Введение.
Появление идеи создания Концепции Энергоэффективной Экопозитивной цифровой инфраструктуры – ЦИФРОПРОВОДНАЯ ЭКОСИСТЕМА РОССИИ (Далее - ЦЭР) обусловлено многократно озвученной и непрерывно повторяющейся критикой в адрес как нефтяных компаний, так и в адрес Правительства России в части повышения эффективности утилизации Попутного Нефтяного газа (Далее – ПНГ) (см. Рис.1). Несмотря на значительные успехи в части снижения уровня бесполезного сжигания ПНГ на факелах, в России по-прежнему остается весьма низким коэффициент утилизации ПНГ, особенно в части мелких и средних нефтяных месторождений. Строительство перерабатывающих цехов оправдано только в случае возможности эффективной системы продажи бензинов, ШФЛУ и СОГ – Сухого Отбензиненного Газа. В случае отсутствия потребителя для СОГ – его тоже придется сжигать, что само по себе не упрощает задачу утилизации ПНГ. Объем производства ПНГ, его химия и динамика – являются критическими параметрами для выбора схемы утилизации, а соответственно, чаще всего решение сводится к простому сжиганию.
Очевидно, что требуются новые прорывные инновационные решения, которые, с одной стороны, решат экологические проблемы полезного применения ПНГ с малых и средних месторождений ч максимальной пользой, с другой – привнесут вклад в развитие современных технологий будущего, в том числе в рамках Программы «Цифровая Экономика Российской Федерации», которая была запущена Правительством и Президентом в 2017 году (РП РФ №1632-р от 28.07.2017г.). Совместить эти, казалось бы, несовместимые задачи – оказалось вполне возможным решением, которое обеспечит не только решение экологических проблем, но и сможет сделать Россию лидером в области предоставления услуг хранения данных на долгие годы, в том числе для третьих стран. Тем самым, мы не только создаем решение о защите и укреплении цифровой безопасности страны, но и еще один источник экспорты цифровых услуг. Мы считаем уместным предложить собственный проект такой системы – «Цифропроводной Экосистемы России или ЦЭР». Краткое описание для тех, кто торопится, представлено ниже, но тем, у кого есть время, предлагается более детальное изложение Концепции и обоснование необходимости такой системы для России. Добро пожаловать в ЦЭР!
1. Краткое описание идеи КОНЦЕПЦИИ.
Концепция ЦЭР – Цифропроводной Экосистемы России, предполагает 4 ключевых экологических шага, которые коренным образом накроют весь спектр веерных проблем, возникающих из простой задачи эффективной утилизации ПНГ. Условно, мы разбиваем весь процесс создания цифровых услуг по хранению и использованию удаленных данных на следующие этапы:
1. Этап № 1 – Энергогенерация. Попутный нефтяной газ (ПНГ) — ценное сырье, но во многих случаях он становится для нефтяных компаний источником проблем. Отправлять его на переработку с удаленных и небольших месторождений дорого, а сжигание наносит вред окружающей среде. Одно из решений – превращать тяжелые углеводороды ПНГ в метан, который можно транспортировать вместе с природным газом или использовать для генерации электроэнергии и тепла. В то же время, в нефтегазовой отрасли активно применяются системы автономного энергоснабжения, в которых источниками электрической мощности являются газотурбинные электростанции. Основное топливо для ГТЭС – попутный нефтяной газ и продукты его переработки. По мере ввода в действие ранее спроектированных объектов первоначальные подходы к разработке топливных систем ГТЭС несколько изменились, появилось осмысление опыта эксплуатации и учетом нерасчетных режимов работы оборудования на ряде месторождений. Сегодня практически любой ПНГ, после должной очистки и подготовки, можно использовать в ГТЭС для производства дешевой электроэнергии (см. Рис.2). Основная задача здесь – организовать сбор ПНГ.
