Водородный цикл как условие функционирования энергоэффективной экономики
Дата: 12/12/2011
Тема: Альтернативные источники энергии



С.А.Субботин, к.т.н.,  НИЦ «Курчатовский институт»


Т.Д.Щепетина, к.т.н., НИЦ «Курчатовский институт»


Преамбула. Недавно опубликованная статья уважаемого А. Просвирнова вызвала волну непонимания, в основном, в части энергетического обеспечения «водородного будущего». Предлагаем взглянуть на «водородную экономику» еще и с другой стороны.


Введение

Немного повторимся. В настоящее время в области энергетической безопасности отмечаются такие глобальные вызовы как ограниченность доступного углеводородного сырья (УВС) и угроза климатических изменений.

Существенной оздоровительной мерой в плане решения этих проблем было бы массовое переключение на источники энергии и технологии с меньшей эмиссией парниковых газов. Среди таковых можно перечислить:

·       Атомная энергетика

·       Возобновляемые источники (гидро, ветер, солнце, приливы, геотермия)

·       Водородная энергетика

·       Энергосбережение.

На высоких государственных уровнях разных стран в последнее время декларируются в качестве перспективы: «водородная энергетика»; «водородная экономика» и даже «водородная цивилизация». Как важнейший вариант решения предлагается «энергоэкологическая революция».

Кроме задачи снижения выбросов, в нашем понимании этот «водородный вектор» нацелен на сохранение природных ресурсов нефти и газа для будущих поколений и как ценного сырья для производства пластмасс и другой химической продукции, а также для расширения ресурсной базы для производства синтетического топлива для транспортных средств.

Пока наиболее доступными возможностями массового переключения на источники энергии, не эмитирующие парниковые газы обладает Атомная энергетика - как квазивозобновляемая энерготехнология при наличии технологии бридинга топлива.

Водород представляет собой вторичный энергоноситель (переносчик, аккумулятор энергии и химреагент), но не энергоисточник, т. к. на его получение надо затратить первичную энергию: при переводе в условное топливо получается, что на производство 1 м3 водорода (имеющего эквивалент ~ 400 г.у.т.) путем электролиза расходуется 5,5-6 квт∙час электроэнергии (или 1750-1880 г.у.т.).

В этой «водородной» связке существуют сопряженные задачи – эффективное производство водорода, хранение, транспортировка, эффективное использование, институциональные проблемы.

Основные пути технологического применения водорода

В структуре использования водорода два главных направления: в качестве химического продукта и в качестве энергоносителя.

До настоящего времени главным направлением, по объемам потребления, является использование водорода в химической и нефтехимической промышленностях. В таблице 1 приведена структура мирового потребления водорода.

Таблица 1. Структура мирового потребления водорода

Технологии, потребляющие водород

Доля, %

Синтез аммиака

30-60

Гидрогенизация и гидроочистка

15-25

Гидрокрекинг

10-22

Синтез метанола

5-10

Нефтехимический синтез

3-7

Различные химические производства, металлургия, жидкий водород и др.

2-14


В качестве топлива водород применялся для ракеты-носителя «Энергия». Добавление водорода к топливной композиции газотурбинных установок (ГТУ) повышает их эффективность.

На ближайшую перспективу наиболее актуальным является использование водорода:

  • в качестве универсального реагента очистки продуктов нефтеперерабатывающей промышленности от серы,
  • для переработки тяжелых фракций нефти (мазутов) до легких ее компонентов.
  • А также автотранспорт и топливные элементы для автономных потребителей (порядка 300 кВт).
Основной путь развития нефтепереработки связан с ростом потребления водорода, позволяющего углубить процессы очистки и крекинга.

В качестве самого масштабного и перспективного направления можно рассматривать использование водорода в комплексе с электронно-ускорительной техникой или другими каталитическими процессами для производства легких углеводородов (синтетических моторных топлив) из неконвенционной нефти и другого органического сырья.

Поскольку запасы тяжелых и трудноизвлекаемых углеводородных ресурсов значительно превышают быстро истощающиеся запасы конвенционных нефтей, то энергоэффективные способы конверсии их в традиционные формы представляют особый интерес.

В упрощенной форме процесс конверсии может быть представлен как «дробление» крупных молекул битумной фракции на более мелкие с присоединением водорода. Технологическое оформление этих процессов может быть различным, но ключевыми факторами будут подвод тепловой энергии и водорода (возможно присутствие катализаторов), а также электроэнергии.

Еще одним сопряженным энергозатратным процессом будет являться извлечение сверхвязких тяжелых фракций нефти из скважин - применяются тепловые методы с закачкой пара в природные пласты. И все эти энергозатраты рационально переложить на плечи атомных энергоисточников.

Объемы потребления водорода и соответствующие энергозатраты

Зачастую люди с нетехническим образованием, и как правило все политики, даже не подозревают, что «водород не растет в огороде»!, что его еще надо «получать», а на это затратить «море» энергии.

Водород в природных условиях может образовываться только в процессах фотосинтеза в живых организмах или выделяться из геологических формаций. Это высокоактивный химический элемент и в свободном состоянии в Природе мало распространен.

История и прогноз годового потребления водорода в мире, а также энергозатраты для его производства представлены в таблице 2.


Таблица 2. Производство/потребление водорода и необходимые энергозатраты

Годы

1978

1985

2005

2025

Потребление, млн.т./год

11,5

13,6

50,0

170-230

Энергетический эквивалент, млн.т.н.э.

33

39

140

490-660

Необходимая энергия для производства, млн.т.н.э.:                       минимальная
          средняя



66
100



78
120



280
520



980-1320
1500-2000

Минимальная требуемая[1] тепловая мощность АЭС с ВТР, ГВт при j=0,8;

110

130

460

1600-2200


В недалеком будущем потребность в водороде может приблизиться к потребности в электричестве в эквивалентном энергетическом измерении.

В этом свете тривиальное понимание «водородной энергетики» как банальное сжигание водорода в топках котлов для получения электроэнергии через паротурбинный цикл выглядит просто нелепостью.

Обзор технологий получения Н2 и сопутствующих факторов

Наиболее распространенная технология получения водорода сегодня - паровая конверсия метана:

(стадия 1) СН4 + Н2О = СО +3Н2;

(стадия 2) СО + Н2О(г) = СО2 +Н2.

Для нее характерна относительно низкая стоимость - 1,0-1,5 долл./кг Н2. Сегодня в США производится в год около 106 т водорода, на что расходуется ~ 5% полного потребления природного газа и эмитируется около 100 млн. т СО2. Но использование природного газа для широкомасштабного производства водорода нельзя считать приемлемым даже для технологического применения, поскольку газ является самоценным продуктом.

Изводить же природный газ на водород с целью его сжигания для энергетических нужд – это хуже, чем «топить ассигнациями».

Наиболее приемлемой следует считать технологию производства Н2 из воды электролизом или прямым восстановлением с помощью высокотемпературных процессов. Полная термическая диссоциация (пиролиз) воды на  водород и кислород

Н2О ® Н2 + ½ О2

возможна при температурах 2500-3000 оС. Но проблема заключается в том, что это энергозатратные (энерго не эффективные) технологии и, к тому же, для их реализации пока отсутствуют необходимые конструкционные материалы.

Отсутствие материалов, способных выдерживать высокие температуры вынуждает идти по пути термохимического расщепления воды в присутствии катализаторов при температурах 600 – 1000 оС:

  • Это, во-первых, низкотемпературный электролиз - используются электролизеры с КПД до 75%; стоимость производимого продукта 4-6 долл./кг водорода (данная технология пригодна для применения в режиме аккумулирования энергии от АЭС, работающей в базовом режиме для выдачи её в пиковых режимах или продажи водорода на рынке).
  • Во-вторых, это высокотемпературный электролиз пара при уровне температур процесса ~ 800 оС. Эффективно использование электричества и тепла от АЭС с высокотемпературными реакторами при полном КПД ~ 50%.
  • И, в-третьих, это термохимическое или термоэлектрохимическое разложение воды посредством ряда химических реакций с рециклом реагентов. Например, серно-йодный цикл – диапазон температуры процессов от 350 и до 850 оС. Важно отметить, что масштаб производительности этих химических реакций в основном определяется объемом химреактора. С использованием модульных реакторов ВТГР оценка стоимости получаемого водорода составит 1,5-2,0 долл./кг.  
Также возможны альтернативные термохимические циклы при температуре около 550 оС. Одним из них является процесс паро-водородной конверсии в прямо-контактном парогенераторе Pb–K|H2O­ при умеренных температурах с помощью жидкометаллических катализаторов. Для энергообеспечения этих процессов может быть применён более широкий класс реакторов (БН, СВБР, солевые и др.), которые могут обеспечить необходимые для реакции условия.


Источники энергии для производства водорода

Поэтому ключевым моментом осуществления «водородной экономики/водородной цивилизации» будет наличие «дешевых», экологически приемлемых и целесообразных методов его получения.

Наиболее логично было бы для получения такого экологически чистого энергоносителя как водород использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ).


Справка.  Н2 от возобновляемых источников энергии: по расчетам объединения «Беллона», для того чтобы к 2010 все продаваемые в Европе автомобили могли работать на водороде, требуется установка приблизительно 65000 новых ветряков ежегодно, или введение дополнительных мощностей в солнечной энергетике около 200 ГВ в год, что в 2700 раз превышает существующие.

Единственным реалистичным вариантом применения ВЭИ для производства Н2 в России смотрится создание крупной приливной электростанции в Пенжинской губе с организацией электролизного производства водорода и транспортировкой его морем потребителям (в том числе в страны АТР). В этой «удаленной точке» возможное энергопроизводство оценивается установленной мощностью 87 ГВт (эл.). Других прямых потребителей такого масштаба там нет и не предвидится; дальний транспорт по ЛЭП тоже маловероятен.


Другим перспективным источником чистой энергии для широкомасштабного производства водорода является атомная энергетика.

Аксиомы для постановки задачи широкомасштабного производства водорода
  • Эпоха дешевых энергетических ресурсов заканчивается. Предстоит сложный период адаптации экономики к дорогим энергоресурсам.
  • Атомная энергетика, как самая молодая из масштабных энерготехнологий, в наибольшей степени готова к этому.
  • При масштабном развитии АЭ помогает обществу увеличить временной интервал этого перехода за счет того, что:
    • она сама возьмет на себя часть энергопроизводства,
    • с ее помощью возможно вовлечение в сферу эффективного хозяйствования низкокачественных и труднодоступных ресурсов органического топлива.
Очевидна необходимость решения системной задачи, связанной с получением водорода, чистой воды для него и энергии при выполнении требований по экологии и безопасности. При этом экономическая эффективность отдельного технологического процесса или даже технологии может быть и не оптимальной, поскольку при системном подходе определяющим индикатором является эффективность всей системы по всему жизненному циклу.

Что означает такая постановка системной задачи? А то, что основные проблемы водородной экономики - технологии производства, хранения, транспортировки, подготовленная вода (опреснение) - все это требует энергозатрат и через выбранный энергоисточник имеет соответствующие экологические последствия. Также приобретают важное значение институциональные вопросы (инфраструктурные), определяющие «правила игры».

Отсутствие необходимой институциональной среды и промышленной инфраструктуры снабжения потребителей водородом будет являться одним из основных сдерживающих факторов развития водородной энергетики:

·       институциональный подход к решению этой стратегической задачи - все явления рассматривать совместно с политическими и социальными проявлениями;

·       институциональная система должна способствовать единению интересов федеральной и региональной, законодательной и исполнительной власти привлечению крупного капитала; координировать общие усилия государства, бизнеса и науки по развитию водородной экономики.

Институциональная среда включает в себя:

·       - нормативно-правовую базу водородной энергетики;

·       - улучшение законодательства; приведение регионального хозяйственного законодательства в соответствие с федеральным (и м.б. наоборот);

·       - прозрачность отношений собственности;

·       - защищенность предприятий от различного рода угроз;

·       - учет интересов взаимодействующих субъектов – государственно-частное партнерство; вовлечение бизнеса в стратегические направления экономического развития;

·       - образование, информационное обеспечение населения;

·       - научно-аналитические методы выявления слабых звеньев и угроз энергобезопасности в регионах;

·       - защита интеллектуальной собственности;

·       - стимулирование развития инфраструктуры поставок водорода потребителям.

Из системной постановки задачи вытекает и следующий ее элемент:

Необходимость консолидации энергоотраслей

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК)
является системообразующим базисом для экономики страны и мира. Поэтому решающим фактором здесь должна являться вовсе не прибыль с добычи и продажи ресурсов. Ибо история развития экономики показывает, что богатеют не те, кто добывает ресурсы, а те, кто эффективно их использует. Рачительный хозяин – это тот, кто использует ресурсы согласно их уникальным свойствам: газ, нефть – как сырье для органического синтеза, уран – как энергоресурс.

Необходимо искать такие пути развития, при которых энергетика и ТЭК как единый «организм» позволяют наилучшим образом развиваться каждой составляющей:

·       нефть и газ используются как высокоценное сырье для химии, транспорта и источник экспортных поступлений;

·       уголь используется как источник энергии для производства электричества, снабжения теплом домашних хозяйств, в металлургии, для производства жидких и газообразных вторичных энергоносителей и т.д.;

·       «многопродуктовая» атомная энергетика – для замещения нефти и газа в производстве дешевой электроэнергии, для производства синтетических моторных топлив, надежного снабжения энергией удаленных районов, для экспорта высоких технологий.

Роль Атомной Энергетики в ТЭК и масштабном производстве водорода

Если принять как постулат то, что основной источник получения Н2 должен быть не из газа, а из воды, то приоритетными становятся технологии электролиза за счет дешевого электричества или прямого восстановления с помощью высокотемпературных реакторов. Поэтому масштабную «водородную энергетику» следует отождествлять с «атомно-водородной энергетикой».

Атомная энергетика в общей стратегии ТЭК – это не альтернатива и не конкурент, а потенциал сохранения эффективности нефтегазового комплекса на долгие годы, могущий повысить надежность и безопасность энергоснабжения. АЭ становится «источником источника» энергии и других ресурсов.

Сотрудничество органической и атомной энергетики может включать также:

·       добычу, очистку, перекачку, сжижение и транспорт газа;

·       интенсификацию добычи и переработки нефти и газа;

·       ожижение и газификацию угля;

·       воспроизводство и улучшение потребительского качества огромных запасов некондиционных органических ресурсов (например, превращение угля и тяжелой нефти в моторное топливо с помощью водорода);

·       масштабное производство водорода из воды.

АЭ может взять на себя производство более половины добавляемого тепла для обеспечения эффективного протекания процессов газификации угля.

Комбинация в энерготехнологическом комплексе АС для получения различных типов энергии, производства Н2 и чистой воды, моторных топлив может представлять собой автономный энерготехнологический комплекс для обеспечения жизнедеятельности в удаленных и труднодоступных регионах.

Атомно-водородная энергетика – это конверсия энергии деления ядер тяжелых элементов во вторичные энергоносители (через Н2 в жидкие моторные топлива - ЖМТ), более привычные для использования в уже привычных технологиях и инфраструктурах.

Практически неограниченная ресурсная база АЭ может быть реализована с помощью реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и замкнутого топливного цикла.


Базовые суждения об организации системы многопродуктовой атомной энергетики

·       ядерная энергетика - единственный существующий энергетический ресурс, который может быть использован в ближайшие десятилетия в нужных масштабах;

·       репродуцирование современной структуры АЭ не решает энергетических проблем. Необходимо организовать полномасштабный топливный цикл, чтобы задействовать энергетический ресурс урана -238;

·       существующие, разрабатываемые и предлагаемые реакторные направления не обладают ни в отдельности, ни в их совокупности необходимым и достаточным для осуществления убедительного выбора набором характеристик, физических и математических моделей, экспериментальной и технологической базами, поэтому необходимо создавать Систему АЭ.


Заключение

В качестве дальнейшего направления работ по направлению к «водородной цивилизации» можно
рассматривать следующие:

  • организация работ по углубленному анализу сфер консолидации Атомной энергетики и ТЭК для расширения ресурсной базы УВС за счет вовлечения их низкокачественных и трудноизвлекаемых запасов при помощи АЭ;
  • проведение технико-экономических исследований возможных изменений структуры материальных потоков УВС (угольной, газовой и нефтяной отраслей) при консолидации с АЭ (учитывая вторичные энергоносители);
  • Выполнение оценок возможностей применения АЭ в добывающих комплексах в удаленных районах;
  • рассмотрение технико-экономических возможностей применения АЭ для интенсификации добычи ресурсов на существующих и старых месторождениях;
  • оценка возможности участия АЭ при производстве синтетических моторных топлив;
  • демонстрация стабилизирующей роли АЭ при совместном с традиционными энерготехнологиями развитии;
  • организация взаимовыгодного диалога представителей ТЭК и АЭ с целью совместного решения общих задач ТЭКа и АЭ по реализации системного подхода в создании безопасного замкнутого топливного цикла АЭ.

И никто не в праве запретить ожидания новых источников «другой» энергии; и на атомной энергетике свет клином не сошелся; наверняка у Природы в закромах много чего еще интересного для нас пока припрятано…



[1] Это открывает в 21 веке для атомной энергетики энергетическую нишу не меньшую, чем для производства электроэнергии.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3456