Новая энергетика

От мега - к гигапроектам

Новости - Современные зарубежные разработки

Наиболее напряженной проблемой на энергетическом рынке является обеспечение энергией промышленных технологических процессов. Именно поэтому взвешенной диверсификации этого сектора уделяется повышенное внимание во всех крупных странах мира

Общую стратегическую линию определяет деятельность ведущих стран в области энерго-экологической безопасности в соответствии с принятым на Саммите-2005 в Глениглсе и подтвержденным на Саммите-2006 в Санкт-Петербурге Планом действий Группы восьми . Намечаемое в Российской Федерации ускоренное технологическое обновление энергетической отрасли обязывает, как отметил Президент России В.В.Путин в Послании Федеральному Собранию, прицельно работать на перспективных направлениях энергетики - водородном и термоядерном .

Предшествующий российский опыт (работы по программе атомно-водородной энергетики) и нынешние мировые тенденции разработки инновационной ядерной энергетики (Генерация-4, NPNG) дают основание утверждать, что решение этой проблемы лежит на пути создания новой технологической платформы использования высокотемпературных газовых реакторов как для повышения эффективности генерации электроэнергии, так и для неэлектрического применения атомной энергии, в том числе для производства водорода из воды. Доля этого нового сегмента рынка атомной энергетики не уступает по масштабу электроэнергетическому применению и может составить по крайней мере 50-100 энергокомплексов по 2,5 ГВт (тепл.) к 2050 году с производством 25-50 млн. тонн водорода для России и внешнего рынка.

Уникальная способность этих реакторов вырабатывать тепло с температурой до 950-1000°С открывает возможности производства водорода из воды и электроэнергии с высокой эффективностью и тем самым создать основу технологически чистой водородной энергетики, обеспечить замещение органического топлива на транспорте и в энергоемких отраслях промышленности.

Энерготехнологическое применение высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов требует развития ряда инновационных технологий:

- технологии высокотемпературного реактора с системой преобразования энергии в прямом газотурбинном цикле, системы транспорта высокотемпературного тепла в технологическую часть для производства водорода;

- технологии производства водорода из воды.

Росcия, имеющая опыт реализации важнейших для страны и ее безопасности крупномасштабных проектов, должна в международной кооперации занять достойное место по достижению практических результатов по развитию водородной экономики, что потребует организации совместных скоординированных усилий институтов, КБ и промышленных предприятий по реализации наиболее эффективных технологических решений. Это приведет к становлению нового динамичного бизнес-сектора, основанного на высокотехнологичной платформе систем по преобразованию и хранению энергии с помощью водородного энергоносителя. Такой подход полностью соответствует намеченной стратегии изменения энергетического базиса и повышения глобальной энергетической безопасности.

Работы по использованию высокотемпературных реакторов для водородной энергетики разворачиваются в технологически развитых странах, в том числе:

- США выделили 1,2 млрд. долларов на разработку демонстрационного блока и определили потребность в 200 атомных станциях для производства водорода из воды;

- Южная Корея запланировала 1 млрд. долларов для создания демонстрационного блока для производства водорода из воды и планирует к 2030 году обеспечить до 20% нужд в топливе автомобильного транспорта страны водородом, полученным с использованием энергии ВТГР.

Аналогичные технологии и проекты развиваются интенсивно в Японии, Франции, ЮАР, Китае в рамках государственного финансирования.

В 60х годах прошлого века в нашей стране Минсредмашем была инициирована программа по атомно-водородной энергетике, при реализации которой был разработан ряд проектов высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР), нацеленных в основном для обеспечения теплом с температурой до 950°С существующих и перспективных технологических процессов по производству синтетического топлива из угля, водорода, аммиака и удобрений, переработке продуктов нефти, интенсификации добычи нефти и централизованного дальнего теплоснабжения и т.д. Разработка проектов ВТГР сопровождалась созданием мощной экспериментальной и технологической базы для комплексных испытаний и отработки оборудования.

