В эпоху всеобщего увлечения водородом разного цвета, «Газпром» представил широкому кругу специалистов уникальную установку по извлечению гелия и производству гелиевого концентрата. Эта разработка может стать одной из самых успешных технологий на газовом рынке, которая позволит России в будущем стать лидером по производству гелия.

Солнечный газ

Гелий – поистине уникальный газ без цвета, вкуса и запаха. Он не токсичен, не горюч, не взрывоопасен и феноменально химически пассивен. По распространенности во вселенной он занимает второе место после водорода. Этот газ впервые зафиксировали в короне Солнца в 1868 году, и только через 27 лет обнаружили в минералах Земли. Не зря один из первооткрывателей этого газа англичанин Норман Локьер присвоил ему название «гелий» (от древнегеческого ἥλιος — «солнце»).

Гелий является лучшим проводником электричества среди газов и вторым проводником тепла после водорода. Температура его кипения самая низкая из всех известных человечеству веществ равна минус 269 градусов Цельсия. Температуры плавления у этого газа нет вообще, поскольку жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает. Эти свойства делают гелий незаменимым газом в отдельных отраслях промышленности.
 

От акваланга до адронного коллайдера
 
Гелий используется в атомной промышленности, в космических технологиях, в производстве деталей мобильных телефонов, полупроводников, жидкокристаллических экранов, оптических волокон, вычислительной и измерительной техники, для охлаждения ядерных реакторов и в других областях.

Благодаря низкой температуре кипения и уникальной сверхтекучести гелий активно применяется в криогенных системах. Порядка 28% мирового спроса на «солнечный» газ приходится на сферу производства и эксплуатации медицинской техники, где жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппарате МРТ.

Гелий применяют в охладительной системе синхрофазотронов, в том числе построенном в городе Дубна. Но высшей ступенью стало применение этого газа в многоступенчатой охладительной системе ускорителя Большого андроннного коллайдера, созданного в рамках проекта CERN недалеко от Женевы. Работа коллайдера требует поддержки температуры в минус 271,25 градуса Цельсия, что под силу обеспечить только гелию.

Еще 18% мирового потребления гелия приходится на разные виды сварочных работ, 15% - на сферу электроники, в том числе для охлаждения во время производства экранов гаджетов и при создании оптического волокна. Сверхтекучесть гелия позволяет использовать этот газ для поиска утечек в трубопроводах и котлах, а его легкость — для закачки в баллоны для метеозондов и аэростатов. Кроме того, гелий используется в геологии для определения глубоких разломов, изучения глубинных недр Земли и поиска геотермальных источников. 

Отдельной областью применения является создание дыхательных смесей для глубоководного погружения водолазов. Российские ученные на основе этого опыта сейчас разрабатывают методики применения газовых смесей с гелием для лечения от коронавирусной инфекции.

«Вышеперечисленные области использования относятся к гелию-4. Однако в составе гелия-4 содержится в миллионных долях его изотоп – гелий-3, имеющий стратегическое значение для науки и техники с учетом его способности вступать в реакции термоядерного синтеза практически без радиоактивного излучения. Это дает основание рассматривать гелий-3 как топливо термоядерных реакторов, за которыми будущее энергетики. Анализ областей использования гелия показывает, что с учетом уникальности свойств в ряде областей гелий невозможно заменить другими веществами»,  – отмечает в своей работе один из разработчиков мембранной установки по извлечению гелиевого концентрата заместитель начальника Центра предпроектных исследований Саратовского филиала «Газпром проектирование» Наталья Кисленко.
 

Воздушный шарик станет золотым
 
Таким образом, в будущем спрос на гелий будет только расти вслед за развитием новых высокотехнологичных отраслей промышленности. Подталкивать спрос на него будут всё более активное проведение медицинских исследований с помощью МРТ и коммерческое освоение космоса. По оценкам CREON Group, с 2016 по 2019 годы мировой спрос на гелий в космическом секторе вырос на 9%, а к 2024 году, он увеличится еще на 21%.

Не менее важным стимулом станет постоянное увеличение используемых людьми гаджетов. По данным экспертов, с 2016 по 2020 годы количество пользователей смартфонов в мире выросло с 3,7 миллиарда до 6,1 миллиарда человек. К 2024 году число мобильных устройств в мире достигнет 17,7 миллиарда штук.

Объем мирового производства и потребления гелия по разным оценкам до 2020г. составлял от 170-190 млн кубометров в год. Но уже в среднесрочной перспективе он может превысить 200 млн кубометров в год. По прогнозам Research and Markets, к 2025 году мировой рынок гелия достигнет 18,2 млрд долларов, увеличившись в среднем на 13%. Так что в скором времени простой шарик с гелием на детском утреннике станет по-настоящему золотым.

Добыть нельзя использовать
 
Основной проблемой производства товарного гелия является то, что на Земле он содержится в основном в природных газах, причем в незначительных количествах: в тысячных, сотых и очень редко – в десятых долях процента. По примерным оценкам, мировые запасы гелия составляют порядка 40 млрд кубометров. В России сосредоточено около 34% этих запасов, при этом основная доля всех отечественных ресурсов гелия приходится на месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока. Второе место по запасам гелия занимает Катар (21-25%), третье и четвертое места делят США (18%) и Алжир (17%).

Тот факт, что гелий является лишь примесью в природных газах, добываемых в качестве энергоресурсов, и определяет двойственность процессов производства гелия. Масштабное развитие цифровых технологий только начинается, а вот месторождения газа, обладающие серьезными запасами гелия, уже разрабатываются. Волей не волей, производство гелия превышает текущий спрос на него. В результате, часть гелия отправляют сразу на переработку, а другую часть – в виде концентрата закачивают в специальные хранилища.
 

Три страны - три судьбы
 
Принцип выделения гелия из природного газа и закачки его в федеральное резервное хранилище впервые внедрили Соединенные Штаты Америки, которые уже около века являются главным потребителем и производителем гелия. До сих пор Соединенные Штаты обеспечивают около 50% поставок этого газа на мировой рынок. Между тем, еще десять лет назад их доля достигала 86%.

Частично поставки идут за счёт нового производства, а частично – за счёт извлечения гелия из хранилища Клиффсайд, которое было создано в 19 километрах от города Амарилло, штат Техас, еще в 1925 году. Максимальный объем хранилища достигал порядка 1 млрд кубометров газа. В начале XX века хранилище обеспечивало поставки благородного газа для дирижаблей, в 1950 годах гелий стали использовать как охлаждающую жидкость при производстве оружия, затем этот газ нашел применение в бурно развивающихся космических технологиях. С 1990-ых годов предпринималось несколько попыток продажи запасов гелия либо приватизации хранилища Клиффсайд, но все они заканчивались появлением дефицита и резким ростом цен на «солнечный» газ. В итоге в 2013 году был принят специальный акт The Helium Stewardship Act, который продлил срок службы хранилища Клиффсайд. Документ также установил, что как только объемы гелия в хранилище снизятся с 300 млн кубометров до 100 млн кубометров, продажи гелия будут осуществляться только федеральным потребителям.

При этом США сокращают собственное потребление благородного газа, находя ему более дешевые заменители. К примеру, на производстве оптоволоконных кабелей вместо гелия можно использовать аргон и азот. Аргон также используют вместо гелия в сварке, водород – при обнаружении утечек (хотя очевидно, что водород более опасный в использовании газ), азот и водород – в хроматографии.

Катар, крупнейший производитель сжиженного природного газа, стал заниматься продажами гелия скорее для получения дополнительных доходов от побочного продукта. Концентрация гелия на катарских месторождениях не превышает 0,1% мольн. Но при производстве СПГ метан переходит в жидкое состояние примерно при минус 162 градусах Цельсия. После этого остаётся «мусорный» концентрат из гелия, водорода, кислорода и других газов. Объем гелия даже в этом замороженном коктейле небольшой, но он стоит в 20-30 раз дороже метана. Полученный гелий доставляется через Саудовскую Аравию в Дубаи в гелиевые логистические центры компаний Linde, Air Liquide и Iwatani. Сейчас доля Катара на мировом рынке, по разным оценкам, составляет от 21 до 25%.

Третье место по объемам поставок гелия на мировой рынок занимает Алжир. В этой стране сосредоточено 17% всех мировых запасов «солнечного» газа. Основной объём гелия извлекается из газа гигантского месторождения Хасси-Рмель (содержание гелия – 0,17%). Практически весь извлекаемый гелий идет во Францию, которая не столько потребляет благородный газ сама, сколько реэкспортирует его в другие страны. При этом объемы производства гелия в Алжире практически не растут, и к 2030 году не превысят 32 млн кубометров в год
 

«Звезда по имени Солнце»
 
В СССР гелий использовался, в основном, в космических технологиях, поэтому он был внесен в список продуктов стратегического назначения и информация о нем была засекречена. Единственный завод по производству гелия - Оренбургский гелиевый завод – создавался на базе Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. Запасы этого месторождения на данный момент истощены, а производство гелия на Оренбургском заводе не превышает 5 млн кубометров в год.

С запуском в эксплуатацию Чаяндинского и Ковыктинского месторождений газа в Восточной Сибири перед Россией открываются реальные перспективы стать новой звездой на мировом рынке «солнечного» газа. Содержание гелия в газе этих месторождений составляет от 0,2 до 0,8% мольн. С учетом объемов добычи природного газа на Чаянде и Ковыкте, объем извлечения гелия будет равен мировому уровню потребления, и составит порядка 180 млн кубометров в год.

«При любом прогнозном варианте более половины добытого с газом гелия, не будет востребовано мировым рынком в ближайшие годы. Но с учетом того, что второго шанса по открытию месторождений с высоким содержанием гелия в России может не быть, необходимо обеспечить сохранение этого ценного и уникального продукта», - отмечает Н.Кисленко.

Согласно технологическому решению, треть этого газа (60 млн кубометров в год) будет поставляться для дальнейшей переработки на Амурский газоперерабатывающий завод. В случае роста рыночной потребности завод может увеличить производство товарного гелия до 80 млн кубометров в год.

Остальные объемы в виде концентрата будут закачиваться в подземные хранилища в обособленных продуктивных пластах Чаяндинского месторождения. Такое хранилище сможет содержать свыше 5 млрд кубометров гелия в течение нескольких десятилетий. Это и позволит России долгое время оставаться мировым лидером производства благородного газа.
 

Революционная мембрана
 
Первая из трех очередей по производству гелия мощностью в 20 млн кубометров в год была запущена на Амурском ГПЗ в сентябре прошлого года. После вывода ГПЗ на полную производительность в 60 млн кубометров гелия, завод станет мировым лидером по производству «солнечного» газа. Произведенный в сентябре жидкий гелий был отгружен в страны азиатско-тихоокеанского региона через созданный крупнейший в мире гелиевый хаб. Изоконтейнеры, в которых перевозится жидкий гелий, позволяют поддерживать температуру до минус 269 градусов Цельсия, обеспечивающую сохранение гелия в жидком состоянии.

С учетом того, что на Амурском ГПЗ одновременно с гелием выделяется азот, было принято решение о применении традиционной криогенной технологии.

Между тем, газ Чаяндинского месторождения помимо гелия содержит высокий процент легких углеводородов С2+ , поэтому при получении гелиевого концентрата для хранения применяется уже принципиально иная – мембранная технология. Она менее капиталоемкая, более энергоэффективная и простая в эксплуатации. Мембранная установка дает возможность извлекать гелий в небольших объемах (менее 2% объема от исходного газа) в виде концентрата, то есть смеси гелия и метана. Одновременно эта технология позволяет получать целую гамму легких углеводородов, служащих сырьем для полимерной и химической продукции.

Принципом работы мембранных систем является разница в скорости проникновения компонентов газа через материал мембраны. Основной поток газа проходит мембрану байпасом практически без потерь давления. Целевые компоненты проходят через мембрану со значительными потерями давления. В данном случае потоком низкого давления является гелиевый концентрат, содержащий до 40% мольн. гелия в своем составе. В соответствии с разработанной технологией, доля гелиевого концентрата от объема сырьевого газа не превышает 2% При этом наличие примесей в виде углеводородов не оказывают негативного влияния на данный процесс. Гелиевый концентрат, выделенный с использованием 2-х ступенчатой схемы мембранного газоразделения, компримируется и направляется на закачку. Подготовленный газ, содержащий не более 0,05% мольн. гелия, смешивается с байпасным газом (не прошедшим через установку) и поступает на Амурский ГПЗ.

Первая экспериментальная мембранная установка по извлечению гелия была построена еще в 2013 году и проходила испытания на Ковыктинском газоконденсатном месторождении. Испытания были признаны успешными, и в марте 2020 года на Чаяндинском месторождении была введена в эксплуатацию уже первая промышленная мембранная установка. Она включает 2 ступени газоразделения и состоит из шести технологических линий, производительность каждой из которых достигает 5,32 млрд кубометров природного газа в год. Вывод мембранной установки на полную мощность ожидается в 2024г.

Установка мембранного выделения гелиевого концентрата является по-настоящему прорывной отечественной инновационной технологией, не имеющей аналогов в мировой практике. Успешное применение на Чаяндинском месторождении позволит масштабировать и расширить сферу ее применения на других месторождениях «Газпрома».

Но основная задача мембранной установки – превратить Россию в лидера по производству гелия именно тогда, когда «солнечный» газ будет наиболее востребованным.