Перспективы подземного хранения «ядерного» водорода

Для реализации направления «Водородная энергетика» правительство подготовило и утвердило план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года». Основная цель этого плана — формирование в России экспортно-­ориентированной области водородной энергетики, развивающейся на основе современных технологий.

Заместитель председателя правительства РФ Александр Новак в статье «Водород: энергия „чистого“ будущего» (опубликована в журнале «Энергетическая политика» № 4 за 2021 год) отметил, что одной из первостепенных задач должна стать разработка конкурентоспособных технологий производства водорода, в том числе на основе электролиза воды на базе АЭС. «Отдельное внимание стоит обратить на разработку технологий эффективной и безопасной транспортировки и хранения водорода, не получивших в настоящее время достаточного развития для широкомасштабного применения в промышленности», — отметил А. Новак.

Сегодня основная доля крупнотоннажного производства водорода приходится на конверсию метана, реализуемую для задач некоторых отраслей промышленности непосредственно в месте использования водорода. С расширением направлений использования водорода потребуется развитие инфраструктуры для его транспортировки и хранения. При этом схемы локального производства водорода могут различаться набором технических решений, необходимых для организации производственно-­сбытовой цепочки, в зависимости от метода и объема производства, источника энергии, сырьевого ресурса, режима хранения, периодичности отгрузки и удаленности потребителя.

Один из вариантов такой схемы — электролиз воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой АЭС. При этом объем производства водорода будет пропорционален мощности, направляемой на электролиз. При отсутствии поблизости стабильного потребителя водорода возникнет необходимость транспортировки и временного хранения, что может потребовать сооружения хранилища существенных объемов. Например, при направлении на электролизное производство 30% вырабатываемой блоком ВВЭР‑1000 электроэнергии (с последующим компримированием полученного водорода до 10 МПа) для хранения его суточной выработки потребуется помещение объемом более 14 тыс. м³, а для недельной — более 100 тыс. м³.

Наибольшие объемы помещений могут обеспечить подземные хранилища газа (ПХГ), созданные в геологических формациях. ПХГ широко используются в существующей газотранспортной системе (ГТС). По аналогии, технология экономичного крупномасштабного подземного хранения водорода представляется одним из важных элементов системы водородной энергетики, особенно при ориентации на крупного удаленного потребителя.

Рассмотрим варианты крупномасштабного хранения водорода в геологических формациях и целесообразность использования электроэнергии АЭС не только для электролизного производства водорода, но и для организации его хранения.

Новая жизнь выработанных нефтегазовых месторождений
В мире накоплен опыт хранения больших количеств водорода в подземных хранилищах, расположенных в водоносных горизонтах и выработанных месторождениях нефти и газа. Во Франции в течение многих лет эксплуатировалось большое подземное хранилище (~200 тыс. м³) в купольных водоносных горизонтах — там с 1957 по 1974 год хранился газ, содержавший более 50% водорода при давлении 11 МПа. Исследование подземных вод, содержавшихся в породах, окружающих это хранилище, показало отсутствие следов водорода в них, что, по-видимому, указывает на малые диффузионные потери.

Давление, под которым газ может храниться в водоносных структурах, зависит от глубины — оно должно быть не меньше давления водяного столба на заданной глубине и (по соображениям надежности хранения) не может быть слишком большим. Потери газообразного водорода при хранении его под давлением в подземных хранилищах, в осадочных пористых структурах, составят более 5% полного объема хранилища в год при сезонном цикле хранения и объеме активного газа около 1/3 объема хранилища.

При таком методе хранения могут оказаться существенными потери давления, связанные с фильтрацией газа и жидкости в пористой среде, и, при определенных геологических условиях, потери газа. Кроме того, объем активного газа в таких хранилищах не превышает половины объема хранилища, а максимальный объем газа достигается только после нескольких лет эксплуатации. В процессе эксплуатации возможно изменение объемов и геометрии хранилищ.

Хранилища в пористых водоносных структурах не могут эксплуатироваться с большими скоростями отбора газа, поскольку при этом резко увеличивается откачка пластовых вод. Поэтому такие хранилища больше подходят для сезонного хранения.

В публикации «Подземное хранение водорода» (К. Басниев, И. Выродова, Е. Бадюк. Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 3. С. 87−94) показано, что при создании подземных хранилищ газообразного водорода в водоносных пластах обостряется проблема наводораживания оборудования, так как пластовые воды представляют собой сильные электролиты. Наиболее агрессивны хлоркальциевые воды. Присутствие в воде таких газов, как H₂S и CO₂, особенно сильно разрушает стали, находящиеся в контакте с водородсодержащими средами. Поэтому оборудование необходимо изготавливать из соответствующих материалов. Кроме того, большое значение имеет предупреждение наводораживания: нанесение на оборудование специальных лакокрасочных покрытий и ввод ингибиторов коррозии.

Как отмечается в статье «„Зеленый“ газ в газотранспортной системе Европы» (Н. Барсук, М. Хайдина, С. Хан. Газовая промышленность. № 10. 2018. С. 104−109), работа компрессоров на ПХГ при использовании ПХГ, созданных в выработанных месторождениях углеводородов, будет неравномерной. В пористо-­водоносных структурах при хранении водорода также возникнет целый блок проблем, связанных с поведением водорода: неясен характер его взаимодействия с нерастворимыми минералами пород, слагающими само ПХГ.

«Водород имеет весьма высокую проникающую способность, что ставит под сомнение герметичность скважин и самих хранилищ. Возникают проблемы наводораживания металлических конструкций и снижения их механических свой­ств; происходят потери водорода в результате его бактериологического биодеградирования и растворения в пластовой воде, повышение кислотности пластовой воды и загрязнение ПХГ сернистыми соединениями в результате выработки сероводорода как продукта потребления водородсульфатредуцирующими бактериями», — говорится в статье. Авторы отмечают, что присутствие даже малого количества (доли процента) сероводорода в пористой среде ПХГ может приводить к прямому взаимодействию этого активного вещества с минералами, бактериями и пластовой водой.

«Данное взаимодействие может происходить даже в отсутствие значительных объемов воды, которая в такой обстановке служит катализатором. Как правило, происходит реакция с недоокисленными соединениями железа, относящаяся к топохимическим реакциям, происходящим в твердой фазе на границе раздела твердого исходного вещества и твердого продукта реакции. В результате интенсифицируются процессы коррозии. Таким образом, допустимая количественная концентрация водорода в природном газе не может определяться стандартными процедурами. Для каждого конкретного случая необходимо проводить комплекс научных дорогостоящих исследований», — считают авторы статьи. Также в ней отмечено, что из-за технологических особенностей ПХГ в пористых средах загрязнители (даже при кратковременном попадании) выводятся из ПХГ в течение длительного времени (нескольких лет). «Таким образом, попадание сернистых соединений в пористую среду ПХГ даже в минимальных количествах нежелательно», — резюмируют авторы статьи.

В статье «Надежность подземного хранения водорода совместно с метаном в терригенных геологических формациях» (О. Абрамова, Д. Филиппова, Е. Сафарова. Oil & Gas Journal Russia. 2020. № 4. С. 62−71) приведены данные исследований вариантов совместного хранения водорода с метаном в ПХГ, созданных в отработанных нефтегазовых месторождениях. «Физико-­химические свой­ства водорода и метана значительно различаются по многим параметрам, а их совместное накопление может активизировать микробиотические процессы с последующими негативными явлениями», — говорится в статье. По мнению авторов, водород, нагнетаемый в ПХГ, участвует в абиотических реакциях, приводящих к коррозии и разрушению материалов и пород. ПХГ, созданные в истощенных нефтегазовых месторождениях, помимо закачанных объемов метана и водорода, могут сохранять и другие газы. «Хранение водорода и метана может сопровождаться коррозией наземного и подземного оборудования, выпадением на инженерных конструкциях серных и карбонатных отложений, снижением объемов водорода», — такой вывод делается в статье.

Поможет каменная соль
Зарубежные и российские специалисты отмечают, что в большинстве случаев лучше всего для подземного хранения водорода подходят отложения каменной соли: особые свой­ства делают ее идеальной вмещающей породой со стабильными кавернами, подходящими для хранения газов. В статье «Аккумулирование водорода» (С. Малышенко, О. Назарова. Атомно-­водородная энергетика и технология. 1988. № 8) отмечается, что при покрытии пиковых потребностей в масштабных объемах водорода наиболее перспективны именно хранилища в отложениях каменной соли — они герметичны и могут эксплуатироваться при высоких скоростях закачки и отбора газа. Каменная соль химически инертна к водороду.

Размещение подземных хранилищ водорода в отложениях каменной соли возможно в 15 известных на территории России соленосных районах. Из них девять расположены в европейской части страны, шесть — в азиатской.

В ПАО «Газпром» была разработана Концепция развития подземных хранилищ газа, сооружаемых в отложениях каменной соли, для покрытия пикового спроса на газ до 2015 года и на более длительную перспективу. Она предусматривала строительство 10 ПХГ в различных регионах страны.

В 2009 году началось строительство Калининградского ПХГ, на котором сегодня завершено создание четырех из 14 запланированных подземных резервуаров. Строительство Калининградского ПХГ планируется завершить к 2025 году с доведением объема хранимого активного газа до 800 млн м³. В 2018 году началось строительство Волгоградского ПХГ с планируемым объемом активного газа 830 млн м³. Недавно началось сооружение еще одного подземного газохранилища в соляных отложениях — Новомосковского ПХГ в Тульской области.

Как отмечает В. Казарян в книге «Подземное хранение газов и жидкостей (2006), в Англии имеется опыт подземного хранения водорода в трех соляных емкостях (объем хранения каждой — 2,2 млн м³, давление на глубине 365 метров — 5 Мпа).

Общий технический потенциал хранения в соляных кавернах Европы оценивается в 84,8 ПВт·ч (H₂), из которых 27% — материковые площадки. «Хранение водорода в соляных кавернах является наиболее перспективной технологией из-за их большой вместимости, низких инвестиционных затрат и высокой герметизации хранилищ», — отмечается в статье «Технический потенциал соляных пещер для хранения водорода в Европе» (Д. Чаглаян, Н. Вебер, Х. Хайнрих, Дж. Линнен, М. Робинсон, П. Кукла, Д. Краден. Международный журнал водородной энергетики. 2020. Т. 45. Вып. 11).

Подземные хранилища водорода в отложениях каменной соли имеют ряд преимуществ перед хранилищами в водоносных горизонтах и выработанных месторождениях нефти и газа. Среди них — несущественные потери водорода и малый объем буферного газа. Каменная соль — пластичный материал, и в процессе эксплуатации с циклированием давления полезный объем соляной каверны может уменьшаться, но незначительно: в два раза за 500 лет. Предел прочности природной каменной соли на одноосное сжатие — 15−30 МПа, а избыточное давление — 5−20 МПа (для глубин 400−1200 метров).

При транспортировке водорода к хранилищу оптимальное давление, диаметр трубопроводов, шаг компрессии, оборудование компрессорной станции (КС) для закачки водорода в хранилище будут иными, чем для природного газа; в некоторых случаях может потребоваться применение иных материалов. Как отмечается в статье «Аккумулирование водорода» (С. Малышенко, О. Назарова. Атомно-­водородная энергетика и технология. 1988. Вып. 8), «затраты энергии на компримирование водорода при его трубопроводной транспортировке и при закачке водорода в подземные хранилища в расчете на единицу передаваемой энергии примерно в четыре раза превосходят затраты энергии при транспортировке природного газа при одинаковых степенях сжатия по тому же трубопроводу. Снижение стоимости подземного хранения водорода может быть достигнуто путем совершенствования имеющейся техники и создания оборудования, специально предназначенного для водорода».

