В настоящее время в США разработана и внедрена технология извлечения из угольных пластов до 80% содержащегося в них метана.
Такая степень извлечения достигается пневмо- и гидродинамическим (с помощью воды, пульпы или специальных растворов) воздействием на пласты, стимулирующим повышенную газоотдачу углей.
Мировые запасы метана угольных плаcтов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн куб. м. Наиболее значительные ресурсы сосредоточены в Китае, России, США, Австралии, ЮАР, Индии, Польше, Германии, Великобритании и Украине.
Масштабная добыча метана уже ведется в США, где создана и действует целая отрасль промышленности по добыче газа из угольных пластов.
За последние 10 лет добыча угольного метана из специальных скважин возросла до 60 млрд куб. м/год. В этой отрасли работает около 200 американских фирм.
В последние годы начаты интенсивные работы по извлечению метана в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании.
В Австралии технологии извлечения газа на шахтах и вне горных предприятий разрабатывались параллельно с США, и некоторые компании успешно ведут разработку метана уже с середины 1990-х гг.
Добыча метана ведется горизонтальными скважинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м; газ поступает на очистительную фабрику, где в соответствии с техническими требованиями обезвоживается, фильтруется, сжимается и далее по газопроводу высокого давления поступает в ряд населенных пунктов.
В Китае ресурсы метана угольных пластов составляют до 35 трлн куб. м. Интерес к извлечению метана из угольных пластов стал здесь проявляться в начале 1990-х гг. За прошедшие 10 лет китайскими и иностранными специалистами пробурено более 100 опытных скважин на территории угольных бассейнов в восточной части страны.
В настоящее время объем добычи метана в Китае составляет около 5 млрд куб. м. Однако к 2010 г. планируется увеличить годовую добычу до 10 млрд куб. м.
В Канаде начались экспериментальные работы по извлечению метана на участке Паллисер в провинции Альберта. Канадский газовый комитет прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составляют около 8 трлн куб. м (тогда как ресурсы традиционного газа в стране - 5 трлн куб. м), в будущем станет основным видом добываемого газа в ряде районов Канады.
В Великобритании известная компания Coalgas Ltd ведет добычу метана из двух заброшенных шахт - «Макхрам», расположенной недалеко от г. Мансфилд, и «Ститлей». Компания разработала альтернативный метод извлечения метана посредством его откачки через вентиляционные стволы шахт, куда он поступает из неотработанных угольных пластов.
Таким образом, необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной добычи метана из угольных пластов подтверждаются опытом ряда стран.
По мнению американских экспертов, это направление будет неуклонно развиваться, и к 2020 г. мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100-150 млрд куб. м/год, а в перспективе промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть до 470-600 млрд куб. м/год, что составит 15-20% мировой добычи природного газа.
Перспективы добычи и использования угольного метана в России
Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют по различным источникам 100-120 млрд куб. м/год с учетом восточных и северо-восточных бассейнов. Сегодня газообильность выработок составляет около 30-40 куб. м метана на тонну добываемого угля.
На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна.
Несмотря на очевидную перспективность, практика использования шахтного метана как энергетического топлива в России находится на уровне 5-10% от общего объема дегазации, хотя ежегодно в странах СНГ дегазационными установками из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу около 3 млрд куб. м метана, в том числе в России - более 1 млрд куб. м.
Ранее в России шахтный метан в незначительных объемах (47 млн куб. м/год) использовался только в Печорском бассейне, хотя ресурсы метана в угольных бассейнах оцениваются в десятки триллионов кубометров.
Многие районы, в которых находятся угольные бассейны, расположены на значительном расстоянии от месторождений природного газа. Поэтому представляет интерес оценка ресурсов шахтного метана в пластах угольных бассейнов России и начало его промышленной добычи.
Наиболее перспективным в отношении добычи и использования метана в промышленных целях является Кузнецкий угольный бассейн. В октябре 2000 г.
ОАО Газпром и администрация Кемеровской области заключили договор по реализации совместного проекта по добыче метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна.
«Организация промышленной добычи газа из угольный пластов чрезвычайно важна для Кемеровской области. Она под силу только такой компании, как «Газпром».
Мы надеемся, что крупнейшая газовая корпорация мира будет и в дальнейшем уделять этому проекту должное внимание, а государство окажет ему достойную поддержку», - заявил недавно губернатор Кемеровской области Аман Тулеев.
В настоящее время в рамках первого этапа экспериментального проекта в Кузбассе на Талдинской площади уже создан и функционирует научный полигон в составе четырех скважин и, необходимой инженерной инфраструктурой.
На основе многолетнего изучения геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов ресурсы метана здесь оценены в 13 трлн куб. м до глубины 1800 м и в 5-6 трлн куб. м - до 1200 м; наиболее значительные из них находятся в Ерунаковском, Томь-Усинском, Терсинском и Ленинском районах.
Уже в 2008-2009 гг. «Газпром» готов приступить к промышленной разработке шахтного метана в Кузбассе, что позволит региону отказаться от покупки газа у «Газпрома», а газовый концерн, в свою очередь, сможет продавать дополнительные в год свыше 4 млрд куб. м природного газа за рубеж.
При благоприятной ситуации в сфере налогообложения и высоких ценах на газ к 2020 г. Кузбасс способен выйти на добычу 20 млрд куб. м угольного метана. Этот объем можно будет реализовать в Кемеровской, Новосибирской и Омской областях, а также в Алтайском крае.
При оживлении промышленного производства и развитии энергетики потребление природного газа в Кемеровской области может составить около 32 млрд куб. м/год, весь объем которого предполагается покрыть за счет шахтного метана.
Чтобы оценить объемы и перспективность применения шахтного метана в Кемеровской области, необходимо сказать, что эта программа по объемам эквивалентна разработке месторождения Харасавэя на Ямальском полуострове, а по затратам - на порядок ниже.
Целевым назначением широкомасштабной добычи метана из угольных пластов является полное обеспечение потребностей шахтерских регионов России собственным местным газом, который является наиболее доступным, наиболее дешевым и наиболее экологически чистым резервом из известных газов, альтернативных природному газу.
Области использования шахтного метана
Высокая теплотворная способность позволяет использовать шахтный газ для отопления жилых помещений, для производства электроэнергии и как топливо для автотранспорта.
Как показывает мировой опыт, экономически эффективно использовать угольный и шахтный метан в качестве топлива на теплоэлектростанциях совместно с углем.
В Кузбассе, например, имеется десять крупных тепловых электростанций и 2000 котельных, где может быть применен метод комбинированного сжигания угля и метана. Безусловно, положительным следствием станет и уменьшение при этом загрязнения атмосферы.
Чтобы успешно реализовать проекты по угольному метану, необходимо не просто собирать его и сжигать, но и использовать для получения тепловой и электрической энергии. По расчетам специалистов, наиболее перспективным направлением является использование когенерационных установок на основе газопоршневых двигателей.
Это новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла на основе автономных двигателей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Если шахты сумеют обеспечить себя теплом и электричеством, то себестоимость добычи угля сократится до 30% (в зависимости от доли затрат на электричество в себестоимости).
Так, на шахте «Ментон» (Великобритания) генераторная установка, работающая на метане, полностью обеспечивает потребности шахты в электроэнергии. В ФРГ на начало 2006 г. только в Рурском угольном бассейне работали более 130 контейнерных ТЭС на шахтном газе с установленной мощностью более 200 МВт электроэнергии.
В феврале 2007 г. компания «Север-сталь-ресурс» объявила о начале реализации проекта в Печерском угольном бассейне, в рамках которого с помощью шахтного метана будет производиться электроэнергия на трех газогенераторах мощностью 62 МВт.
Широкому применению угольного метана для выработки электроэнергии и тепла способствует и появление на мировом рынке нового типа двигателей - двигателей Стирлинга. Ранее угольный метан использовался в карбюраторных и дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Однако для этих типов двигателей требовалось существенная очистка угольного метана, поддержание постоянного процентного соотношения компонентов газа, проведение частых регламентных работ и установка дополнительных фильтров для удовлетворения требований экологических норм.
Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров. Поэтому двигатели Стирлинга идеально соответствуют технологии использования добычи угольного метана.
Применение энергетических модулей с двигателями Стирлинга позволяет использовать напрямую как угольный метан из скважины, так и каптируемый шахтный газ.
Опыт использования двигателей Стирлинга на угольном метане в Китае позволил на порядок сократить выбросы оксидов азота без какой-либо дополнительной обработки выхлопных газов и свести к минимуму расходы на сопровождение генерирующего оборудования.
Стирлинг-генераторы очень эффективны с точки зрения преобразования химической энергии топлива в полезную электрическую энергию, в том числе и на очень низкокалорийных топливах. Современные двигатели Стирлинга достигают электрического КПД более 40%, а в когенерационном цикле с утилизацией тепла выхлопных газов суммарный КПД составляет более 90%.
Поскольку содержание метана в шахтном газе может составлять до 98%, этот газ может быть использован к качестве моторного топлива для автотранспортных средств.
Однако угольный метан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии. При нормальных условиях теплота сгорания 1 л угольного метана составляет 33-36 КДж, в то время как теплота сгорания 1 л бензина составляет 31400 кДж, т. е. в 1000 раз больше, чем у угольного метана.
Поэтому угольный метан может применяться в двигателях автомобилей как моторное топливо либо в компримированном (сжатом), либо в криогенном (сжиженном) состоянии.
О практике применения сжатого (до 20 МПа) угольного метана в качестве моторного топлива для автомобилей известно достаточно давно.
По оценкам зарубежных специалистов, уже в 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на угольном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов угольных регионов страны.
Анализ результатов исследований токсичности газобаллонных автомобилей, проведенных за рубежом, показывает, что при замене бензина на угольный метан выброс токсических составляющих (г/км) в окружающую атмосферу снизился: по оксиду углерода в 5-10 раз, углеводородам - в 3 раза, окислам азота - в 1,5- 2,5 раза, ПАУ - в 10 раз, дымности - в 8-10 раз, в зависимости от типа автомобиля.
Еще более перспективной технологией является использование сжиженного угольного метана. Сжижение уменьшает объем газа, занимаемый в обычных условиях, почти в 600 раз, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, значительно снизить массу и объем системы хранения угольного метана на автомобиле.
Одним из перспективных направлений является использование угольного метана в химической промышленности.
Из него можно производить сажу, водород, аммиак, метанол, ацетилен, азотную кислоту, формалин и различные производные - основы для производства пластмасс и искусственного волокна.
Так, в Китае работает крупный сажевый завод, потребляющий 150 тыс. куб. м/сут. угольного газа, дающий более 10 т сажи. В Японии из угольного метана получают аммиак, а из него - карбамид. С каждым годом области утилизации угольного метана расширяются, разрабатываются новые эффективные способы его переработки и использования.
К сожалению, в России очень медленно приходит понимание того, что шахтный газ - это наше богатство, как нефть и природный газ.
Огромные ресурсы, мировой опыт, технологии и имеющееся оборудование для добычи и использования угольного метана позволили бы ему уже в ближайшем будущем занять достойное место в топливно-энергетическом балансе страны.
Однако в отличие от зарубежных стран, до настоящего времени в России нет даже правовой основы для промышленной крупномасштабной добычи угольного метана, что мешает привлечению инвестиций в этот бизнес.
Так, до сих пор угольный метан не внесен в общероссийский классификатор продукции в качестве самостоятельного полезного сырьевого ископаемого, что не позволяет утвердить для него специальный налоговый режим.
Безусловно, необходима и серьезная государственная поддержка.
Опыт зарубежных стран показывает, что масштабная добыча угольного метана в США, Австралии, Китае началась после того, как государства стали стимулировать данные проекты, предоставив значительные налоговые льготы компаниям, занявшимся извлечением газа из угольных пластов.
Очевидно, это необходимо срочно сделать и в России. Ведь добыча метана угольных пластов не только позволит расширить ресурсную базу «Газпрома», но и будет иметь значительный социально-экономический эффект в рамках всей страны.
По мнению специалистов, утилизация шахтного метана позволит снизить себестоимость добычи угля на шахтах в зависимости от конкретных условий на 3-4%.
Кроме того, это положительно скажется и на других показателях хозяйственной деятельности угледобывающих предприятий.
Во-первых, увеличится масса прибыли на единицу продукции, поскольку возрастает разница между существующей ценой и себестоимостью добычи угля или, что одно и то же, снизятся убытки, и, во-вторых, сократится расход первичного топлива (угля) на внутренние нужды, в результате чего соответственно возрастут угольные товарные ресурсы и стоимость их реализации.
Успешная реализация проектов по добыче угольного метана позволит повысить безопасность труда шахтеров угольных регионов России, создать новые рабочие места и обеспечить производственные и бытовые потребности угольных регионов в газе.
