Сжиженный природный газ (СПГ) — это природный газ, охлажденный до жидкого состояния при температуре около -160 градусов Цельсия для транспортировки и хранения. Объем природного газа в жидком состоянии примерно в 600 раз меньше его объема в газообразном состоянии [1]. Этот процесс позволяет транспортировать природный газ туда, куда не доходят трубопроводы. Сжижение природного газа — это способ транспортировки природного газа на большие расстояния, когда транспортировка по трубопроводу невозможна. Данный процесс был впервые открыт в 1820 году британским ученым Майклом Фарадеем, который успешно охладил природный газ, чтобы превратить его в сжиженную форму. Около 100 лет спустя в Западной Вирджинии был построен первый завод по производству СПГ. Первый проект завода СПГ в России появился в 1945-1947 гг., когда остро стал вопрос о регулировании суточной неравномерности потребления газа из газопровода Саратов-Москва.

На данный момент Российская Федерация является вторым по величине производителем природного газа в мире после США и обладает крупнейшими в мире запасами газа. Россия является крупнейшим в мире экспортером газа. В 2021 году РФ произвела 762 млрд кубометров природного газа и экспортировала по трубопроводу около 210 млрд кубометров. «Газпром» и «Новатэк» являются основными производителями газа в России, но многие российские нефтяные компании, в том числе «Роснефть», также эксплуатируют объекты по добыче газа.

Кроме того, Россия расширяет свои мощности по производству СПГ, чтобы конкурировать с растущим экспортом из США, Австралии и Катара. В 2021 году правительство опубликовало долгосрочный план развития СПГ, предусматривающий экспорт СПГ на уровне 110–190 млрд кубометров в год к 2025 году. В 2021 году Россия экспортировала 40 млрд кубометров СПГ, что сделало ее четвертым крупнейшим экспортером СПГ в мире и обеспечило примерно 8% мировых поставок сжиженного природного газа. Производство СПГ за 2022 год составило 21,6 млн тонн, что на 13,5% больше, чем в 2021 году [2].

В связи с событиями, происходящими в мире, ожидается, что мировой спрос на природный газ останется невысоким до 2025 года. Стремительное желание Европы к применению сжиженного природного газа с целью поэтапного отказа от поставок по трубопроводам из России и ограниченное расширение глобальных экспортных мощностей по производству СПГ повышают риск продолжительной напряженности на рынках [3].

В «компактной» жидкой форме природный газ может доставляться в специальных танкерах на терминалы по всему миру. На этих терминалах СПГ возвращается в газообразное состояние и транспортируется по трубопроводам к распределительным компаниям, промышленным потребителям и электростанциям.

Для создания СПГ природный газ должен пройти несколько стадий переработки на заводах по производству сжиженного природного газа.

Первым шагом является очистка природного газа на заводе по сжижению. Природный газ чаще всего состоит из метана, однако он может включать другие соединения и газы, такие как бутан, пропан, CO₂ и даже нефть и воду. Чтобы природный газ всегда соответствовал высоким стандартам, составляющим около 85-99% метана, и его можно было безопасно использовать и транспортировать, его необходимо очищать.

Существует ряд процессов, используемых для удаления различных загрязняющих газов, которые могут присутствовать в исходном сырьевом газе (природном газе). Однако не все удаляемые газы и соединения тратятся впустую. Ненужные пропан и бутан можно удалить, а затем восстановить и переработать для создания пригодных для использования продуктов

Следующим этапом является сжижение очищенного газа. Процесс охлаждения газа подобен тому, который используется в холодильниках. Отдельный газообразный хладагент сжимается, охлаждается и конденсируется. Этот газ обычно является одним из газов процесса очистки, который рекуперируется и используется повторно. После конденсации газа давление снижается, что приводит к падению температуры за счет эффекта Джоуля-Томсона. Затем этот охлажденный газ используется для охлаждения исходного газа до температуры, необходимой для сжижения тяжелого газа метана, около -160 градусов Цельсия.

СПГ намного плотнее природного газа и занимает 1/600 часть объема. Это позволяет транспортировать большие объемы цистернами, а не по трубопроводам [4]. Однако, чтобы СПГ оставался жидким, любое транспортное средство должно быть соответствующим образом оборудовано для поддержания низкой температуры. Для использования СПГ, его необходимо повторно нагреть, чтобы вернуть в газообразную форму, этот процесс называется регазификацией.

В настоящее время существует множество видов заводов по сжижению природного газа. Одним из основных критериев классификации заводов СПГ является производительность по жидкому газу [5]:

1. Малотоннажные заводы по СПГ — до 1 млн т СПГ в год;
2. Среднетоннажные заводы по СПГ — от 1 до 2 млн т СПГ в год;
3. Крупнотоннажные заводы по СПГ — более 2 млн т СПГ в год.

В России крупнотоннажный СПГ производят заводы «Сахалинская Энергия», «Ямал СПГ», также СПГ производят среднетоннажный завод на компрессорной станции «Портовая». Среднетоннажное производство СПГ дает возможность гибко подстраиваться под рыночный спрос, не создавая избыточных мощностей, и в наибольшей мере отвечает современным рыночным реалиям, обеспечивая относительно короткий период в   ёозврата инвестиций.

Для сжижения газа необходимо охладить его до низких температур. В настоящее время для получения весьма низких температур для сжижения природного газа применяют циклы глубокого охлаждения: дроссельный; детандерный; азотный [6]. Также для сжижения газов и выделения определенных газов из смесей используют каскадный цикл; этот цикл является одним из самых эффективных, но, в то же время, он имеет самую сложную конструкцию и требует наличия нескольких хладагентов, что уменьшает его экономичность.

Основой дроссельного цикла является дросселирование-расширение газа без совершения работы. Этот метод сжижения газа также называется метод Линде. Схема данного цикла и его изображение на Т−S – диаграмме показаны на рисунке 1. Газ при температуре, близкой к окружающей среде, и низком давлении поступает в компрессор КМ, где его давление повышается, затем охлаждается в охладителе ОХ до первоначальной температуры. На Т−S – диаграмме процесс 1−2 сжатия и охлаждения газа показан условно как изотермический. Далее через регенеративный теплообменник РТ газ подается к дроссельному вентилю ДВ. В первый момент пуска сжатый газ дросселируется в ДВ, и его температура снижается. Охлажденный газ через испаритель И, тепло к которому еще не подводится, поступает в регенеративный теплообменник, в котором нагревается, охлаждая следующую порцию газа. Газ с этой температурой также используется для охлаждения сжатого газа перед ДВ, тогда после дросселирования достигается более низкая температура и т.д.  Через некоторое время газ охлаждается настолько, что дросселирование будет заканчиваться в области влажного пара.

Рисунок 1. Цикл Линде: а − схема цикла; б − Т−S–диаграмма цикла [7]

Холодопроизводительность цикла Линде характеризуется параметром — изотермический эффект дросселирования, который равен разности энтальпий между газом высокого и низкого давления при одинаковой температуре. Преимущество цикла Линде – простота, недостаток – неэкономичность. Если использовать цикл Линде с циркуляцией, то такой цикл будет более экономичным.

Основа детандерного цикла – адиабатическое расширение газа с отдачей внешней работы. Также метод сжижения называют циклом Клода. Схема и изображение процессов на Т−S–диаграмме метода Клода приведены на рисунке 2. Сжатый газ после компрессора КМ и охладителя ОХ поступает в предварительный теплообменник ПТ, где охлаждается обратным потоком расширенного газа, после чего газ разделяется на два потока. Часть газа (1– М) проходит через промежуточный теплообменник ПмТ, основной РТ и после охлаждения дросселируется. Полученная после дросселирования доля жидкости выводится из отделителя жидкости ОЖ. Отвод некоторой части М прямого потока в детандер ДТ позволяет охладить оставшееся (1−М) количество сжатого газа в теплообменниках ПмТ и РТ до более низких температур, чем в квазицикле Линде. Это приводит к уменьшению разности температур в этих теплообменниках.

Рисунок 2. Цикл Клода: а − схема цикла; б − Т−S–диаграмма цикла [7]

На практике находят применение также другие схемы квазициклов ожижения газов с внутренним охлаждением в СПО посредством детандера, например, установка Капицы.

Выбор схемы сжижения природного газа зависит от ряда параметров, таких как: состав, температура, давление газа, наличие и концентрация примесей, производительность установки, требования к составу СПГ. Цикл Линде с однократным дросселированием отличается своей относительной простотой, но подходит только для установок небольшой производительности по жидкому газу. Цикл Линде с предварительным охлаждением, цикл Линде с циркуляцией, и комбинация этих циклов более применимы для установок большой производительности, но целесообразнее использовать установки Клода, так как они более экономичны и имеют более простую конструкцию. Детандерный цикл ожижения среднего давления сочетает в себе относительную простоту конструкции по сравнению с азотным циклом и большую производительность по СПГ по сравнению с циклом Линде.

В соответствии с рисунком 3 существует несколько направлений использования СПГ. Сжиженный природный газ может быть использован для генерации электроэнергии в газотурбинных установках, а также для работы парогазовых установок, что позволит диверсифицировать источники энергоснабжения и снизить зависимость от угля и нефти. Также СПГ может быть использован для обеспечения теплоснабжения в жилых и промышленных комплексах. Это особенно актуально для удаленных районов, где нет доступа к газопроводной инфраструктуре.

Практическое применение сжиженного природного газа возможно в качестве топлива для автомобилей и железнодорожного транспорта. Данный вид топлива позволит снизить выбросы вредных веществ и улучшить экологическую обстановку в городах. Кроме того, СПГ может быть использован в процессах химического производства, таких как производство удобрений, пластмасс и других химических продуктов [8].

Рисунок 3. Сферы применения СПГ [9]

СПГ имеет ряд коммерческих, экологических и энергетических преимуществ перед традиционными видами топлива при применении как в качестве моторного топлива, так и топлива энергоустановок. СПГ является одним из самых чистых видов топлива, сравнимым с энергией, получаемой из возобновляемых источников. Он содержит меньшее количество вредных выбросов, таких как диоксид углерода и оксиды азота, что способствует снижению загрязнения окружающей среды и улучшению качества воздуха. СПГ является негорючим и не взрывоопасным материалом в жидком состоянии, что делает его более безопасным для хранения и транспортировки по сравнению с другими видами топлива [10]. Также одним из основных преимуществ сжиженного природного газа является его высокая энергетическая плотность.

Практическое применение сжиженного природного газа имеет огромный потенциал для устойчивого развития и снижения вредного влияния на окружающую среду. Производство СПГ является сложным и технологически продвинутым процессом, который требует специализированных установок и оборудования. Он представляет значительный потенциал для обеспечения энергетической безопасности, снижения выбросов вредных веществ и диверсификации источников энергоснабжения. Производство СПГ может стать способом для уравновешивания экспорта природного газа в разных направлениях, изменения структуры экспорта и открытия новых рынков для Китая в обход третьих стран.

Современные тенденции на мировом рынке природного газа требуют развития отечественной отрасли СПГ. Высокое качество, чистота и соответствие всем требованиям, связанным с экологической чистотой продуктов на рынке энергосырья, а также отсутствие ограничений при транспортировке, характерных для обычного газа, способствуют росту интереса именно к этому виду топлива.