АЭС спешат на помощь
В электроэнергетике России приобрел большое значение вопрос прохождения суточных, недельных и сезонных провалов графиков нагрузок электроэнергетических систем. Для ряда энергосистем в европейской части России ночной минимум суточного графика электронагрузки оказывается значительно ниже разгрузочной способности генерирующего оборудования. И увеличение доли АЭС в общей установленной мощности энергосистем, обусловленное, например, экологией или повышением надежности энергоснабжения, потребует от них дополнительной маневренности.

В ряде отечественных исследований предлагалось использовать для электролизного производства водорода электроэнергию АЭС в периоды провала нагрузки в энергосистемах (ночные часы и выходные дни). Для этого необходимо создать сети пиковых хранилищ водорода — в них будет загружаться водород перед поставками его потребителям. Таким образом, более гибкое прохождение провалов графиков нагрузки в электроэнергетических системах с АЭС можно организовать, не изменяя уровень мощности АЭС, а направляя часть вырабатываемой энергии на электролизное производство водорода и на КС объектов хранения и транспортировки водорода.

Как отмечает Н. Пономарев-­Степной в статье «Атомно-­водородная энергетика. Потенциал лидерства» (Журнал РЭА. 2021. № 1. С. 20−23), в России энергоблоки АЭС работают в базовом режиме и практически не реагируют на моменты провалов в суточном потреблении энергии. «Реализация маневренных режимов технологически возможна, однако экономически не выгодна. Но ситуация может измениться, если периодический избыток энергии АЭС будет направлен на выработку водорода», считает Н. Пономарев-­Степной. В качестве пилотного проекта в концерне «Росэнергоатом» рассматривается создание на Кольской АЭС центра компетенций, который объединит электролизное производство водорода с освоением технологий его cжижения, компримирования, транспортировки и использования. Одна из основных задач центра — повышение КИУМ Кольской АЭС, составляющего 60−65% из-за нехватки в регионе потребителей электроэнергии.

Отметим, что кроме вышеуказанного проекта в плане мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года» обозначены и другие работы, связанные с использованием как энергии АЭС, так и водорода в качестве топлива турбин:

• разработка концепции обеспечения безопасности при производстве на АЭС водорода, его хранении и транспортировке; исследования «по обеспечению разработки, изготовления и проведения испытаний газовых турбин на метано-­водородном топливе»;
• обеспечение разработки отечественных энергоэффективных технологий получения и транспортировки водорода, а также апробация применения водородного и метано-­водородного топлива в газовых энергетических установках.

В странах Европы предлагают с помощью вырабатываемой ночью электроэнергии ветропарков производить водород по нулевым и даже отрицательным тарифам и подмешивать его к природному газу в систему газоснабжения.

Ряд экспертов считает, что «водородная» газовая турбина — ключевая технология для масштабного использования водорода в газовой энергетике. Но сегодня в мире отсутствуют промышленные газовые турбины, которые могли бы осуществлять транспортировку водорода и метано-­водородной смеси. Также отмечается негативное влияние водорода на газовые турбины. Европейский стандарт DIN EN 16 723 лимитирует допустимую концентрацию водорода в природном газе, перекачиваемом по трубопроводу, величиной 0,5%. Немецкий стандарт DVGW G262 определяет содержание водорода в природном газе не более 10% об.; в компримированном природном газе для автотранспорта — не более 2% (из-за разрушающего влияния на сталь); а в газе, используемом газовыми турбинами, — от 1 до 5%.