2. Строительство ЦОД на севере. Но идея не ограничивается просто сбором и сжиганием ПНГ без глубокой переработки (т.е. без лишних затрат на разделение). Вторая часть этой идеи – строительство Центров Обработки Данных (Далее – ЦОД) именно в СЕВЕРНЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ. Именно русская зима повысит энергоэффективность ЦОДов. В современном ЦОД не менее 50% операционных затрат приходится на электроэнергию. При эксплуатации площадки в течение десяти лет расходы на электроэнергию составляют почти половину совокупной стоимости владения, поэтому вопрос рационального использования энергии в дата-центрах имеет не только экологический, но и экономический аспект. Таким образом, если строить ЦОД прямо рядом с местом производства электроэнергии в точке компактного сбора ПНГ – это серьёзно сократит затраты на логистику электроэнергии. Потребность в ресурсах дата-центров продолжает расти, и уже сейчас на их долю приходится 1,5% промышленных выбросов парниковых газов. При этом в мире насчитывается не менее полумиллиона ЦОД. Огромные потребности дата-центров связаны не только с требованиями самого ИТ-оборудования, но также с необходимостью охлаждать помещения, так как во время работы сервера выделяют много тепла. Кроме того, часть энергии теряется при транспортировке. С ростом масштаба российских ЦОД-проектов увеличивается значение рационального потребления электроэнергии, на которую приходится более половины операционных издержек дата-центров. Географическое положение России стимулирует применение энергосберегающих технологий с использованием ХОЛОДНОГО ВОЗДУХА «С УЛИЦЫ», но распространению решений free cooling мешают высокие капитальные затраты при реализации таких проектов (см. Рис.3).
3. Использование тепла ЦОД. Как мы уже отметили, количество строящихся ЦОД растет в геометрической прогрессии и этот рост будет давить на общественные институты как экологический раздражитель. По данным Pike Research, при сохранении нынешнего тренда к 2016 г. на долю ЦОД придется 1326 млн. тонн выбросов углекислого газа, а значит, не за горами война против строительства ЦОД в городах. Логично, что, удаляя ЦОДы из центральных регионов и приближая их к зонам дешевой доставки ПНГ, решаем не только вопрос удешевления логистики энергосред, но и создаем вопрос обслуживания ЦОД и установок по электрогенерации в условиях севера. Это значит, что такие установки надо агрегировать в населенные пункты с вахтовым персоналом, которые будут работать долгие годы. А это значит, что их надо обеспечивать нормальными условиями жизни и продуктами питания. Поэтому гипотетически можно предположить, что тепло и углекислый газ, генерируемый данными установками, могут использоваться в обратном цикле для:
· Обогрева промышленных установок и жилых поселков через системы теплообменных устройств. Тепло от ЦОД и горячих газов направляется на теплообменные станции, которые формируют центральное теплоснабжение поселков и нагрев горячей воды.
· Тепло от ЦОД поступает в специально создаваемые теплицы для круглогодичного выращивания овощей и иной полезной зеленой продукции, а также для разведения сельскохозяйственной живности. Разумеется, потребуется создавать установки резервного теплообеспечения, но это все решаемые технические задачи. Главная идея как раз состоит в том, чтобы не терять полезное тепло и использовать его в т.ч. для небольших промышленных установок (см. Рис.4). Если такие установки строить в местах приближения к точкам выхода к берегу моря, например, на маршруте Северного Морского Пути (Далее – СМП), то использование таких источников тепла позволит расширить социально-сервисную инфраструктуру таких поселков.
4. Цифропроводное строительство. Наконец, последний аспект создания единой экологической энергоэффективной инфраструктуры цифровой экономики – это сеть цифропроводов, а точнее, специальных кабельных линий для обеспечения бесперебойного функционирования всей цифровой среды, как государства, так и сторонних клиентов. Именно создание энергоэффективной цифропроводной сети – последнее звено в появлении комплексной энергоэффективной экологически комфортной цифровой среды с учетом требований стандартов устойчивого развития. Здесь много проектных решений, которые сами по себе, являются основой инновационного развития отрасли цифровых услуг. Например, строительство всех коммуникаций сразу с учетом каналов для цифропроводов (см. Рис.5), строительство установок альтернативной энергетики вдоль трасс цифропроводов и иных линейных сооружений с целью основного и резервного энергообеспечения установок по транспорту. Создание альтернативных маршрутов, в т.ч. беспроводных участков, наконец, использование средств космической связи в случае срочного обращения к северным серверам. Так или иначе, энергоэффективные подходы к логистике цифровых данных – это цель проекта.
2. Проблемы и решения утилизации ПНГ: текущая ситуация.
Попутный нефтяной газ (ПНГ) – углеводородный газ, находящийся в нефтяных залежах в растворенном состоянии и выделяющийся из нефти при снижении давления. Количество газов в кубических метрах, приходящееся на 1 т. добытой нефти, зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может составлять от 12 до нескольких тыс. м3. Источником добычи нефти и, соответственно, попутного нефтяного газа служит нефтяная залежь (естественное скопление нефти в недрах Земли). Совокупность залежей нефти, расположенных на одном участке земной поверхности, представляет собой нефтяное месторождение. Основными составляющими ПНГ являются предельные углеводороды – гомологи метана от СН4 до С6Н14. С технической точки зрения, добыча ПНГ – это совокупность технологических процессов, обеспечивающих его эффективное использование в народном хозяйстве (см. Рис.6).
Возможны два направления утилизации попутного газа - энергетическое и нефтехимическое:
1. Нефтехимическое. Утилизация попутного нефтяного газа может быть проведена с получением сухого газа, подаваемого в систему магистральных трубопроводов, газового бензина, широкой фракции легких углеводородов и сжиженного газа для бытовых нужд. При таком использовании из попутного газа можно создавать разнообразные продукты нефтехимии, такие как каучуки, пластмассы, компоненты высокооктановых бензинов.
2. Энергетическое производство имеет очень широкий спектр применения, чаще он применятся на промыслах. ПНГ является высококалорийным, экономичным и экологически чистым видом топлива. Поэтому использование ПГ для выработки электроэнергии при добыче полезных ископаемых является рациональным методом его эксплуатации.
Как известно, ПНГ состоит из множества компонентов, которые можно разделить на две фракции. Одна из них — это сухой отбензиненный газ (СОГ), преимущественно метан, который может транспортироваться с месторождения по газопроводу вместе с природным газом. Вторая – широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), включающая этан, пропан, бутан и другие высшие гомологи метана. ШФЛУ, в свою очередь, может быть подвергнута дополнительному фракционированию с получением стабильного газового бензина и пропан-бутановой фракции (ПБФ). Все это востребованные продукты, реализация которых делает переработку ПНГ вполне рентабельной. Однако на многих удаленных или малодебитных месторождениях возможность вывезти ШФЛУ или ПБФ просто отсутствует. Автомобили на такие активы могут доехать только несколько месяцев в году – когда работают зимники, а строительство дополнительной трубопроводной инфраструктуры может значительно ухудшить экономику месторождения или вовсе сделать его эксплуатацию убыточной.
Сжигание ПНГ — самое простое, но и самое плохое решение. Факелы наносят вред окружающей среде, ценное сырье растрачивается впустую. К тому же использование такого метода утилизации чревато большими штрафами для нефтяников: плата за ненормативное сжигание ПНГ на факелах была существенно увеличена в 2013 году. Современные технологии утилизации попутного газа предоставляют возможность полностью использовать ПНГ на месторождениях, получать дополнительную электроэнергию, тепло и углеводородные газомоторные топлива, прежде всего, сжиженный углеводородный газ (см. Рис.7).
Основные направления использования попутного газа помимо сжигания на факеле, включают сжигание для выработки электроэнергии, использование неподготовленного («жирного») газа в котельных, химическая переработка всех уровней и возможностей, криогенная переработка или закачка в пласт. Подробнее некоторые варианты мы рассмотрим ниже, но практически имеет смысл говорить о следующей классификации методов утилизации ПНГ по объёму его добычи на месторождениях:
1. Несколько млн. кубометров в год – это генерация электроэнергии для собственных нужд;
2. Несколько десятков млн. кубометров в год – это первичная переработка ПНГ для выделения сухого отбензиненного газа (СОГ) как топлива для котельной и широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ) как полезную товарную фазу нефтяного сырья;
3. От 50 до 150 млн. кубометров в год – это переработка ПНГ с целью получения СОГ, используемого для генерации электроэнергии для поставок в сеть (частично для себя), товарного газового бензина (СГБ) и сжиженных углеводородных газов (СУГ), поставляемых на объекты нефтехимии;
4. Свыше 150 млн. кубометров в год – это производство товарных СОГ, ШФЛУ, СУГ, СГБ, используемых для продажи сторонним потребителям: для генерации, нефтехимии и т.п.
Таким образом, можно сделать предположение, что в действительности более мелкие месторождения с незначительными объёмами добычи попутного газа не могут в некоторых случаях не могут сравниться по уровню утилизации с крупными проектами нефтедобычи, а значит именно они являются главным источником экологических проблем в России.
Часть 1. Продолжение следует.
