«Водород — новый ключевой продукт Росатома»
В начале июня Николай Пономарев-Степной прочитал лекцию об атомно-водородной энергетике. В течение двух часов патриарх ядерной физики рассказывал, почему госкорпорации «Росатом» необходимо сконцентрироваться на производстве водорода и какие это принесет дивиденды в будущем. Мы прослушали выступление и записали самое интересное и важное.
Справка
Лекция базируется на исследованиях и разработках, выполненных в нашей стране с начала 1970-х годов по программе «Водородная энергетика». Координатор — Комиссия по водородной энергетике АН СССР.

Исследования выполнялись Курчатовским институтом в сотрудничестве с ОКБМ и другими исследовательскими, конструкторскими, технологическими и промышленными предприятиями Министерства среднего машиностроения, Министерств общего машиностроения, энергетики, химической промышленности, черной металлургии, авиационной промышленности и Академии наук СССР.

Концепция водородной энергетики с атомным производством водорода получила название «Атомно-водородная энергетика».

В своем выступлении я сосредоточился на трех вызовах нашего времени.

Первый — это энергетический вызов, а именно неуклонный рост потребления энергии развивающимися странами, который будет продолжаться до тех пор, пока они не сравняются по энергопотреблению с развитыми странами. Параллельно мировое сообщество пытается найти пути решения проблем загрязнения окружающей среды, а также декарбонизации энергетики и, как следствие, промышленности в целом.

Второй вызов касается в основном России — это необходимость ее технологического развития.

И третий вызов — это задача, поставленная руководителем атомной отрасли Алексеем Лихачевым: «Росатом должен стать ведущей технологической компанией нашей планеты и войти в тройку технологических лидеров мира».

Развитие двухкомпонентной ядерной и атомно-водородной энергетики нацелено на ответ этим вызовам.

Водородная энергетика — это новый технологический уклад, где водород играет роль накопителя энергии, энергоносителя и химического реагента в промышленности. Применение атомных технологий позволяет обеспечить экологически чистое производство водорода. В качестве сырьевых ресурсов используются вода и углеводороды.

Опережающее технологическое развитие Росатома прогнозируется на основе двух направлений:


  • двухкомпонентная атомная энергетика (АЭ) с замкнутым ядерным топливным циклом (ЯТЦ), с тепловыми и быстрыми реакторами (ТР и БР), обеспечивающая неограниченные ресурсы ядерного топлива и решение проблемы радиоактивных отходов (РАО);
  • атомно-водородная энергетика, нацеленная на экологически чистое производство водорода и повсеместное его использование в качестве накопителя энергии и энергоносителя

По оценкам Международного совета по водороду, ключевая роль в реализации сценария «с двумя градусами потепления» принадлежит водороду. Согласно этому сценарию, мир должен кардинально меняться из года в год, уменьшая выбросы CO2, и к 2050 году сократить их на 60%. При этом население Земли вырастет более чем на 2 млрд человек, и миллиарды граждан развивающихся стран присоединятся к глобальному среднему классу.
О лекторе
Николай Николаевич Пономарев-Степной — советский и российский физик-ядерщик, лауреат Государственной (1980) и Ленинской (1985) премий.

Окончил в 1952 году инженерно-физический факультет Московского механического института по специальности «Проектирование и эксплуатация физических приборов и установок». Трудовую деятельность в атомной отрасли начал в Лаборатории № 2 (НИЦ «Курчатовский институт»).

Работая в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, стал кандидатом (1959), а затем доктором (1974) технических наук, профессором по специальности «Ядерные энергетические установки» (1979).

В 1984 году Н. Пономарев-Степной был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, а в 1987 году стал ее действительным членом — академиком по специальности «Энергетика, в том числе атомная».

В 1991—1992 годах Н. Пономарев-Степной был президентом отечественного Ядерного общества и в этом качестве активно участвовал в сохранении атомного ведомства и образовании в 1992 году Минатома России.

С 2012 года по настоящее время Н. Пономарев-Степной работает научным консультантом генерального директора АО «Концерн Росэнергоатом».

В 2018 году Президиум РАН наградил академика РАН Н. Пономарева-Степного золотой медалью им. А. П. Александрова за выдающиеся работы, внесшие большой вклад в исследования и разработки в области двухкомпонентной атомной энергетики и атомно-водородной энергетики, а также за многолетнюю плодотворную деятельность.
Водород: производство, хранение, транспортировка, потребление
Теперь разберемся, из чего состоит водородная энергетика.

Первое — это потребление водорода. У водорода две уникальные функции: он может быть как энергоносителем, так и химическим реагентом в промышленности. То есть он нужен не только для энергетики, но и для промышленности, так как из него можно производить аммиак, полиэтилены, метанол, и для всего этого есть большой рынок потребления.

Второе — это экологически чистое (важно!) производство водорода.

Традиционные направления производства водорода — это паровая конверсия углеводородов и электролиз воды. И здесь существенный момент: для производства водорода есть сырье — вода и углеводороды, но водород находится в химически связанном состоянии, и, чтобы высвободить водород, необходим источник энергии, как правило высокотемпературный или электричество. Могут использоваться и ВИЭ, и атомная энергия — экологически чистые источники энергии.

Для обращения с водородом нужна определенная культура, поскольку он взрывоопасен. Должны быть решены вопросы, связанные с аккумулированием, хранением и транспортировкой водорода. Здесь мы можем использовать свой опыт работы с природным газом.

Самый выгодный вариант в плане экономики строительства, надежности и безопасной эксплуатации объекта — хранилище газообразного водорода, создаваемое в отложениях каменной соли.

У России есть большой опыт создания и эксплуатации подземных хранилищ газов и жидкостей в каменной соли: природного газа, углекислого газа, а также гелия под давлением до 17 МПа.

На территории России 16 соленосных бассейнов, перспективных для строительства подземных хранилищ водорода, в том числе 12 — в европейской части.

Имеется зарубежный опыт (Англия, Германия) хранения газообразного водорода в подземных резервуарах, созданных в отложениях каменной соли.

Транспортировка водорода — серьезный вопрос. Существуют разные ее варианты, назову основные: трубопровод, емкости под давлением и сжиженный водород. Приведу свои соображения относительно транспортировки трубопроводами. Если в природный газ добавлять до 20% водорода, можно транспортировать эту метановодородную смесь по традиционным трубопроводам. Это делается уже сейчас в Германии, Англии и ЮАР. Еще один хороший носитель — аммиак, он содержит много водорода и может экспортироваться в жидком виде. Необходимо разрабатывать также способы транспортировки сжиженного водорода.

Водород эффективно используется в топливных элементах для производства электроэнергии. Электроэнергетика часто страдает от того, что накопители с трудом накапливают большие количества электроэнергии на длительное время. Водород позволяет решить эту проблему. Возможность производить электроэнергию с помощью топливных элементов — существенная особенность использования и развития водородной энергетики. Использование водорода в промышленности как химического реагента также имеет масштабные перспективы.

Основные виды потребления водорода: генерация энергии для транспорта, промышленности и коммунального хозяйства. На водороде может передвигаться абсолютно любой транспорт: самолеты, ракеты, автомобили и даже дроны. Водород в технологических процессах — это черная металлургия, энергетика, химическая и нефтехимическая промышленность. Водород используется в пищевой и фармацевтической промышленности. Многие из нас уже отвыкли от маргарина, но стоит вспомнить о том, что его производят с использованием водорода.

Целевые индикаторы водородной энергетики:
  • декарбонизация производства и потребления энергии;
  • неограниченные ресурсы сырья и энергии;
  • рост доли АЭ в производстве энергии;
  • решение экологических, экономических, социальных проблем;
  • обеспечение устойчивого развития и энергетической безопасности на долгосрочную перспективу.
Способы аккумулирования водорода:
  • в газообразном состоянии под давлением в подземных хранилищах, газгольдерах и баллонах различных типов;
  • в жидком состоянии в криогенных емкостях;
  • в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов;
  • в химически связанном состоянии в жидких средах;
  • в инкапсулированном газообразном состоянии в стеклянных микросферах, пенометаллах и цеолитах.
Особенности водорода:
  • неограниченные запасы сырья (воды) для получения;
  • эффективность производства электроэнергии в топливных элементах;
  • отсутствие загрязнения окружающей среды при использовании для получения энергии;
  • возможность аккумулирования энергии при использовании в качестве энергоносителя;
  • широкие масштабы промышленного потребления как химического реагента;
  • удобство использования и транспортировки.

Доклад Международного совета по водородным технологиям
В Давосе в январе прошлого года был образован The Hydrogen Council — Совет по водородным технологиям. Туда вошли 13 крупных компаний, таких как Toyota, BMW и Total, с уставным капиталом более $ 1,15 трлн. Они решили сформулировать свое видение дальнейшего развития водородной энергетики, главным образом употребления водорода.

  • В ноябре прошлого года они выпустили соответствующий доклад, в котором обозначили семь направлений потребления водорода:
  • накопитель электроэнергии от возобновляемых источников и крупномасштабный интегратор энергии ВИЭ с системой ее производства и потребления;
  • распределение энергии между секторами жизнедеятельности и регионами;
  • буфер для повышения устойчивости энергосистемы в целом;
  • декарбонизация транспорта;
  • декарбонизация промышленного использования энергии;
  • декарбонизация коммунального хозяйства и жизнедеятельности человека в целом;
  • обеспечение промышленности чистым сырьем — водородом для множества технологических процессов получения товарной продукции.

Во всех семи областях применения водород предлагает экономически жизнеспособные и социально выгодные решения. Совет по водороду уверен: водород позволит сохранить значительную часть электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, которая, не будучи преобразована и накоплена в виде водорода, будет утрачена.

Я сделал из доклада Совета по водороду 2017 года три основных вывода.

Во-первых, потребление водорода к 2050 году возрастет десятикратно.

Во-вторых, в энергетическом балансе Земли водород должен занять 15−20%.

И в-третьих, необходима декарбонизация.

Парижская конвенция 2015 года определила, что потенциально возможно повышение температуры на 4 °, и провозгласила: надо обязательно добиться того, чтобы снизить ее верхний уровень на 2 °. Внедрение водородной энергетики приблизительно на четверть снижает возможное повышение температуры.

Согласно оценке Совета по водородным технологиям, к 2050 году ежегодный оборот средств в водородной энергетике составит $ 2,5 трлн. Участники Совета нарисовали дорожную карту развития водородной энергетики и планируют вкладывать деньги в развитие водородных технологий. Только эти 13 компаний готовы ежегодно инвестировать приблизительно $ 25 млрд в год, так что уже к 2030 году за счет их средств в отрасль будет инвестировано $ 280−300 млрд.

Когда я прочитал этот доклад, удивился: в нем очень много говорится о потреблении водорода и практически ничего — о его производстве. Причем потребление водорода аргументируется декарбонизацией потребителей, а о декарбонизации производства водорода — ни слова. Я просмотрел еще раз состав Совета — там нет атомных компаний. Поэтому производству водорода было уделено мало внимания. И тут открывается шанс для нас: мы можем сказать свое слово.
Совет по водородным технологиям
The Hydrogen Council был основан 17 января 2017 года. Туда вошли 13 ведущих энергетических, транспортных и промышленных компаний: Air Liquide, Alstom, Anglo American, BMW GROUP, Daimler, ENGIE, Honda, Hyundai Motor, Kawasaki, Royal Dutch Shell, The Linde Group, Total и Toyota. Во главе совета — два сопредседателя, представляющие различные географические регионы и сектора экономики, сегодня это Air Liquide и Toyota.

Совокупный доход компаний — членов Совета по водородным технологиям составляет 1,07 трлн евро, а число сотрудников по всему миру достигает 1,72 млн человек. Совет по водородным технологиям намеревается поставить водород в один ряд с другими ключевыми технологиями перехода на новые источники энергии.

Наряду с прямыми инвестициями учредители Hydrogen Council планируют привлечь к проблеме правительства своих стран, ключевых игроков энергетического рынка и другие заинтересованные стороны.
Ключевые технологии ВТГР
В России разработаны топливо ВТГР, физика реактора, конструкция модульного реактора, высокотемпературные парогенераторы и теплообменники, циркуляторы с гелиевым теплоносителем, системы пассивной безопасности; технология гелиевого теплоносителя, системы расхолаживания, система преобразования энергии, модели и коды.

В опытно-промышленном производстве отработаны технологии адиабатической конверсии метана, мембранного выделения водорода.

Уровень готовности технологий позволяет в короткие сроки реализовать проект АЭТС с ВТГР в России.
Водородная заправка в Германии
Водородная энергетика в стратегии Росатома
Необходимо утвердить новое направление в Росатоме, которое бы позволило получить новый продукт — водород. С водородом Росатом сможет выйти не только на отечественный, но и на зарубежный рынок. Сколько водорода могла бы поставлять Россия миру? Я считаю, приблизительно столько же в процентном отношении, сколько она поставляет природного газа — 10% от мирового масштаба производства. Мы должны наметить себе задачу: 2050 год — производство 50 млн тонн водорода в год. Для этого необходимо строить атомные энерготехнологические станции. Сырье и знания у нас есть.