Известно, что сжигание водорода, имеющего самую высокую скорость пламени среди газообразного топлива, может создавать ситуацию, известную как «прикрепление пламени» — когда пламя, имеющее пиковую температуру, находится очень близко к топливной форсунке. Это может привести к перегреву и выходу из строя инжектора и окружающих его металлических компонентов. Это обстоятельство ставит перед специалистами задачу обеспечения использования для строительства водородопроводного тракта надежных материалов и оборудования, которые должны быть модернизированы, что потребует дополнительных затрат.

Сейчас разработкой газовых турбин на водороде и метано-­водородных смесях заняты все ведущие мировые энергетические компании. По данным концерна Siemens, в компании разрабатываются газовые турбины в широком диапазоне мощностей (5−593 МВт) с общим содержанием водорода в топливной смеси, сжигаемой в камерах сгорания с различными типами горелок, от 10% до 58%.

В России создано совместное КБ «Водород СМ», основным направлением работы которого станет разработка камер сгорания энергетических газотурбинных установок, работающих на топливе с высоким содержанием водорода. А в ЦИАМ им. П. И. Баранова начались исследования особенностей процессов горения водорода и метано-­водородных смесей в камерах сгорания газовых турбин.

Для развития водородной энергетики турбины, работающие на топливе с высоким содержанием водорода, потребуются, если транспорт и хранение водорода будут осуществляться в ГТС посредством газоприводных газоперекачивающих агрегатов (ГГПА), использующих в качестве топлива перекачиваемый газ. Большинство ГПА в ГТС РФ сегодня именно газоприводные, применяются также электроприводные (ЭГПА).

В случае с природным газом высокие тарифы на внешнюю электроэнергию и низкая стоимость собственно газа создали условия, при которых использование ЭГПА оказалось неэффективным. Но в случае с водородом (особенно если рассматривать электролитический водород, себестоимость которого относительно высока) ситуация будет выглядеть по-другому, и более эффективным для питания ГПА может оказаться использование электроэнергии.

ЭГПА широко применяются на зарубежных компрессорных станциях ПХГ.

В России (в Саратовской области) функционирует Песчано-­Уметное ПХГ, где осуществлен перевод КС с газового привода компрессоров на электропривод. По оценке специалистов ОАО «Газпром», использование регулируемого электропривода на КС ПХГ, имеющих неравномерный график загрузки газа, экономически оправданно.

Кроме того, эффективность применения современных ЭГПА с регулируемым числом оборотов обусловлена следующими преимуществами:

• более высокая надежность ЭГПА по сравнению с ГГПА;
• меньшие капитальные затраты на строительство, техническое обслуживание и ремонт;
• стабильность мощности ЭГПА и независимость его КПД от времени работы, числа запусков, остановок двигателя и температурных условий;
• изменение скорости вращения электродвигателя в широком диапазоне, плавные пуск и останов, неограниченное количество запусков;
• меньшая пожароопасность ЭГПА по сравнению с ГГПА.

В статье «Аккумулирование водорода» сотрудники комиссии по водородной энергетике СССР С. Малышенко и О. Назарова признали, что наиболее «детальное технико-­экономическое исследование подземного крупномасштабного хранения водорода в соляных кавернах, созданных в отложениях каменной соли при отборе водорода из хранилищ для суточного и недельного циклов хранения, выполнено в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского». В данном исследовании, основные результаты которого были опубликованы в 1984—1985 годах (Д. Крылов, Ю. Кретинина, А. Некрасов, Л. Попырин, В. Штейнгауз. Исследование целесообразности производства водорода на АЭС в периоды снижения нагрузки и использование его в пиковых ГТУ // Вопросы атомной науки и техники. 1984. Вып. 3 (19). С. 3−6; Д. Крылов, Л. Попырин, Г. Старостина. Исследование технико-­экономических показателей подземного и наземного хранения водорода при суточном и недельном режимах эксплуатации хранилищ // Вопросы атомной науки и техники. 1985. Вып. 1 (20). С. 65−70), было одобрено то, что электролитический водород производится на провальной электроэнергии АЭС, затраты на которую считались только по топливной составляющей издержек; а также то, что хранилища будут заполняться водородом в периоды провалов графиков нагрузки в энергосистемах.

Было рассмотрено два цикла загрузки водорода в ПХГ:

• суточный цикл, то есть ночное производство электролитического водорода в течение семи часов и одновременная загрузка водорода в хранилище; вечерний отбор водорода из хранилищ (годовое число загрузки ПХГ — 1900 ч);
• недельный цикл, при котором ночная наработка водорода и закачка его в хранилища в рабочие дни составляет семь часов, а в выходные дни — 48 часов (годовое число загрузки ПХГ — 3,2 тыс. часов).

В качестве вариантов суточного хранения водорода в ПХГ рассмотрены годовые активные объемы хранящегося водорода от 420 до 650 млн нм³ в геометрических емкостях водородохранилищ от 23 до 36 тыс. м³. В качестве вариантов недельного хранения водорода в ПХГ рассмотрены годовые активные объемы хранящегося водорода от 700 до 1090 млн нм³ и геометрические емкости водородохранилищ от 180 до 280 тыс. м³. Для электроприводов водородных компрессоров в системах хранения также было одобрено использование провальной электроэнергии АЭС.

Было установлено, что на стоимость создания ПХГ влияют главным образом объем и глубина заложения подземных резервуаров, способ утилизации и сброса рассола.

Установлено, что определяющее влияние на величину удельных приведенных затрат на хранение водорода имеют активные годовые объемы водорода, хранящегося в течение года в резервуарах, и величины годовых приведенных затрат на подсистему энергетического обслуживания хранилищ. Доли затрат на подсистему хранения водорода в водородохранилищах по отношению к суммарным величинам затрат на хранение водорода составляют: при суточном цикле хранения водорода и отборе его в течение двух и пяти часов в сутки — 10−14%; при недельном цикле хранения и отборе водорода в течение двух и пяти часов в сутки — 4−9%.

При использовании для привода компрессоров более дорогой электроэнергии (0,7 коп./кВт·ч) удельные затраты на хранение водорода возрастают незначительно — примерно в 1,1 и 1,2 раза для суточного и недельного циклов хранения соответственно.

В качестве основополагающих критериев применения современных регулируемых ЭГПА эксперты приводят следующие: возможность обеспечения необходимого и надежного электроснабжения потребителей по первой категории надежности от сетей энергосистемы; относительно невысокая стоимость электроэнергии; экологическое состояние региона. При определенных условиях использование электроэнергии, вырабатываемой АЭС, может вполне удовлетворять данным критериям.

Выводы
Для хранения больших объемов водорода, которое может потребоваться с развитием водородной энергетики, один из перспективных вариантов — подземное хранение в отложениях каменной соли. При подземном хранении водорода использование его в качестве топлива для приводов газотурбинных ГПА (по аналогии с существующей ГТС) в ближайшие годы нереально из-за отсутствия надежных промышленных водородных турбин. И даже при их наличии такое применение водорода, произведенного электролизом с использованием электроэнергии АЭС, неэффективно с экономической точки зрения ввиду его относительно высокой себестоимости.

В перспективе развития водородной энергетики для подземных водородохранилищ целесообразнее применять электроприводные ГПА, для питания которых следует также использовать электроэнергию АЭС. Кроме того, электроэнергия АЭС имеет минимальный углеродный след, что может стать важным фактором при экспорте водорода. Электролизное производство и закачка водорода в пиковые ПХГ в ночные часы и выходные дни хорошо соотносятся с режимами малого потребления электроэнергии в энергосистемах и позволят выровнять провалы в нагрузке АЭС. При этом могут быть обеспечены выгодные условия потребления электроэнергии АЭС по низким тарифам. Также при данных условиях функционирования пиковых ПХГ режимы работы ГПА на КС будут неравномерными, так что появится возможность максимально использовать преимущества современных электроприводных ГПА с регулируемым числом оборотов.