации метана в атмосфере связано не столько с выбросами метана, сколько с изменениями количества гидроксильного радикала (гидроксила), который расщепляет метан в атмосфере (в результате образуется вода и метил). Если глобальные уровни гидроксила снижаются, то глобальная концентрация метана в атмосфере увеличивается, даже если уровень эмиссии метана остается постоянным. Так, при уменьшении количества гидроксила до уровня 0,91 от текущей величины фотохимическое время жизни метана в атмосфере возрастает с 8,1 до 8,9 лет, то есть нарушается так называемый метановый цикл. Подтверждением этого явились результаты наблюдений во время пандемии коронавируса, когда из-за остановки производств, резкого сокращения транспортной активности уменьшились выбросы и оксида углерода, и оксидов азота, упала концентрация гидроксильных радикалов (атмосфера стала менее окислительной), соответственно, концентрация метана в атмосфере при этом продолжала расти.

Следствием нарушения метанового цикла является увеличение количества метана в атмосфере, что приводит к образованию тропосферного озона и росту количества стратосферного водяного пара, что дает больший суммарный эффект воздействия, чем непосредственно от увеличения концентрации самого метана.

Ученые также отмечают, что на количество гидроксила оказывает влияние содержание водорода в атмосфере: вступая в реакцию с гидроксилом, водород нарушает естественный цикл изъятия метана из атмосферы, то есть увеличивает его содержание. По факту водород обладает косвенным парниковым эффектом (по предварительной оценке, в 11 раз больше, чем СО2).

Парниковые газы, такие как метан, создают своего рода одеяло в атмосфере, улавливая тепло от поверхности Земли, называемое длинноволновой энергией, и предотвращая его выброс в космос. Это и создает эффект теплицы.

Большинство климатических моделей еще не учитывают новое открытие Калифорнийского университета, согласно которому метан не только удерживает тепло в атмосфере Земли, но также создает охлаждающиеся «облака», которые компенсируют 30% тепла. Поглощая коротковолновую энергию Солнца, метан не дает Земле нагреться, вызывая охлаждающий эффект.

Как правильно оценить роль метана в сравнении с другими парниковыми газами?

Для оценки метана требуется правильно определить подходы и методики, по которым можно адекватно интерпретировать цифры, полученные в результате измерения концентраций метана в атмосфере.

В настоящее время особое значение приобретают вопросы применения корректного коэффициента пересчета выбросов метана в СО2-эквивалент. Согласно руководящим принципам для формирования национальных кадастров, утвержденным решением Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата, в расчетах применяется Потенциал глобального потепления (GWP) для 100-летнего периода. Для метана указанное значение составляет 25 (коэффициент сравнения с базовым парниковым газом — диоксидом углерода). Использование данной методики формирует мнение, что, несмотря на относительно короткий период жизни и небольшую концентрацию в атмосфере по сравнению с углекислым газом, парниковый эффект от метана примерно в 25 раз выше. При этом Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) отмечает, что в настоящее время повышается значение другого показателя — Потенциала изменения глобальной температуры (GTP), который основан на изменении средней глобальной приземной температуры в выбранный момент времени и в большей степени отражает цели Парижского соглашения по сравнению с традиционной методикой (GWP).

Потенциал изменения глобальной температуры (100-летний горизонт) для метана составляет 4. Данную методику как альтернативную уже в своих расчетах и кадастрах применяет Бразилия. По результатам предварительных расчетов, использование GTP в национальном кадастре позволит снизить углеродный след экономики России, в том числе нефтегазовой отрасли, сельского хозяйства и особенно производства говядины и риса, так как указанные отрасли характеризуются выбросами метана.

Санкции

Как влияют санкции на климатические цели России и иных государств?

Усиление международной санкционной политики неоднозначно отразилось на процессе декарбонизации и энергоперехода разных стран: некоторые государства повысили амбициозность климатических целей для обеспечения независимости от импорта традиционных ископаемых ресурсов; другие, напротив, вернулись к угольной электро- и теплогенерации. При этом исследования, проведенные независимыми экспертами, демонстрируют, что из всех возможных маршрутов поставок природного газа в европейские страны поставка трубопроводного газа из России считается одним из самых экологичных решений. Однако в качестве замены трубопроводных поставок природного газа европейским странам зачастую предлагаются поставки сжиженного природного газа (СПГ) из США, углеродный след которых один из самых высоких, поскольку для СПГ затраты энергии на сжижение и транспортировку значительно больше. А в случае сланцевого газа значительно больше и выбросы метана при добыче. По данным национальных кадастров США и России на сайте Рамочной конвенции об изменении климата, выбросы метана при добыче газа в США в 18 раз выше, чем при добыче российского природного газа.

Согласно информации Международного энергетического агентства, в 2022 году выбросы CO2 в глобальном секторе энергетики выросли примерно на 0,9%, достигнув нового значения в 36,8 млрд т. При этом экспертами отмечается, что общий объем выбросов от использования угля увеличился на 1,6%, или на 243 млн т CO2. Рост выбросов от использования нефти и нефтепродуктов превысил рост «угольной» генерации и составил 2,5%, около 268 млн т CO2. В это же время объем выбросов от использования природного газа снизился на 1,6%, или на 118 млн т CO2. Произошло замещение природного газа менее экологичными источниками энергии, что ставит под сомнение возможность достижения поставленных целей по декарбонизации промышленности и транспорта.

Одновременно в России наблюдается другой тренд: реализация программ газоснабжения, развитие рынка газомоторного топлива обеспечивает еще большее снижение углеродоемкости российской энергетики. Природный газ является естественным конкурентным преимуществом России, что может содействовать достижению национальных климатических целей и целей стран — импортеров газа.

Сокращение потерь

Получается, что метан — это коммерческий продукт. Логично, что компания прилагает усилия по сокращению его потерь. Что делает «Газпром» для сокращения выбросов метана?

В ПAO «Газпром» действует корпоративная система управления выбросами парниковых газов, в том числе метана. Данные о выбросах метана (от скважины до потребителя) представляются в ежегодных экологических отчетах, проводится независимое заверение информации с привлечением независимой аудиторской компании.

Мы непрерывно проводим работы по сокращению выбросов метана. Для этого в компании внедряются новые технологии, проводятся ресурсосберегающие мероприятия. Все большую значимость для сокращения выбросов метана приобретает расширение практики применения технологий, направленных на сохранение газа при проведении ремонтных работ. Наибольшую результативность имеют технологии выработки газа на потребителя через газораспределительные станции, перепуск природного газа из ремонтируемого участка в действующий газопровод, использование газа из технологической обвязки компрессорного цеха на собственные нужды.

Одним из эффективных проектов по энергосбережению является проект внедрения мобильных компрессорных станций (МКС) для предотвращения стравливания метана в атмосферу при проведении ремонтных работ на магистральном газопроводе. В 2022 году только за счет использования МКС удалось предотвратить эмиссию 870 млн куб. м метана в атмосферу. Существенный вклад в сохранение газа при ремонтах вносят также мероприятия, реализуемые в газодобывающих предприятиях и обеспечивающие сокращение потерь газа при эксплуатации и ремонтах скважин. Указанные меры позволили обеспечить минимальные выбросы по всей производственной цепочке поставок природного газа. В результате выбросы метана от объектов ПАО «Газпром» являются самыми низкими: при добыче — 0,03% от объема добываемого газа, при транспортировке трубопроводами — 0,17% от объема транспортируемого газа, при подземном хранении — 0,03% от объема хранения газа.

Какие еще преимущества использования природного газа (метана) известны на сегодняшний день?

Природный газ не только обеспечит удовлетворение растущего глобального спроса на энергию (уже сегодня метан составляет более 15% используемых энергоресурсов), но и повлияет на поддержание продовольственной безопасности страны. Так, одним из перспективных направлений является производство из природного газа протеинов — белковой подкормки для сельскохозяйственных животных. В основе этой технологии лежит использование метанотрофных бактерий — микроорганизмов, питающихся метаном. Такое производство является прогнозируемым, не зависящим от внешних климатических условий и практически безотходным.

Ежегодно из метана производятся миллионы тонн аммиака (и, соответственно, аммиачных удобрений, без которых невозможно представить современное сельское хозяйство). Также из метана производится метиловый спирт (метанол), необходимый в производстве красок, клеев и добавок для получения хорошего бензина. Автомобильные шины почти на 30–35% состоят из технического углерода, идеальным экологичным сырьем для производства которого также является метан.

Использование природного газа позволяет сокращать углеродный след продукции. Уже сегодня повсеместно внедряются высокотехнологичные производства, связанные с синтезом ценных продуктов (полимеров, пластиков, водорода и т.д.) из природного газа.

Расширение систем газоснабжения и газификации регионов РФ является одним из масштабных социально и экологически значимых направлений работы ПАО «Газпром». Продолжается комплексная работа по расширению использования природного газа на транспорте, что является рациональным решением проблемы сокращения выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в быстро растущем транспортном секторе. Газомоторное топливо широко применяется на собственном транспорте дочерних обществ «Газпрома».

Широкомасштабное применение природного газа действительно помогает формировать будущее, в котором достигаются цели устойчивого развития.

Фото: ПАО «Газпром», Vector Stock, Pixabay, Ирина Казеева, официальный портал Мэра и Правительства Москвы