Водородная энергетика — тренд XXI века


Текст: Андрей Велесюк

Эксперты совета по водородным технологиям (Hydrogen Council) в своем недавнем докладе утверждают, что к 2050 году на водород придется 18 % всех энергетических потребностей мира. По другим прогнозам, к этому времени мировое потребление водорода вырастет до 370 млн тонн в год (к 2100 году —до 800 млн тонн). С чем связан этот рост, почему водородная энергетика будет вытеснять углеводородную и какие перспективы у отечественных разработок? Постараемся ответить на все эти вопросы.


Фото: ТАСС, cобственность автора
Производство водорода: энергия и вода
Отечественные специалисты концепцию атомно-водородной энергетики определяют так: вода на входе + чистая ядерная энергия => водород => водород + кислород = чистая энергия + вода на выходе (по книге «Атомно-водородная энергетика: системные аспекты и ключевые проблемы», издание 2008 г.). Производство и использование водорода с помощью атомной энергии не сопровождаются вредными выбросами в атмосферу (зато предполагают крупномасштабное получение пресной воды). Вот что делает этот метод очень привлекательным для промышленности.

Сейчас бо́льшую часть водорода и водородсодержащих продуктов производят при помощи паровой конверсии природного газа: водяной пар при температуре 700–1000 °C смешивают с метаном под давлением в присутствии катализатора. При этом половина газа тратится на сам процесс. Чтобы сэкономить природный газ и снизить нагрузку на окружающую среду, разработали схему паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР).

Новизна подхода — в соединении ВТГР с технологическим производством в единую атомную энерготехнологическую станцию (АЭТС), реализации в ее рамках эффективного и экологически чистого крупнотоннажного производства водорода. Помимо высокотемпературного реактора, в АЭТС входят системы преобразования энергии, транспортировки тепла к технологическому процессу и технологическая часть получения товарного водорода.

У такого производства есть три главных преимущества:
  • высокая производительность — до 1 млн тонн водорода в год на 3 ГВт тепловой мощности АЭТС;
  • экономия природного газа — его потребление сокращается в два раза;
  • экологическая чистота — исключение не менее чем 4 млн тонн вредных выбросов СО2 в год за счет замещения тепла от сжигания метана высокотемпературными ядерными реакторами.

Согласно предварительным оценкам, такой метод конкурентоспособен, учитывая сегодняшние мировые цены природного газа. При использовании тепла ВТГР экономия природного газа составляет более 40 % всех затрат газа (с учетом обеспечения всех энергопотребностей комплекса, при полном исключении выбросов СО2 с дымовыми газами).

Разработками в области крупнотоннажного ядерного производства водорода занимаются в лабораториях Айдахо, ORNL и General Atomics (США), институте ядерных и энергетических технологий INET Университета Синьхуа (Китай), Институте атомной энергии JAERI (Япония), Исследовательском институте атомной энергии KAERI (Республика Корея). В ближайшем будущем технологии получения водорода с использованием природного газа на базе ВТГР станут основными.
Развитие «водородной экономики» на примере Японии
После фукусимской аварии в марте 2011 года в Японии приостановили работу большинства АЭС и приступили к разработке дорожной карты по развитию водорода и топливных элементов. В июне 2014 года эту дорожную карту утвердило правительство.

Фаза 1. Расширение сфер использования топливных элементов (ТЭ) на базе водорода

2017: массовое рыночное тиражирование ТЭ для коммерческого и промышленного использования.

~2020: снижение цен на водород до уровня, эквивалентного ценам на другие виды топлива для гибридных автомобилей.

~2025: снижение цен на автомобили на базе ТЭ до уровня цен гибридных автомобилей.

Фаза 2. Создание системы поставок водорода

Середина 2020-х: стратегические партнерства с зарубежными поставщиками водорода (планируемая цена покупки — $3/кг) и создание коммерческой системы распределения водорода.

~2030: начало эксплуатации объектов по производству, транспортировке, хранению водорода на базе импортного топлива. Массовое внедрение технологий генерации электроэнергии на базе водорода.

Фаза 3. Создание безуглеродной системы поставок водорода

~2040: полномасштабная эксплуатация объектов по безуглеродному производству, транспортировке и хранению водорода.
Кому нужен водород: химическая промышленность, автомобили и частные дома
Два основных рынка потребления водорода сегодня — производство аммиака и метанола; на них уходит до 80 % общего объема потребления. В химической промышленности водород также используют в производстве карбамида, мыла и пластмасс. В газопереработке водород необходим для получения смесей, например, с метанолом, этиленом и пропиленом.

В перспективе водород будет использоваться в качестве топлива на транспорте. Автогиганты уже сейчас активно экспериментируют с водородными двигателями. Как минимум три автогиганта серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках: Hyundai ix35 Fuel Cell стоит $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., а Honda Clarity — $59 тыс.

Ожидается существенное повышение спроса на водород в нефтеперерабатывающей промышленности — с его помощью будут повышать качество нефти. Водород уже вовсю используют для увеличения глубины переработки, улучшения характеристик нефти, очистки нефтепродуктов от сернистых загрязнений, производства широкой номенклатуры нефтепродуктов: топлив, масел, смазок.

Все чаще водород используют в автономных источниках электроэнергии мощностью от одного до нескольких тысяч кВт. Портативные приборы и аккумуляторы, резервные генераторы, системы энергообеспечения собственных нужд различных энергоустановок, робототехника, беспилотные аппараты, энергетические установки, генераторы для постоянного снабжения теплом и электричеством частных домов — все это потенциальные потребители водорода.

В США, Японии и скандинавских странах от энергоустановок с водородными топливными элементами (мощностью более 1 МВт) питают большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. В Японии действует целая госпрограмма создания бытовых автономных водородных станций — в стране их уже несколько тысяч. Также японцы работают над программой широкомасштабного использования водорода, прежде всего посредством модернизации энергетического сектора и увеличения числа электростанций, работающих на водородном топливе.
Таблица 1. Планируемая АЭТС с ВТГР: показатели мощности и эффективности
Минус — разработка, плюс — производство
Вместе с тем распространение водородной энергетики пока ограничено отсутствием инфраструктуры. Самому старому водородному трубопроводу в районе города Рур (Германия) всего 50 лет, а самый длинный подобный трубопровод имеет протяженность всего лишь 400 км. При этом у России есть подспорье — развитая сеть газовых трубопроводов, по которым можно передавать метано-водородную смесь, а затем, уже у потребителя, разделять эту смесь на водород и метан.

Водородные заправки уже работают в США, Японии, Китае и некоторых странах Евросоюза. Развитием водородной заправочной инфраструктуры занимаются такие европейские компании, как Air LiquideAir products, Danish Hydrogen Fuel, H2 Logic, Hydrogen Link, Hydrogen Sweden, Icelandic New Energy, Linde, McPhy.

В отчете аналитической и консалтинговой компании Navigant Research говорится о том, что к 2024 году количество транспортных средств с водородными топливными элементами по всему миру вырастет до 580 тыс., к 2026 году их уже будет 800 тыс., а к 2030 году — около 1,5 млн. Кстати, в этом году по маршруту Букстехуде — Куксхафен в земле Нижняя Саксония (Германия) начнут курсировать два первых поезда с водородным топливом Coradia iLint. Разработчик, компания Alstom, планирует поставить только для этого района 14 таких поездов к 2021 году.

Вопрос инфраструктуры так же важен, как и масштабное производство водорода. Помимо заправок и трубопроводов есть вопросы в части сжижения и транспортировки. В мире сейчас активно разрабатываются танкеры, авто- и ж/д цистерны, предназначенные для доставки водорода. Появляются новые распределительные системы, автозаправки, водородные баллоны высокого давления. К сожалению, в России в эти разработки не вкладываются ресурсы.

Однако еще есть возможность закрепиться на рынке производства водорода. Сейчас 95 % производимого водорода потребители используют для собственных нужд, а не для продажи. Например, нефтеперерабатывающий завод производит водород, сжигая нефтепродукты, и использует его для получения бензина. Всего в 2016 году в мире было произведено 75 млн тонн водорода, и лишь 5 % из них составил товарный водород, продаваемый на рынке как энергоноситель и химический реагент. Однако в будущем этот показатель наверняка будет расти.

В консервативном сценарии роста потребления промышленного водорода его доля к 2050 году увеличится с 70 млн до 230 млн тонн в год. Также будет расти доля товарного водорода, с 4 млн до 140 млн тонн в год. При этом рынок товарного водорода, получаемого с использованием ВТГР, будет формироваться синхронно с созданием мощностей этих реакторов. Если исходить из тезиса, что этот рост будет обеспечен экологически чистым производством на основе технологий ВТГР, то для производства 140 млн тонн водорода в год к 2050 году в мире должны быть созданы энергоблоки с ВТГР общей тепловой мощностью 400 ГВт.

При условии что в России мощности ВТГР будут составлять не менее 3 % от мировых, к 2050 году необходимо построить не менее пяти АЭТС с ВТГР (4×600 МВт) с общей тепловой мощностью 12 ГВт. В таком случае Россия сможет к 2050 году ежегодно производить более 4 млн тонн товарного водорода. А его ключевые потребители обитают в Азиатско-Тихоокеанском регионе: это Япония, Китай, Южная Корея, Индия и Индонезия.

Комментарий эксперта

Анатолий Столяревский,
д. т.н., НИЦ «Курчатовский институт»::

— Активные работы по водородной энергетике в достаточно крупных масштабах начались в первой половине 1970-х годов. Главный вклад внесли ученые США, Европы, СССР и Японии. Концепция, выдвинутая тогда, претерпела мало изменений — эта статья могла быть написана и 40 лет назад.

Все компоненты построения водородной цивилизации имеют технологическое воплощение, и научные основы этих технологий хорошо разработаны.

Среди отраслей, готовых к переходу на водород, основное внимание многие десятилетия привлекал автотранспорт. И вот осенью 2014 года на автосалоне в Лос-Анджелесе корпорация Toyota представила первую серийную легковую машину на водородных топливных элементах Toyota Mirai. Основная мотивация производителей и покупателей таких машин — нулевые выбросы вредных веществ. Параллельно продолжает расти количество водородных АЗС: сейчас их сотни, но нужны десятки тысяч таких станций. На безуглеродную энергетику нацелено и Парижское соглашение по климату.

Некоторые страны успешно осваивают метано-водородные технологии, позволяющие переходить на водород с применением развитых систем природного газа. Ведутся такие работы и в России.

Около 50 лет назад лет назад водородное топливо уже было успешно освоено в ракетно-космической технике, несколько позднее — в авиации, когда в середине 1980-х годов в КБ А. Н. Туполева создали и успешно испытали самолет Ту‑155 с турбореактивным двухконтурным двигателем НК‑88, предназначенным для работы на водороде или природном газе. Двигатель был создан в КБ им. Н. Д. Кузнецова (Самара) на базе серийного двигателя для Ту‑154 (НК‑8–2). Этот уникальный опыт российских разработчиков несомненно будет востребован в дальнейшем.

В любом случае конфигурация водородной энергетики, динамика ее развития и изменений будут определяться системными факторами в большей степени, чем экономической конъюнктурой. К таким факторам, несомненно, относятся политические и нормативные регуляции. В частности, ужесточаются требования к качеству воздуха: ВОЗ уже перенесла пары дизельного топлива из категории «возможного канцерогена» (группа 2а), куда они были определены в 1989 году, в категорию «канцероген» (группа 1).

Важным фактором может стать и налоговая политика. Например, в Бундестаге ФРГ рассматривается предложение о продлении до 2026 года льготного акциза на сжатый природный газ, принятого в 2006 году.

Шесть главных выводов
1. В XXI веке ожидается резкий рост спроса на водород. Это связано с переходом технологических отраслей на новые методы производства качественных продуктов и развитием экологически чистого транспорта. Главными драйверами роста будут автотранспорт и системы рассредоточенного энергоснабжения, использующие водородные топливные элементы.

2. Принципиальная ключевая проблема водородной экономики — масштабное производство водорода. Сейчас его крупнотоннажное производство осуществляется в основном путем паровой конверсии природного газа — метана. При этом сжигается около половины исходного газа, а продукты его сгорания выбрасываются в атмосферу. Создание тандема «ВТГР + паровая конверсия природного газа» открывает путь к масштабному применению атомной энергии в производстве водорода.

3. В долгосрочной перспективе вода станет основным источником получения водорода с помощью атомной энергии. На данном этапе для переработки природного газа с получением чистого водорода предлагается технология адиабатической конверсии метана в парах воды с получением метано-водородной смеси и последующим мембранным выделением из нее водорода.

4. Потребности и потенциальный рынок водорода сравнимы в энергетическом эквиваленте с электроэнергией. Это востребованный товар для внутреннего и зарубежного рынков; создание продуктовой линейки базируется на разработанных в России ядерных технологиях нового поколения.

5. Уровень готовности технологий и имеющаяся кооперация разработчиков ключевого оборудования позволяют в кратчайшие сроки развернуть работы по реализации проектов ВТГР в России и за рубежом.
Эти проекты обеспечат:
  • новый рынок атомной отрасли — сферу промышленного теплоснабжения, потребляющего более 40 % органического топлива;
  • экономию природного газа и нефти — сырья для промышленности и объектов экспорта;
  • производство экологически чистого водородного топлива из воды, способствующее энергетической безопасности страны;
  • снижение выбросов в окружающую среду вредных веществ, включая парниковые газы;
  • утверждение России в статусе мирового лидера в области технологий атомной энергетики.

6. При масштабном производстве водорода технологии ВТГР будут востребованы, но для этого необходимо активно участвовать в построении водородной энергетики, чтобы не потерять позиции в мире в области атомной энергетики. В этом случае для России откроются возможности выхода на рынок высокотехнологичной продукции с атомными энерготехнологическими установками на основе ВТГР, а также производством водорода и сопутствующих продуктов с высокой добавочной стоимостью.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА