Рациональный водород...
Может ли энергетика попасть под влияние быстротечной и капризной моды? Если посмотреть на взрыв интереса к производству водорода в качестве энергоносителя и накопителя энергии, возникает ощущение, что уже попала. Лавинообразный рост числа научных исследований и практических проектов в этой сфере, не говоря уж о различных конференциях, за последние пару лет явно оторвался от медлительной реальности.
«Газпром» хочет разработать технологии производства водорода из метана без выбросов парниковых газов. «Росатом» желает занять до 10% мирового рынка поставок водорода, превратившись во второй «Газпром». Производители энергетических газовых турбин перенастраивают их на сжигание разных смесей и даже чистого водородного топлива. Японские автомобильные компании хотели бы видеть на дорогах электромобили не только с батареями, но и с водородными топливными элементами.
Возможно, причиной интереса к новому энергоносителю стало широкое осознание того факта, что развитие возобновляемой генерации в развитых странах упирается в пределы эффективности. Каждый дополнительный процент ВИЭ в энергобалансе даётся всё большими затратами и вызывает всё более сильные негативные эффекты в энергосистемах, в то время как выработка возобновляемой тепловой энергии топчется на месте.
Что говорит экономика
Несмотря на экзотичность нового топлива, существуют регионы, где уже сегодня экономически оправданно производство водорода в качестве энергоносителя. Например, в Мурманской области действует сильно недозагруженная Кольская АЭС. При этом некоторые населённые пункты, куда теплотрассы от неё не дотягиваются, в том числе город энергетиков Полярные Зори, отапливаются электричеством.
Интересный проект запущен в «Росэнергоатоме». В Полярных Зорях строится стендовый испытательный комплекс по производству, хранению, упаковке и транспортировке водорода. Идея в том, чтобы установить электролизёры, которые будут использоваться для получения водорода из воды. Выделяющееся в процессе электролиза тепло пойдёт через тепловые насосы на отопление города, а водородом можно будет заряжать транспорт. Это актуально: топливо в Заполярье завозится издалека и обходится дорого.
Как и в случае ТЭЦ, которые выигрывают благодаря когенерации, здесь возникает синергетический эффект от одновременного производства водорода и тепловой энергии. Более того, концерн «Энергоатом» рассчитывает организовать сжижение водорода и его доставку потребителям - в Россию и за рубеж - наземным транспортом и по Северному морскому пути.
Из всех известных способов упаковки водорода сжижение было выбрано как самая отработанная технология, по которой уже сегодня можно оценить себестоимость. Тем более что на Крайнем Севере сжижению «помогают стены», точнее, холодный климат. И хотя сам этот процесс обходится дорого, благодаря малым размерам контейнеров со сжиженным газом можно серьёзно сэкономить на его дальней транспортировке. При перевозке по морю, которая может длиться три недели, существенная часть жидкого водорода будет испаряться (примерно 1% в сутки). Одно из решений проблемы на перспективу - сбор газа и его использование в качестве топлива в судовых энергоустановках.
Концерн «Росэнергоатом» также рассматривает проекты по строительству сети водородных заправочных станций в России. По этому поводу уже идут переговоры с Московским правительством; проявляет интерес и мэрия Санкт-Петербурга.
Согласно оценкам специалистов инфраструктурного центра «Энерджинет», экономика водородной энергетики может быть привлекательной на Сахалине, в Калининградской и Ленинградской областях. В последней возможен экспорт водорода, произведённого электролизом на базе АЭС, в Германию и Нидерланды. Для этого, конечно, нужно будет разработать и реализовать ряд серьёзных проектов.
Впрочем, экспорт водорода необязателен. На удалённых территориях в изолированных энергосистемах его применение в качестве средства накопления энергии от возобновляемых источников может быть оправданно в первую очередь благодаря дороговизне привозного топлива. Специалисты из МФТИ подсчитали, что в северных улусах Якутии с помощью водорода можно сократить расходы на энергоснабжение на 25-30%. «Водород - это вполне экономичный вариант энергоносителя и энергоаккумулятора для арктической зоны Российской Федерации», - убеждён руководитель аналитического направления «Энерджинет» Игорь Чаусов.
Научно-технологический задел
В советское время основным производителем электролизёров для оснащения электростанций был свердловский завод «Уралхиммаш». Его установки до сих пор эксплуатируются на большинстве паросиловых электростанций, где для охлаждения генераторов используется водород. С 2012 года завод практически прекратил производство новых электролизёров и существует только благодаря программам ремонта ранее выпущенного оборудования.
На замену старым технологиям идут новые. В ноябре 2020-го в нашей стране появился консорциум «Технологическая водородная долина». В объединение вошли Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский госуниверситет.
В этих учреждениях имеются любопытные наработки, доведённые до этапа ОКР. Например, в научно-образовательном центре «Инженерия будущего» (Самара), прицельно занимающемся водородом, с помощью вузов-партнёров отлажены технологии хранения газа в жидких органических носителях, составленных парами веществ. Как рассказал заведующий кафедрой «Газопереработка, водородные и специальные технологии» СамГТУ Андрей Пименов, теоретически возможно довести массовое содержание водорода в жидких органических носителях до 7%. В вузе найдены и запатентованы пары хранения, которые примерно в полтора раза эффективнее пар, предложенных и реализованных в проектах за рубежом, при сопоставимых объёмах.
В Институте катализа СО РАН более двадцати лет ведутся исследования в области получения синтез-газа и других водородсодержащих газов в компактных установках. Они дают водород в виде, пригодном для заправки транспорта, или «по требованию» для питания электрохимических генераторов. Директор института Валерий Бухтияров пояснил, что в качестве сырья для каталитических генераторов водорода можно использовать традиционные топлива (дизельное, природный и сжиженный газ, бензин), синтетические продукты (метанол, диметиловый эфир, аммиак), а также перспективные возобновляемые носители (диметоксиметан, биоэтанол, биодизель). Найдены подходы к применению водорода совместно с топливами других видов в газопоршневых, газодизельных и газотурбинных энергоустановках. Учёные в институте работают над созданием метано-водородных смесей, разложением природного газа на водород и углеродные наноматериалы, ведут фундаментальные исследования по получению водорода из воды под действием солнечного света.
* * *
Будем надеяться, что количество перспективных исследований и разработок по водородной тематике со временем перейдёт в новое качество распределённой энергетики.
Читайте другие наши материалы
