Текущий выпуск
№3 2019
Главная|Журнал|№3 2019|Возобновляемые источники энергии на морских нефтедобывающих платформах
      

Возобновляемые источники энергии на морских нефтедобывающих платформах

Тимур Урусов, Аника Чебан

В жизни современного общества ведущая роль экономики принадлежит энергоресурсам – нефть и природный газ, которые добывают морские нефтяные платформы.

В настоящий момент установки снабжены типовым инженерным оборудованием. Исходя из этого, возможно применение возобновляемых источников энергии, которые улучшат морские буровые платформы.

В жизни современного общества ведущая роль экономики принадлежит энергоресурсам, особенно нефти и природному газу, ежедневный расход которых составляет: более 80 млн баррелей нефти и 7 млрд м3 природного газа. Запасы этих энергоресурсов снижаются, а находить новые месторождения нефти и газа становится все труднее. Отсюда, растет интерес к добыче углеводородного сырья со дна морей и океанов, несмотря на то, что процесс добычи здесь более трудоемкий и требующий использования специальных инженерных систем - морских буровых платформ.
Морские нефтедобывающие платформы делятся на два типа: стационарные и плавучие. В зависимости от климатических условий могут быть обычные и ледостойкие (рис. 1). Таким образом, возможна установка платформ во всех широтах планеты – как в северных, так и в южных. Это дает возможность добывать сырье в любом уголке Земли.

Обеспечение энергией нефтедобывающих морских платформ

В основном все морские буровые платформы снабжены типовым инженерным оборудованием. Энергопотребление проектируемых для арктического шельфа Дальнего Востока ледостойких платформ составляет [1]:
- 24 000 кВт электроэнергии и 12 500 кВт тепловой энергии (для платформ с буровым комплексом);
- 16 000 кВт электроэнергии и 9 500 кВт тепловой энергии (для платформ без бурового комплекса).

Основное обеспечение электроэнергией и теплом для всей нефтебуровой морской платформы выполняют газотурбогенераторные установки (ГТУ). На каждой платформе предусмотрены аварийные дизель-генераторы, обеспечивающие бесперебойное питание в случае аварии ГТУ, а также аккумуляторные блоки. Работу всех систем платформы обеспечивают две самые главные силовые установки приводом от газовых турбин.

Исходя из этого, внутреннее инженерное оборудование – типовое. С каждым годом его технико-эксплуатационные характеристики ухудшаются. Замена оборудования на новое требует дополнительных затрат, а во время ремонтных работ морская буровая платформа не функционирует и, следовательно, не происходит добычи углеводородного сырья. автоматизировать инженерное оборудование на морских нефтедобывающих платформах. Решением проблемы может стать использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые позволят платформе постоянно функционировать и стать самогенерирующими, и при этом не оказывать негативного воздействия на окружающую среду. На основе проведенных исследований наиболее оптимальные возобновляемые источники энергии – это энергия солнца, воды, воздуха и энергия физическо-химических процессов.

Фотоэлектрические панели

За последние тридцать лет развитие солнечной энергетики активно набирает обороты.
Неисчерпаемая и экологически безопасная солнечная энергия имеет постоянный спрос в южных регионах с большим количеством безоблачных дней. Здесь солнечная энергия, преобразованная в электричество и тепло, применяется не только для бытовых нужд пользования, но и для добычи углеводородного сырья.

В Германии инженеры построили экологически чистый и бесшумный корабль, обеспечиваемый энергией только от фотоэлектрических панелей общей площадью 537 м2 – Planet Solar Türanor. Корпус судна выполнен целиком из пластмасс, армированных углеродным волокном. На сегодняшний день он является самым первым и крупнейшим в мире судном, работающий на солнечной энергии (рис. 2).
Благодаря двум электродвигателям, которые получают энергию от фотогальванических панелей, судно двигается со средней скоростью 10 км/ч (максимальная скорость 26 км/ч). Вся поверхность корабля покрыта 825 модулями, содержащими около 38 000 фотоэлектрических батарей. Внутри судно разделено на 6 накопительных блоков, которые получают и аккумулируют энергию.
Применение такой технологии позволило команде из 6 человек совершить кругосветную экспедицию, используя только солнечную энергию.

Ветряные установки на воде

В 2005 году ученые из Стэнфордского университета провели исследования потенциального развития мировой ветроэнергетики. Результаты подтвердили, что ветер способен генерировать в семь раз больше электроэнергии.