Водородной энергетике потребуются АЭТС с ВТГР для масштабного экологически чистого производства водорода. Фактически направление высокотемпературных реакторов с гелиевым теплоносителем развивается в нашей стране уже давно — начиная с 1960-х годов (естественно, оно развивается и за рубежом). Высокие температуры — это высокий КПД и хорошая эффективность использования энергии, а также возможность применять атомные реакторы в энерготехнологических процессах. Безопасность для такого типа реакторов более существенна, чем для других типов, поскольку здесь используются соответствующие топливные и тепловыделяющие элементы, нет металла в активной зоне, поэтому нечему расплавиться. Значит, работать с реакторами такого типа можно, не ожидая расплавления активной зоны.

Эти реакторы позволяют использовать топливо самого различного состава: с ураном, с плутонием, с минорами. Это обосновано и физическими, и экспериментальными данными. «Всеядность» реакторов такова, что даже на одном реакторе в процессе работы можно переходить, допустим, с уранового топлива на плутониевое или использовать торий как воспроизводящий материал.
Поезд Coradia iLint с питанием от водородных топливных элементов, разработанный компанией Alstom
Технологии для строительства таких реакторов уже разработаны: и критические сборки, и графитовые блоки, и циркуляторы для расхолаживания, и многое другое. Есть система преобразования энергии, газотурбина, которая использовалась для одного из вариантов реакторов — там не только были проверены на практике расчеты, но и созданы соответствующие электромагнитные подшипники, для того чтобы работать с этими турбинами, даже с вертикальным подвесом такой энергоустановки.

Экспериментальная база существует и действует в различных институтах: в Курчатовском, в НИИ НПО «Луч» и, естественно, в ОКБМ, где имеются экспериментальные стенды и установки. Как я говорил в начале лекции, информация по этим направлениям тоже существует. Она была соответствующим образом суммирована, законсервирована в различных материалах и сейчас доступна для использования.

Россия может и должна взять на себя инициативу крупномасштабного экологически чистого промышленного производства водорода и поставок на рынок этого высокотехнологичного продукта с высокой добавочной стоимостью. Атомное производство водорода будет способствовать декарбонизации, кратно увеличит долю АЭ в энергетике, решит проблему углеродных ресурсов.

Предлагается создать крупномасштабное экологически чистое производство водорода на базе разработанных в России технологий атомно-водородной энергетики. Масштаб производства водорода сравним в энергетическом эквиваленте с традиционным продуктом Росатома — электроэнергией. Возрастет доля атомной энергии в глобальном энергетическом балансе. Потребуется кратное увеличение объемов производства и количества высококвалифицированных рабочих мест.

Сейчас водород стоит $6 за 1 кг. АЭТС с РУ ВТГР для производства водорода окупается даже при $2 за килограмм. АЭТС в составе 4 блоков по 600 МВт (тепл.) производит около 1 млн тонн водорода в год. То есть для той программы, которую я обозначил, — 50 млн тонн водорода в год, — нужны 50 таких АЭТС. Одну из первых АЭТС можно создать на побережье Дальнего Востока или на Сахалине. И я уверен, что к этому центру проявят предметный интерес страны Азиатско-Тихоокеанского региона.

Водородная энергетика не может быть создана в изолированном государстве — такова моя твердая позиция по вопросу международного сотрудничества.

Проект крупномасштабного экологически чистого производства водорода из воды и природного газа представляет интерес для зарубежных партнеров, особенно для стран АТР, и может разрабатываться как совместный с ними проект. Представляется актуальным выступить с инициативой создания в России Международного центра «Атомный энерготехнологический комплекс на Дальнем Востоке» с участием стран АТР. Одним из ключевых должен стать проект «Атомный энерготехнологический комплекс с модульными ВТГР для производства водорода из воды и природного газа».

Среди стран АТР одним из наиболее заинтересованных партнеров может стать Япония, учитывая ее намерение отказаться от сжигания углеводородов с переходом на использование водорода.

Премьер-министр Японии Синдзо Абэ призвал страну отказаться от нефти и газа: «Наша цель — первыми в мире построить общество, основанное на использовании водорода».

Участие в международном сотрудничестве (Hydrogen Council) по водородным технологиям и топливным элементам будет способствовать привлечению внешних и внутренних инвесторов, откроет новые возможности для зарубежного бизнеса.
Атомно-водородная энергетика — стабильный путь для глобального энергетического перехода и технологического прорыва. Развитие водородной энергетики — важный элемент решения задачи вхождения госкорпорации «Росатом» в число технологических лидеров мира.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА