Водородная лихорадка

Идти вперёд, не забывая об имеющемся заделе
14.04.2023
Константин Честнов

Осмысливая огромный интерес к применению водорода в энергетике и на транспорте, задаёшься вопросом: «Откуда прилетела водородная лихорадка?» По всему миру правительства обсуждают и строят планы перевода электростанций и автомобилей на безуглеродное топливо. Многие энергокомпании собираются в огромных количествах производить и экспортировать «зелёный» водород. Отраслевая пресса каждый день обнародует громкие заявления лидеров государств и корпораций.

Читаем в телеграм-канале Internet of Energy: «В мире формируется новый глобальный рынок низкоуглеродного водорода, на котором уже в 2030 году будут торговаться десятки миллионов тонн нового энергоносителя. Он будет транспортироваться по миру так, как сегодня это происходит с СПГ и нефтью. Кроме того, создаётся и глобальный рынок водородных технологий, годовой оборот на котором в середине века превысит двести миллиардов долларов. По крайней мере так считают в целом ряде мировых аналитических центров».

Вероятно, у водородного бума есть психологические причины. Думается, каждой стране и отдельным регионам, бедным на нефть, газ и гидроэнергию, хочется получить энергетическую независимость и добиться процветания за счёт бесплатной энергии солнца и ветра, овеществлённой в новом топливе. Специалисты предупреждают, что потери энергии по всей цепочке энергетических преобразований, начиная от электролиза и заканчивая электродвигателем водородного авто, превышают 70%, но какая разница, если солнце и ветер бесплатны?

Для стран и регионов, богатых традиционными энергоресурсами, в этих обстоятельствах важно не отстать от тренда - подготовиться к переходу на новые технологии ради сохранения экспортных рынков и статуса поставщика энергоносителей.

Между тем сегодня явно не самое удачное время для серьёзных инвестиций в водородные технологии. Ситуация непростая: по всему миру мы видим нарушения в цепочках поставок материалов и оборудования, сильную инфляцию, сложности, тормозящие международное сотрудничество в науке, неопределённость насчёт политической стабильности регионов и перспектив их дальнейшего экономического роста... Как назло, в США разразился банковский кризис, грозящий перекинуться на все страны Запада. Когда там оправятся от кризиса и снова начнут всерьёз заниматься энергетикой, неизвестно. В таких условиях спешка чревата пустыми тратами драгоценных ресурсов.

Подъёмная задача

Начальные инвестиции в водородные технологии обещают быть немалыми, а сроки окупаемости проектов пока не просматриваются. Потому что неясно, кто, где, когда и в каких объёмах будет потреблять новое топливо. Так стоит ли «бежать впереди паровоза», занимаясь капиталоёмкими проектами? Может, лучше подождать?

История показывает, что в некоторых случаях эта стратегия выигрышна. Так, страны Африки успешно пропустили этап проводной телефонизации, которая требует прокладки медного провода в каждый дом и строительства обширной сети телефонных станций, связанных друг с другом бесчисленными кабелями. Многие африканцы, никогда в жизни не видевшие проводного телефона, обзавелись сразу сотовыми аппаратами и смартфонами. (А их, кстати, можно заряжать от солнечных панелей.) Телефонизация, которая в России и на Западе растянулась на полвека, в странах Африки завершается за пять-семь лет. Возникает закономерный вопрос: стоит ли гнаться за водородной энергетикой на начальных стадиях её развития?

К сожалению, мы не можем позволить себе ждать с водородными технологиями - они необходимы для поддержания обороноспособности страны. И ещё хотелось бы получить синергию и эффект масштаба, а также не отстать от зарубежных конкурентов.

Директор аналитического направления центра «Энерджинет» Игорь Чаусов в телеграм-канале Internet of Energy отмечает: «Ставка на развитие отечественных водородных технологий позволит нам в условиях, когда нет возможности полноценно участвовать в разделе формирующегося глобального водородного рынка, тем не менее не отстать в создании водородной промышленности». Он перечисляет перспективные направления, которыми исследователи занимаются по всему миру, но на наш взгляд стоит также вспомнить об оригинальных исследованиях и разработках, сделанных в нашей стране в начале века.

Водород плюс пар

Например, в Объединённом институте высоких температур (ОИВТ) РАН прорабатывалась концепция высокотемпературной паротурбинной установки с комбинированным газоводородным топливом. Водород использовался там для того, чтобы увеличить температуру пара на входе в паровую турбину сверх нынешних 550-600 °C, обойдя ограничения, которые обусловлены жаропрочностью материалов. (Трубки теплообменников в котлах не выдерживают одновременного воздействия высоких температур и давлений, ограничивая КПД паросиловых энергоблоков.)

Учёные из ОИВТ РАН предложили тратить дорогой водород на промежуточный перегрев водяного пара, полученного в традиционном паровом котле, который работает на газе или угле. Эксперимент дал очень интересные результаты.

Теоретически путём сжигания водорода в кислороде можно обеспечить температуру пара около 3000 °C. При этом необходимо специальным образом защищать стенки камеры сгорания. В ракетно-космической технике наработаны технологии их охлаждения жидким топливом. Здесь же учёные ОИВТ РАН предложили использовать водяной пар.

Камера сжигания водорода и кислорода в паровой среде была создана и испытывалась на научно-производственном внедренческом предприятии «Турбокон» (Калуга). Вдоль стенок пароперегревателя конструкторы организовали паровую завесу с более низкой температурой. На выходе из камеры сгорания ещё добавляли пар, чтобы поступающий в турбину теплоноситель имел ту температуру, которая необходима.


Водородный пароперегреватель мощностью 100 кВт на испытаниях

Сотрудники «Турбокона» в своих научных статьях предложили использовать высокотемпературную конденсационную паровую турбину с неохлаждаемой рабочей частью, куда будет подаваться поток перегретого пара с температурой 850 °C, и охлаждаемой частью, где температура пара будет достигать 1500-1700 °C. По расчётам авторов исследования, электрический КПД электростанции с подобной паротурбинной установкой мощностью более 100 МВт (с учётом затрат на производство водорода и кислорода) превысит 55% в пересчёте на органическое топливо. При использовании установки в парогазовом цикле её КПД может достигать 65%. При этом было предложено использовать в турбине лопатки с пористым охлаждением, тоже создаваемые на основе отечественных ракетно-космических разработок.

В комплексе

Подобные проекты обеспечат внутренний спрос на водород, который концерн «Росэнергоатом» планирует получать из воды на своих атомных электростанциях. Более того, они помогут поддерживать высокоэффективную электрогенерацию в тот период, пока российские газовые турбины высокой мощности не будут отлажены и поставлены на поток. Важно, что так можно будет совершенствовать водородные технологии и производство, не дожидаясь окончания западного финансового кризиса и нормализации геополитической ситуации на экспортных рынках.

Имея свои наработки в водородной энергетике, мы должны их использовать и развивать, критически глядя на приходящие из-за рубежа прогнозы о развитии отраслей. В конце концов, историю науки и технологий творят учёные и инженеры, а не аналитики.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы