Углеводороды

В начале XX века нефть в значительных количествах добывали немногие страны, и она обеспечивала только 3 % от всей энергии, даваемой ископаемым топливом. К 1950 году доля выросла до 21 %, энергетический вклад сырой нефти превзошел вклад угля к 1964 году и достиг пика в 1972-м, когда составил 46 % от всего ископаемого топлива. Два распространенных мнения – что XX век был временем доминирования нефти, а девятнадцатый временем доминирования угля – оба ошибочны. Дерево было самым важным топливом до 1900 года и, если взять XX век в целом, то он в большей степени определялся углем (Smil 2010а). Мои лучшие расчеты показывают, что уголь примерно на 15 % опережает нефть (приблизительно 5,2 ИДж против 4 ИДж) и даже если включить неэнергетическое использование нефтепродуктов (смазки, дорожные материалы), то уголь все равно будет впереди жидких углеводородов. В лучшем случае, если учесть сущностную неопределенность при превращении извлеченной массы в эквивалент общей энергии, то кумулятивное производство двух типов топлива в XX веке окажется примерно одинаковым.

Но жидкое топливо, полученное очищением нефти, превосходит все виды угля, и в то время как угольный рынок XX века (как только что было показано) постепенно сократился до двух больших секторов, генерации электричества и кокса, рынок жидких углеводородов постоянно расширялся, и там, где они вытесняли другое топливо, и с появлением новых секторов потребления. Главные замены – это переход от угля к нефтепродуктам в морском транспорте (начался перед Первой мировой войной, ускорился в 1920-х годах), и в наземном транспорте (начался в 1920-х); так же от угля к нефтепродуктам (а затем к природному газу) в промышленном и домашнем отоплении, и от угля к жидким и газообразным углеводородам как базе для синтетической химии (после Второй мировой войны).

Первый новый большой рынок возник с появлением удобных автомобилей, начался этот процесс перед Первой мировой с «Модели Т» Форда, и быстро ускорился после Второй мировой войны. Второй – с появлением реактивных двигателей в 1950-х годах, инновации, которая превратила авиацию в масштабную индустрию (Smil 2010b). Нефтяная промышленность смогла справиться с растущим спросом, поскольку использовала множество технических достижений буквально в каждом аспекте своего существования. Список основных улучшений XX века в этой области содержит более дюжины пунктов (Smil 2008а).

Его нужно начать с прогресса в методах геофизической разведки: они включают идею измерения электрической проводимости (1912), диаграммы каротажа сопротивления скважин (1927) для идентификации углеводородсодержащих поверхностных слоев, потенциал собственной поляризации (1931) и индукционный каротаж (1949), предложенные Конрадом Шлюмберже (1878–1936) и его родственниками, и впоследствии усовершенствованные нефте- и газодобытчиками (Smil 2006). К инновациям в методах добычи необходимо в первую очередь отнести повсеместное распространение вращательного бурения (первый раз использовалось на нефтяном фонтане Спиндлтоп около Бомона, Техас, в 1901 году, см. рис. 5.7), затем внедрение шарошечной буровой головки Говардом Хьюзом (1905–1976) в 1909 году, изобретение трехшарошечного конического долота в 1933-м, и улучшения в наблюдении и регулировании потока нефти и предотвращении прорывов на скважинах. Рост использования вторичных и третичных методов добычи (применение воды и других жидкостей или газов, чтобы выдавить больше нефти на поверхность) продлевал сроки эксплуатации скважин и увеличивал традиционно очень низкую производительность (добывалось обычно всего лишь 30 % пластовой нефти).

Все большее значение в добыче нефти приобретали скважины на территории шельфа. Бурение с пирсов было распространено в Калифорнии к 1900 году, но первая скважина за пределами вида с берега появилась в 1947-м в водах штата Луизиана. Морские буровые установки (большей частью наполовину подводные) работают на глубинах более 2000 м. Платформы, смонтированные на главных шельфовых полях, относятся к числу наиболее массивных сооружений. И самые недавние достижения в продуктивности случились благодаря росту экстракции из нетрадиционных источников сырой нефти, включая высоковязкую нефть (во многих местах по всему миру), нефть, содержащуюся в битуминозных песках (Альберта, Венесуэла), и добыче сланцевой нефти с помощью гидравлических разрывов. Данная техника, впервые освоенная в США, оказалась столь успешной, что страна вновь стала одним из крупнейших в мире производителей сырой нефти и нефтепродуктов. Если рассматривать только сырую нефть, то Саудовская Аравия все еще немного впереди (на 2015 год), она производит 568,5 Мт против 567,2 Мт в США.

Система транспортировки сырой нефти претерпела трансформацию благодаря появлению бесшовных стальных труб, из которых состоят магистральные трубопроводы, способные пересекать континенты. Именно они являются самым безопасным, надежным, чистым и компактным способом транспортировки топлива по суше. Американские линии, переносящие нефть из Мексиканского залива на Восточное побережье, были построены во время Второй мировой войны, но их превзошли созданные в 1970-х годах структуры, призванные доставить нефть из

Западной Сибири в Европу. Нефтепровод Усть-Балык – Курган – Альметьевск (диаметр 120 сантиметров, длина 2120 километров) доставляет в год 90 Мт нефти из супергигантского Самотлорского нефтяного месторождения в европейскую часть России, а затем еще 2500 километров ветвящихся линий гонят жидкое топливо на европейские рынки, дотягиваясь до Германии и Италии. Послевоенный спрос на импортную нефть в Европе и Японии привел к быстрому росту размеров нефтяных танкеров (RatclifFe 1985). В результате нефть стала доступна повсюду, и расстояние между местом добычи и точкой потребления сделалось далеко не самым важным экономическим параметром (ежегодная торговля сырой нефтью на межконтинентальном уровне превосходит 2 Гт; примечание 5.13).

Примечание 5.13. Гигантские нефтяные танкеры

Первый танкер, построенный в Британии немецкий GIQckauf, спущенный на воду в 1886 году, мог перевозить только 2300 тонн нефти (Tyne Built Ships 2015). Последующий рост добычи привел к появлению кораблей водоизмещением 20 тысяч тонн к началу 1920-х годов. Во время войны наиболее широко используемые американские танкеры (Т-2) имели водоизмещение в 16 500 тонн, быстрый рост объемов начался только после возникновения глобальной торговли нефтью (поставки в Европу и Японию) в конце 1950-х. Universe Apollo был первым судном с водоизмещением в 100 тысяч тонн (1959); в 1966 году Idemitsu Маги достиг 210 тысяч тонн, и когда ОПЕК подняла цены в пять раз в 1973 году, самый большой корабль мог везти более 300 тысяч тонн (Kumar 2004).

Постройка корабля, способного перевезти миллион тонн, была технически осуществимой, но непрактичной по многим причинам: размер и осадка ограничивали количество возможных маршрутов и портов назначения, например, такие корабли не могли бы ходить через Суэцкий и Панамский каналы, им требовалось большое расстояние для остановки, их было очень дорого страховать, и они становились причиной катастрофических разливов нефти, например Amoco Cadiz (Франция 1978), Castillo de Belver (Южная Африка 1983) и Exxon Valdez (Аляска 1989). Крупнейший в мире танкер Seawise Giant сошел со стапелей в 1979 году (водоизмещение 564 763 тонны), получил повреждения во время ирано-иракской войны, снова вышел в море как Jahre Viking (почти 459 метров длиной, 1991–2004), затем под именем Knock Nevis использовался как плавающий склад и наливная станция в Катаре (2004–2009), потом был продан индийским разрушителям кораблей и назван Mont для последнего путешествия в порт Аланг в Гуджарате (Konrad 2010).

Единственным важным достижением в очищении нефти стал каталитический крекинг. Термальный крекинг был нормой до 1936 года, когда Эжен Одри (1892–1962) начал производить высокооктановый бензин, главное топливо для автомобилей, на Sun Oil’s Pennsylvania refinery, где смонтировал первую установку для каталитического крекинга. Она дала возможность получать большую долю более ценных (легких) нефтепродуктов (бензин, керосин) из средних и тяжелых компонентов. Вскоре после этого подвижные катализаторы научились восстанавливать, не прекращая производства. Еще более высокий уровень производства высокооктанового бензина стал возможным с появлением порошкового, переносимого по воздуху катализатора (Smil 2006). На протяжении 1950-х годов жидкий каталитический крекинг был дополнен гидрокрекингом при сравнительно высоком давлении, и эти две технологии до сих пор обеспечивают большую часть производства. Для очищения также важен процесс десульфуризации жидкого топлива, который делает даже столь легендарно загрязняющее топливо как дизель приемлемым для личных автомобилей, где требуется низкий уровень выбросов (CDFA 2015).

Последствия у всех этих процессов оказались следующие.

Во-первых, глобальное производство нефти выросло, грубо, в 200 раз на протяжении XX века; к 2015 году оно было (свыше 4,3 Гт) на 20 % больше, чем в 2000-м, и с 1964 года, когда по содержанию энергии нефть обошла уголь, она стала самым популярным в мире топливом. Во-вторых, нефть сейчас добывают на всех континентах и морских скважинах в каждом океане за исключением арктических морей и Антарктики, из залежей на 7 км ниже уровня земли, а месторождение Тупи в Бразилии находится не только на дне океана в 2,1 км от поверхности, но еще и на 5 км подо дном. В-третьих, нефть – максимально ценный ресурс, торговля которым ведется в таком масштабе: в 2001 году (приняв среднюю цену 93$ за баррель техасской нефти среднего качества) годовая добыча стоила порядка 3 триллионов долларов, в 2015-м (цены упали примерно до 49$ за баррель) она стоила около 1,6 триллиона (ВР 2016).

Хотя добыча нефти широко распространена, крупнейшие нефтяные поля обнаружили на суше, в районе Персидского залива между 1927-м (Киркук в Ираке) и 1958 годами (Ахваз в Иране). Аль-Гавар, крупнейшее в мире нефтяное месторождение на востоке Саудовской Аравии, начало давать нефть с 1951 года, второе по размеру поле, Большой Бурган в Кувейте, находится в разработке с 1946-го (Smil 2015b; рис. 5.14). Ничто не в силах изменить этот фундаментальный факт: в 2015 году почти половина известных запасов конвенциональной (жидкой) нефти находилось в этом регионе, который, к сожалению, является постоянным источником сложных конфликтов и хронической политической нестабильности (ВР 2016).

На протяжении десятилетий природный газ вносил меньший вклад в поступление энергии: в 1900 году он давал всего 1 % от энергии ископаемого топлива, и к 1950-му его доля была около 10 %. Однако впоследствии три важных тенденции спроса подняли его глобальную долю до почти 29 % от всех ископаемых энергий к 2000 году, и двадцатый век увидел 375-кратный рост в объеме энергии, получаемой в год от самого чистого вида ископаемого топлива (Smil 2010а). Сравнительно маленький, но очень важный рынок возник при использовании газа как сырья и топлива при синтезе аммиака – самого важного азотного удобрения, в настоящее время из него обычно производят твердую мочевину (Smil 2001; IFIA 2015) – и для производства пластика.

Рисунок 5.14. Супергигантские и гигантские нефтяные месторождения Среднего Востока. В 2015 году регион содержал не менее 45 % мировых запасов сырой нефти (ВР 2015)

Крупнейший из новых глобальных рынков возник в ответ на возросший уровень загрязнения воздуха в большинстве западных городов во время ускоренной индустриализации после Второй мировой войны. Замена угля газом в промышленном и домашнем отоплении (и приготовлении пищи) устранила выбросы твердых частиц и уменьшила выбросы SO₂ (нетрудно удалить серные компоненты из газа перед сжиганием). Города в быстро модернизирующихся странах Латинской Америки и Азии последовали за трендом, хотя многие из них, включая Токио и другие японские городские агломерации, Сеул, Гуанчжоу, Шанхай и Мумбай должны были делать это с помощью экспортного сжиженного природного газа (СПГ). И самый последний процесс, подхлестнувший использование газа, появился в энергетике, где для эффективной генерации электричества начали применять газовые турбины, а затем еще более эффективные турбины смешанного цикла (см. следующий раздел). Развитие технологии гидравлического разрыва после 2005 года не только остановило упадок добычи природного газа в США, но и вернуло страну в число ведущих мировых производителей.

Транспортировка природного газа по трубопроводам неизбежно обходится дороже, чем перекачка жидкостей, и длинные системы становятся экономически оправданными только при использовании стальных труб большого диаметра (до 2,4 м) и эффективных газотурбинных компрессоров (Smil 2015а). США и Канада пользуются интегрированной системой газпроводов с 1960-х годов, но самая протяженная национальная сеть возникла в Европе в конце 1960-х. Самые длинные линии – 4451 км от Уренгоя до станции Ужгород на границе Украины и Словакии, и 4190 км от Ямала до Германии – доставляют сибирский газ в Центральную и Восточную Европу, где соединяются с поставками из Нидерландов, Северного моря и Северной Африки.

Перевозка СПГ по морю, начавшаяся в 1960-х годах, обходилась очень дорого, и в последующие три десятилетия этот способ торговли использовали только страны Восточной Азии (Япония, Тайвань, Южная Корея), не имевшие своих запасов газа. Открытие новых запасов и постройка более крупных танкеров для СПГ привели к сравнительно быстрому расширению этой торговли, и к 2015 году почти треть экспортируемого газа перевозилась танкерами (ВР 2016). Япония по-прежнему является крупнейшим импортером, но в ближайшее время Китай станет самым важным потребителем. США, традиционно импортировавшие газ по трубам из Канады, построили множество установок по производству СПГ, надеясь стать ведущим экспортером, возможно, даже конкурентом Катара, маленькой богатой страны, продающей СПГ из крупнейшего в мире газового месторождения в Персидском заливе (Smil 2015а).