В настоящее время российскими институтами и КБ разрабатывается проект высокотемпературного модульного гелиевого реактора с газовой турбиной ГТ-МГР в международной кооперации с участием фирм США и других стран. При разработке проекта ГТ-МГР активно используется задел, созданный в 70х годах в рамках программы по атомно-водородной энергетике. Работы по ГТ-МГР финансируются на паритетной основе Росатомом и DОЕ/NNSA (США).

В связи с работами по использованию высокотемпературных реакторов для водородной энергетики зарубежные разработчики заинтересованы в сотрудничестве с российскими предприятиями по высокотемпературным и водородным технологиям, поскольку такое сотрудничество снижает технический и финансовый риски разработок.

Производство водорода

По данным на конец прошлого века, в странах с развитой экономикой 77% водорода получали из природного газа и нефтепродуктов, 18% - из угля, 4% - из воды и 1% - из прочего сырья.

Последние двадцать лет новейшие разработки в области получения водорода были направлены, главным образом, на поиск более эффективных, чем традиционный электролиз, технологий производства водорода из воды, которая в долгосрочной перспективе может оказаться основным сырьевым ресурсом для получения водорода с помощью ядерной и нетрадиционных возобновляемых видов энергии.

Паровая конверсия метана. В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется в мире путем паровой конверсии природного газа - метана (ПКМ), и такие технологии получения водорода в ближайшем будущем останутся основными.

Если производить водород в необходимых количествах по технологии ПКМ, то уже к 2025 году для производства 200 млн. тонн водорода потребовалось бы 1200 млрд. куб. м природного газа, то есть примерно половина его сегодняшнего мирового производства, что вызвало бы неприемлемую нагрузку в напряженном балансе газа. Выход заключается в применении высокотемпературных реакторов как источников энергии для производства водорода, что при их внедрении на первом этапе в технологию ПКМ позволит почти вдвое сократить расход газа, а в дальнейшем, переходя на разложение воды, полностью отказаться от углеводородов для выпуска водорода.

При создании реакторов типа ВТГР увеличение температуры теплоносителя на выходе из активной зоны с 850°С (проект ГТ-МГР) до 1000°С является сложной проблемой для выбора материала металлических конструкций транспорта тепла, но в то же время не создает принципиальных проблем для графита и керамического топлива реактора.

Рост цен на углеводороды, сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулирует разработку и применение промышленных процессов с использованием воды в качестве исходного сырья для производства водорода, что потребует подвода тепла при более высоких температурах по сравнению с освоенными ранее.

Высокотемпературный электролиз (ВТЭ) - это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара, делая процесс более эффективным. Эффективность метода ВТЭ зависит от цены электроэнергии и температуры потребляемого тепла. Электролизу подвергается пар с параметрами 3 МПа и 800°С. Удельный расход электричества, которое составляет большую часть потребляемой энергии, равняется 2,5 кВт.ч/нм3. При этом массовое соотношение потребляемого пара и производимого водорода составляет 9:1.

При производстве водорода с применением ВТЭ гелий, нагретый в реакторе до 900°С, передает высокотемпературное тепло через высокотемпературный теплообменник к пару, перегревая его до 800°С.Часть тепла с более низкой температурой преобразуется затем в электрическую энергию в электрогенерирующем блоке преобразования энергии с газотурбинным или паротурбинным циклом.

Из разработанных и рассматриваемых на перспективу методов получения водорода с помощью ядерных реакторов термохимические (включая ПКМ) и высокотемпературные электрохимические технологии обеспечивают эффективность на уровне не ниже 50%. Среди них ПКМ дает существенно более высокие показатели.

Предварительные технико-экономические оценки по производству водорода с использованием ВТГР показывают, что метод паровой конверсии метана конкурентоспособен с обычными технологиями при сегодняшних мировых ценах природного газа и без учета потенциальной составляющей налогов на выбросы CО2. При более высоких ценах природного газа (рост более чем в 3 раза) в будущем конкурентоспособными и наиболее экономичными могут стать высокотемпературный электролиз и термохимические процессы типа серно-йодного (СИ).

Реализация таких технологий возможна только при создании адекватного по температурным возможностям ядерного реактора с температурой нагрева теплоносителя свыше 850°С.Из предлагаемых по программе INPRO или G-4 инновационных проектов только реакторы с гелиевым теплоносителем (тепловые и быстрые) способны обеспечить столь высокую температуру. Проводимые в настоящее время работы по атомному энерготехнологическому комплексу с модульным гелиевым реактором для производства водорода (МГР-Т) направлены на разработку технических решений стыковки ядерной энергоустановки типа ВТГР мощностью 600 МВт-тепл. с прямым газотурбинным циклом и термохимического производства водорода по технологии ПКМ или ВТЭ. На рисунке 1 показан общий вид проектируемого реакторного модуля атомной энерготехнологической станции (АЭТС) на базе реактора МГР-Т с применением термоконверсионного агрегата с гелиевым нагревом для процесса конверсии метана.

Проектные исследования по реакторной установке МГР-Т показали, что:

- данная реакторная установка может рассматриваться как перспективная технология для высокоэффективного производства водорода и электроэнергии;

- развитые свойства самозащищенности и использование пассивных систем безопасности обеспечивают высокий уровень ее безопасности;

- предварительный технологический задел, созданный по конструкционным материалам, топливу и оборудованию, позволяет сделать вывод, что нет непреодолимых технических барьеров для реализации предлагаемой концепции МГР-Т.

На основе энергоисточников этого типа могут быть созданы энерготехнологические комплексы для регионального энергоснабжения, решающего в том числе задачи поставки топлива для транспорта и тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Оценки технико-экономических характеристик коммерческих энергокомплексов с использованием технологии высокотемпературных реакторов показывают экономическую эффективность этой линии развития (табл. 1).

Прогнозы масштабов мировой потребности в водороде

Структура потребления водорода в странах с развитой экономикой примерно идентична. Крупнейшие потребители (до 90% общего объема производства) - химическая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности. Остальные отрасли относятся к более мелким потребителям: металлургическая промышленность и обработка металлов, пищевая, электронная, фармацевтическая, стекольная, ракетно-космическая техника, использование в качестве топливного газа и др. В химической промышленности до 80% общего объема потребления водорода расходуется в процессах синтеза аммиака и метанола (чистота продукта - менее 99,5%).

Мировая торговля водородом ведется в ограниченных масштабах. Она наиболее активна в Западной Европе, где имеется небольшая, но развитая сеть трубопроводов по перекачке водорода между предприятиями по его производству и потреблению. Водород не является биржевым товаром, и говорить о его мировых ценах трудно, поскольку цены при поставках являются контрактными и зависят от многих условий, в том числе - от требуемой чистоты водорода как продукта. Диапазон цен на водород варьируется от 750 долл./т на отдельных заводах в России до 3000 долл./т у ряда потребителей в Западной Европе и США.

В XXI веке ожидается резкий рост спроса наводород в связи с увеличением глубины переработки нефти, увеличения производства аммиака и метанола, производства облагороженного (например, из сланцев или битуминозных песков) или синтетического (в первую очередь из угля) жидкого топлива, роста объемов прямого получения качественного железа и др. Наибольший вклад в перспективный рост мирового спроса на водород следует ожидать от автотранспорта и систем рассредоточенного энергоснабжения, в которых водород выступает как энергоноситель, который можно накапливать и транспортировать подобно природному газу, но не имеющий, в отличие от метана, ограничений по ресурсной базе и не образующий при сжигании парниковых газов.

Для различных сценариев развития мировой экономики и показателей ожидаемого уровня энергопотребления прогнозные оценки рыночного потенциала изменяются от пренебрежимо малых объемов (в 1,5-2 раза превышающих нынешний уровень потребления этого продукта, равный примерно 6 EJ) до приоритетных стратегий водородной экономики с выходом потребления водорода на 300-400 EJ к 2100 году.

Считая основным перспективным потребителем водорода автотранспорт, ожидаемые потенциальные масштабы его потребления в этом секторе могут составить от 200 до 300 млн. тонн в 2050 году, исходя из общей численности транспортных средств (ТС) в этот период, составляющей, по прогнозам, 1600 млн. ед., а также исходя из усредненного по регионами секторам автотранспорта среднегодового расхода водорода - 0,18 тонн/год на транспортное средство, а также из возможной доли ТС-Н2, равной соответственно 70 и 100% общего мирового автопарка на 2050 год.

К 2100 году, полагая, что количество ТС достигнет около 2500 млн. ед. (среднеевропейский уровень обеспеченности при численности населения Земли около 10 млрд. человек), потребуется 450 млн. тонн водорода в год.

Прогнозные масштабы неавтомобильного потребления учитываются в росте соответствующих отраслей, что суммарно приводит к тому, что потенциальные потребности в водороде составят на 2050 год около 370 млн. тонн Н2. После 2050 года в связи с возможным дефицитом углеводородов и ограничением прямого сжигания угля можно ожидать увеличения производства водорода для газификации угля и производства из угля синтетического жидкого топлива (СЖТ) с темпами, обеспечивающими выход к 2100 году на производство 0,6-1,2 трлн. нм3 синтетического метана (включая в эту цифру и эквивалентное производство ЖСТ), что потребует производства до 200 млн. тонн водорода.

За рамками приведенной выше оценки остались потребление водорода для обеспечения автономных локальных потребителей и межрегиональные поставки водорода для энергетических нужд и технологических потребностей других отраслей.

Такие масштабы потребности в водороде могут быть обеспечены только при использовании для его производства ядерных источников энергии. Переход производства водорода на новые виды технологии, и в первую очередь основанные на ядерных источниках, будет происходить постепенно с замещением сжигаемого метана в технологии ПКМ ядерным топливом по мере возрастания стоимости добычи и транспортировки природного газа.

Наиболее радикальные изменения произойдут при освоении высокоэффективных процессов термохимического или высокотемпературного электрохимического разложения воды на базе ВТГР. Антропогенное влияние на окружающую среду в таком сценарии будет наименьшим в сравнении с альтернативами, основанными на биомассе или других способах экстенсивного преобразования солнечной энергии.

В пересчете на ядерные мощности, необходимые для мирового производства указанных количеств водорода в середине века, в варианте ВТГР-ПКМ придется развернуть ядерно-водородные комплексы общей мощностью 1500 ГВт-тепл. или синтетического метана в объеме 2,5-3 трлн. куб.м), а в варианте ВТГР - получение водорода из воды (термохимическим ее разложением или высокотемпературным электролизом) ввод необходимых мощностей должен составить ~10 000 ГВт-тепл., что соизмеримо с требуемым ростом ядерных мощностей для производства электроэнергии по сценариям ее интенсивного развития.

По-видимому, будет реализовываться промежуточная стратегия, использующая технологию ВТГР-ПКМ в период, когда стоимость природного газа будет соизмерима со стоимостью ядерного тепла, а затем, при возрастании стоимости природного метана в 3,5-4 раза, начнет становиться конкурентоспособным водород, полученный разложением воды.

Существенное влияние на развитие атомно-водородной энергетики могут оказать также институциональные факторы, и в первую очередь международные соглашения о мероприятиях по защите окружающей среды.

Перед обществом стоит грандиозная задача разработать и освоить новый энергетический уклад - атомно-водородную энергетику. Особую роль в реализации такого комплексного системного освоения новой технологической платформы, на наш взгляд, как это не раз уже было в прошлом, призван сыграть Росатом, провозгласивший ренессанс атомной энергетики в числе своих основных приоритетов.

---

Читайте:
Ice Energy представляет: система хранения энергии для снижения нагрузки сети Недорогие и эффективные солнечные элементы: уже скоро? Легковесные солнечные панели: новая жизнь старых технологий В Австралии предлагается пожить в «умном доме» «Солнечная» кепка