London Array, мощостью 630 МВт – это одна из ветряных электростанций (ВЭС) на воде, построенная в открытом море (Юго-восток Великобритании). ВЭС состоит из 340 ветряных турбин, установленных в прибрежной полосе графств Кент и Эссекс на протяжении 20 км. Станция работает с июля 2013 года (рис. 3). Электростанция состоит из одной наземной и двух морских подстанций. Всего под водой протянуто более 400 км кабеля. В целом данная ВЭС занимает площадь около 100 км2 [2].
Проект London Array играет ключевую роль в программе правительства Великобритании по выполнению целей по защите окружающей среды и получению возобновляемой энергии.

Предварительные исследования показали, что автономный плавучий «ветряк» можно применять без дорогостоящих модификаций на любых глубоководных нефтегазовых разработках.

Энергия волн

Сила волн на поверхности морей и океанов, как и любая другая энергия, может использоваться для полезной работы. По мнению экспертов, волны Мирового океана могут удовлетворить от 20 % энергетических потребностей человечества.
Одна из известных установок, преобразующая энергию волн в электричество – волновая электростанция «Утка» Солтера, первая модель которой мощностью 10 кВт была испытана в 1978 году.

Данная электростанция состоит из поплавков, напоминающих форму утки. Поплавки между собой объединяются при помощи единого вала, а внутри них находятся преобразователи и другие инженерные системы. Энергия вырабатывается за счет колебания поплавков, которые вызывают волны. Генерируемая электроэнергия передается по подводному кабелю.
Электростанция Солтера мощностью 45 МВт расположена у западных берегов Британских островов и обеспечивает Великобританию электроэнергией, которую вырабатывают 20-30 поплавков диаметром 15 м. Общая длина такой станции – 1,2 км (рис. 4).

Использование подводных течений

В морях и океанах за счет постоянного перетока с одного места в другое холодной и теплой воды образуются подводные течения. Массы таких течений позволяют извлекать энергию мощностью около 1 кВт даже при скорости потока 1 м/с.
Во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами планируется установить подводную станцию – система «Кориолис», способную вырабатывать энергию за счет подводного течения. Система «Кориолис» представляет собой 242 турбины общей длиной около 60 км и шириной 30 км с двумя рабочими колесами, которые вращаются в разных направлениях. Колеса установлены внутри полой алюминиевой камеры, обеспечивающей плавучесть турбины (рис. 5). Полезная мощность каждой турбины составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) в энергии на 10 %.

Нидерландские инженеры разработали подводную стену «Parthenon», которую можно использовать для свайных нефтедобывающих платформ (рис. 6, а). Стена «Parthenon» не только производит энергию экологически чистым способом, но и выступает в роли защиты прибрежной зоны и местного порта от волнового воздействия. Установка состоит из большого количество колонн, что и напоминает греческий Парфенон в Афинах. Каждая колонна представляет собой турбину метрового диаметра, вращающуюся во все стороны из-за воздействий речных волн (рис. 6, б). Но такой проект еще не построен.

Ядерный реактор

В настоящее в России 17 % электроэнергии вырабатывается атомными электростанциями: эксплуатируется 10 АЭС (33 энергоблока). При этом в европейской части РФ доля атомной энергетики в общем энергобалансе региона составляет 30 %, а на Северо-Западе страны – почти 40 %. В основном применяются обычные реакторы разомкнутого цикла, которые работают на низкообогащённом уране. Поэтому они не полностью дожигают топливо, в результате чего происходит накопление радиоактивных отходов.
В 2018 году Россия запустила единственную в мире плавучую атомную электростанцию, длина которой составляет 1,5 футбольного поля (159 м), а высота - 9-этажный дом, и эксплуатационным сроком 40 лет. Работает АЭС как в умеренных, так и в суровых климатических условиях.

Благодаря повышенной прочности корпус может выдержать 7-метровые волны, а также ветер, дующий со скоростью 200 км/ч, и столкновение с айсбергом (рис. 7). В случае нештатной ситуации происходит автоматическое охлаждение реактора, обесточивание приводов и снижение давления, но проектом не предусмотрено надежное обеспечение аварийного расхолаживания реактора при полном обесточивании АЭС [3].

Плавучая АЭС включает двухреакторную энергоустановку, которая вырабатывает до 80 МВт электроэнергии, т. е. может обеспечить жизнедеятельность города населением около 100 тыс. чел. Кроме этого, станция выполняет функцию опреснительного сооружения, отвечая всем экологическим нормам и безопасности.

Подводя итог, можно утверждать, что наиболее оптимальные инженерные оборудования возобновляемых источников энергии, которые можно применить для нефтедобывающих морских платформ, следующие:

1. Фотоэлектрические панели (использовать на вертикальных конструкциях нефтедобывающей платформы);
2. Ветряные установки (использовать в объемно-планировочном решение нефтедобывающей платформы, а также рядом с платформой);
3. Ядерный реактор (возможно применять вместо турбогенератовров и дизельных двигателей);
4. Станции, вырабатывающие энергию за счет волн (такую станцию возможно использовать рядом с нефтяной платформой);
5. Станции, вырабатывающие энергию за счет подводного течения (на данный момент, использование такой технологии непосредственно вблизи нефтяной платформы, либо на опорном основании, применив конструкцию волновой электростанции – «Parthenon» (Нидерланды)).

Применение перечисленного автоматизированного инженерного оборудования позволяет практически в 2 раза сократить потребление дизельного топлива в период бурения скважин и попутного газа на собственные нужды в период добычи нефти. Обеспечить энергией как работу самой платформы, так и поселков или небольших городов, расположенных недалеко (50-100 км) от месторождений (рис. 9).
Более того, автоматизированное оборудование, которое находится в воде, как и нефтяные буровые платформы, эксплуатируется долго (30-40 лет). Поэтому ученые предложили не демонтировать его после срока эксплуатации, использовать как основу для создания искусственных рифов, где обитает большое количество разнообразных организмов.

Литература

1. Амирасланов З.А. Научные основы создания морских нефтегазпромысловых сталебетонных сооружений/ 3. А. Амирасланов. - М.: ООО «ЦентрЛитНефтеГаз», 2011. С.61
2. Установка турбин на London Array. [Электронный ресурс]: URL: http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/3263-london-array.html (дата обращения 3.03.2019)
3. Деятельность плавучей атомной электростанции. [Электронный ресурс]: URL: https://knowledge.allbest.ru/physics/3c0a65635a2bc69b4c43b89421306c37_0.html (дата обращения: 10.03.2019)
4. Булатов А.И., Проселков Ю.М. Морские нефтегазовые сооружения. – Краснодар: Просвещение – Юг, 2006.
5. Елистратов В.В. Энергетика возобновляемых источников в XXI: материалы Междунар. науч.- техн. семинара. – Сочи: РИО СГУТ и КД 2001. – С. 6-12.
6. Нестли Т.Ф., Стендиус Л., Йохансон. М. Дж., Абрахамсон А., Кьяер Ф.С. Снабжение электроэнергией газодобывающей платформы Troll. АББ Ревю 2003. С. 15-20.
7. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат. 1990.
8. Laird, B., Holm, M., Hauge, F. (May 2007). Electrification of offshore platforms. Bellona Foundation report
9. Деятельность плавучей атомной электростанции. [Электронный ресурс]: URL: https://knowledge.allbest.ru/physics/3c0a65635a2bc69b4c43b89421306c37_0.html (дата обращения: 10.03.2019)
10. Исследование воздействия работы ветрогенераторов. Воздействие на живую природу. [Электронный ресурс]: URL: http://vetrodvig.ru/issledovanie-vozdejjstviya-raboty-vetrogeneratorov-vozdejjstvie-na-zhivuyu-prirodu/ (дата обращения: 20.02.2019)
11. Нефтяные платформы могут быть полезны для морских животных. [Электронный ресурс]: URL: https://indicator.ru/news/2018/07/09/neftyanye-platformy-polezny/ (дата обращения: 5.02.2019)
12. Самое большое в мире судно на солнечных батареях. [Электронный ресурс]: URL: https://masterok.livejournal.com/1350530.html (дата обращения 24.02.2019)
13. Типы волновых электростанций: плюсы и минусы. [Электронный ресурс]: URL: https://altenergiya.ru/gidro/tipy-volnovyx-elektrostancij.html (дата обращения 7.03.2019)
14. Установка турбин на London Array. [Электронный ресурс]: URL: https://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/3263-london-array.html (дата обращения: 13.03.2019)
15. Энергию волн будет собирать подводный «Парфенон». [Электронный ресурс]: URL: https://ecotechnica.com.ua/energy/voda/505-energiyu-voln-budet-sobirat-podvodnyj-parfenon.html (дата обращения 16.03.2019)
16. ЭНЕРГИЯ МОРСКИХ ТЕЧЕНИЙ. [Электронный ресурс]: URL: https://studbooks.net/72974/ekologiya/energiya_morskih_techeniy (дата обращения 7.03.2019)
17. Энергия течений, использование энергии течений. [Электронный ресурс]: URL: http://infinite-energy.ru/energiya-techeniy (дата обращения: 7.03.2019)

1 1 баррель равен 158,888 л.

Полная версия статьи с рисунками в журнале "Здания Высоких Технологий" №2 2019

Чтобы проголосовать за статью, напишите комментарий и сделайте репост в социальных сетях.

Голосование продлится до 7 октября.

Подведение итогов 7- 12 октября.

Награждение победителей 23-25 октября во время конференции «Умные технологии Москвы - энергоэффективного города».


морские буровые платформы, инжен