Намекая на свойства водорода поднимать вверх, эту статью можно было бы озаглавить «Легче легкого». Но не будем этого делать, поскольку ядерно-водородная энергетика – это, безусловно, один из непростых проектов на дальнюю перспективу. Вопросы производства, дистрибуции, специфические аспекты безопасности, создание целых секторов потребления – задача не только Концерна и не только атомной отрасли, но всей техносферы в целом… Сопоставимая с революцией паровых машин, двигателя внутреннего сгорания, электрификации. Однако именно Концерн выходит с иницативой, которая может изменить наш мир к лучшему. Перспективам и задачам водородной энергетики был посвящен семинар, который прошел под председательством академика РАН, советника генерального директора Концерна «Росэнергоатом» по науке Николая Пономарева-Степного
Николай Пономарев-Степной отметил, что исследования возможности промышленного производства водорода с использованием ядерных реакторов имеют многолетнюю историю. Во времена СССР в исследования по этому направлению было вовлечено несколько союзных министерств – это Минсредмаш, Министерство общего машиностроения, Министерство энергетики, Минхимпром. Результаты тех работ публиковались в специальных выпусках по водородной энергетике. Уже тогда это направление было названо «атомно-водородная энергетика», поскольку возникла ясность, что наиболее эффективным для производства водорода будет использование энергии, производимой атомными реакторами. При экономически и экологически приемлемом способе получения значительных объемов водорода человечество может открыть новый технологический уклад атомной энергетики.
В настоящее время основным продуктом Концерна является электроэнергия, генерируемая паровыми турбинами. Но в будущем ключевым продуктом АЭС может стать также и водород. Именно этот энергоноситель вместе с поступающей в сети электроэнергией позволит обеспечить полностью зеленую энергетику, без эмиссии углекислого газа в атмосферу. В настоящее время наибольшую активность в работе над «водородным» направлением проявляет Япония: анализ показывает, что этот энергоноситель может значительно изменить ситуацию в таких важнейших направлениях экономики, как транспорт, химическая промышленность, энергетика, коммунальный сектор, дополнение сектора возобновляемой генерации и т. д.
Прежде чем возможности водорода придут в нашу жизнь, необходимо проработать ряд направлений. Первое – это отработка экономически и экологически приемлемой технологии производства водорода. Основной технологией видится высокотемпературная конверсия метана; именно это направление и является в настоящее время основным. Однако для получения высокой температуры, при которой происходит реакция, сжигается тот же природный газ, то есть экологический и экономический эффект нивелируется. Перспективным направлением получения тепла для производства водорода по этой же технологии видится использование ядерных реакторов, что позволит производить водород без выбросов углекислоты в атмосферу.
Необходимо также проработать вопросы, связанные со специфической водородной безопасностью: транспортировка, хранение, сеть дистрибуции и иные аспекты, позволяющие обеспечить расширенное производство и потребление водорода. Необходимо, как и в случае с традиционной атомной энергетикой, добиться общественной приемлемости технологии, чтобы общество восприняло водород как безопасную и безусловно полезную технологию.
Николай Пономарев-Степной напомнил, что еще в советское время были разработаны технические проекты атомных энерготехнологических станций, которые могли производить как водород, так и другие продукты для нужд промышленности. Уже в то время было понятно, что на производство электроэнергии тратится лишь порядка трети ресурсов; другие две трети – это потребности отопления и транспорта. Освоение этих направлений с опорой на атомную энергию и было решено проводить с помощью водорода.
В 1987 году было принято постановление Правительства СССР о возведении пяти атомных энерготехнологических блоков в разных регионах страны. Однако перемены в общественном устройстве помешали этим планам. Работы замедлились, хотя и не останавливались. Продолжалось научно-техническое сотрудничество с зарубежными коллегами из США, Франции, Японии, велась разработка высокотемпературного газового реактора для энергетических и технологических целей. Российские ученые участвовали в мировой программе водородной энергетики, взаимодействовали с учеными из ЮАР, Китая.
Толчком к возобновлению активности на данном направлении стал международный форум в Давосе, где в 2017 году на Водородном совете был представлен доклад о различных областях применения водорода. Было отмечено, что приблизительно к середине века производство водорода должно вырасти в разы – с 50 млн тонн сегодня до 500 млн. Одновременно японское правительство во главе с господином Синдзо Абэ приняло решение об активном освоении водородной энергетики в Японии. В настоящее время Концерн способен предложить совместную работу со сложением знаний и возможностей разных стран для создания нового технологического уклада мировой энергетики. Объединение возможностей высокотемпературных газовых реакторов и запасов органического топлива позволит перейти к экологически чистому производству водорода и обеспечить потребности в этом ресурсе.
Каким образом видится возможная «дорожная карта» создания такого производства? Объединив усилия, мы могли бы создать атомную энерготехнологическую станцию уже в 2030-е годы с объемом производства до 1 млн тонн в год. Если этот проект будет реализован на Дальнем Востоке, то он сможет стать важнейшим центром для обеспечения и российских потребителей на Дальнем Востоке, и Японии, и других развитых стран. Такой проект может быть совместным, если найдет поддержку на государственном уровне с обеих сторон.
Кроме развития производства, необходимо будет развивать и потребление этого ресурса, в первую очередь направление технологии топливных элементов как наиболее эффективного в настоящее время способа использования водорода для получения электричества, с наибольшим КПД и без выбросов продуктов сгорания. На определенном этапе перспективным будет и электролизный процесс производства водорода, например с использованием энергии, производимой на АЭС. Также, напомнил Николай Пономарев-Степной, опыт атомной отрасли будет важен для формирования технологий водородной безопасности – необходимого условия для широкого освоения этого энергоносителя.
При разработке «атомного» производства водорода можно использовать две технологии. В основе обеих технологий – реакторы, которые могут нагревать гелий до температуры в 900 градусов Цельсия и производят на теплообменнике пар с высокой температурой. Такие установки уже существуют в исследовательском варианте в США, Германии, Великобритании, Японии, и в ближайшее время появятся два опытно-промышленных блока в Китае. Вторая часть технологии – это выбор способа конверсии метана: либо паровая, либо адиабатическая. Обе технологии используют природный газ и получают водород, соединяя природный газ и воду; условие прохождения реакции – высокая температура. В случае паровой конверсии метана (это технология освоенная, и 90 % водорода получают именно таким образом) эту температуру обеспечивает сжигание газа. В процессе освоения технологии, сочетания высокотемпературного реактора и химической установки производства водорода можно использовать и адиабатическую конверсию, которая требует несколько меньшей температуры – по
рядка 700 градусов Цельсия. Для этого потребуется парогенератор, который может производить пар необходимой температуры, используя тепло от реактора.
Другие технологии производства водорода (сернокислотных, с использованием бромистых соединений и т. п.) также оценивались (например, во взаимодействии с General Atomics, США, которая создала экспериментальный комплекс), однако сложность этих подходов – необходимость очень стойких к агрессивным средам материалов. Пока эти технологии отложены на будущее. Изучались и другие варианты использования энергии ядерных реакторов. Минимальная температура, при которой мы можем реализовать адиабатическую реакцию, – 700 градусов. Эту температуру можно получить и с использованием жидкометаллического либо жидкосолевого теплоносителя. Однако более подходящей по температурным параметрам и освоенности видится технология гелиевых реакторов.
Время думать и время проектировать
Виталий Петрунин, первый заместитель генерального директора – главный конструктор ОКБМ им. Африкантова, рассказал об имеющихся и перспективных наработках по созданию высокотемпературных реакторов. Он напомнил, что запасы водорода на земле весьма значительны – наиболее легкие в освоении запасы представлены в форме метана, который может быть преобразован методом высокотемпературной конверсии. Водород представлен также в воде и может извлекаться благодаря электролизу. Еще один метод получения водорода – газификация угля. В середине века потребуется уже до 500 млн тонн водорода. Но попытка обеспечить этот объем, сжигая метан, приведет к очень значительным дополнительным выбросам парниковых газов (на 1 кг водорода – до 4,2 кг углекислого газа). Возможность избежать этого – освоение производства без сжигания органики, за счет атомного тепла.
Уже в XX веке не только в СССР, но и в мире сложилось понимание, что технология перспективна. Научные работы велись в ряде стран, причем наибольших успехов в создании высокотемпературных газовых реакторов достигла Германия, там были созданы и успешно работали два экспериментальных аппарата. На одном из них была достигнута температура в 1000 градусов, аппарат проработал примерно 20 лет. На основе высокотемпературного реактора была построена небольшая электростанция мощностью 300 МВт электроэнергии, которая проработала больше 10 лет. Экспериментальные установки по высокотемпературному направлению работали в США и Великобритании; экспериментальный реактор был создан в 1998 году в Японии. Однако эта технология на тот момент опередила свое время и не оказалась востребована в силу экономических причин; ряд проблем при эксплуатации экспериментальных аппаратов показал, что необходимы дополнительные исследования.
В настоящее время исследования эффективности, разработка новых проектов высокотемпературных реакторов продолжаются. В наибольшей степени продвинулись наши китайские коллеги, которые уже строят опытно-промышленные блоки, первый из которых планируется запустить в 2019 году. В различной стадии реализации и другие проекты.
В Советском Союзе были выполнены опытно-конструкторские работы по большому количеству вариантов высокотемпературных реакторов; наиболее проработанный проект – установка ВД-400 мощностью 15 МВт(э). Были созданы стенды, проверены испытания. Они показали, что технология высокотемпературных реакторов реализуема и безопасна, поскольку основана на использовании особого (керамического) топлива, которое невозможно расплавить при любых аварийных ситуациях, а реактор может быть остановлен без охлаждения и перейдет в режим расхолаживания, взаимодействуя с окружающей средой.
В общей сложности советскими атомщиками было создано более 70 экспериментальных стендов, такие как стенд горячих химических испытаний в Курчатовском институте; эта установка остается в эксплуатации и позволяет проводить эксперименты по освоению нейтронной физики в обоснование реактора; действует и «холодный» стенд в Курчатовском институте. Создана уникальная технология производства высокотемпературного топлива (микротвэлов), изготовлено более 30 тыс. микротвэлов (владельцами технологии являются ВНИИ им. Бочвара и НПО «Луч»). Боксовые установки, законсервированные в настоящий момент, были созданы благодаря совместному проекту с США, который был реализован при паритетном финансировании с 1990 по 2013 год (в 2012 году ОКБМ посетил заместитель министра энергетики США, мы демонстрировали ему созданные стенды). Создан реакторный графит высокой чистоты, отработаны технологии изготовления графитовых блоков для высокотемпературных реакторов. В ОКБМ есть оборудование и технология для производства реакторов и иных элеме
нтов энергоблоков этого типа (например, налажена технологическая цепочка изготовления высокотемпературного парогенератора). Отработаны и другие элементы, например сервопривода для системы управления и защиты реактора.
В настоящее время мы готовы предложить к реализации проект атомной энерготехнологической станции, в основе которой лежит высокотемпературный реактор. Практически все НИОКР по реактору завершены, и можно выполнять стадию проектирования. Именно эта установка позволяет реализовать технологию конверсии метана без выбросов углекислого газа.
Экономические оценки концептуального проекта атомной энерготехнологической станции (четыре блока мощностью по 600 МВт производительность 840 тыс. тонн водорода в год) при стоимости водорода 1,5 долл./кг и с учетом дисконтирования 6 % показывают, что проект окупается в течение семи лет.
При этом выполнены сравнения различных методов производства водорода – методом паровой адиабатической конверсии метана, газификации угля и высокотемпературного электролиза. Наиболее освоенная и продвинутая технология – конверсия метана, которая не требует создания новых высокотемпературных материалов и решения иных проблем, тогда как для высокотемпературного электролиза или газификации угля необходимо достигать температуры порядка одной тысячи градусов.
В качестве вывода Виталий Петрунин еще раз подчеркнул, что развитие идей высокотемпературного газового реактора позволяет выйти на порог принятия решений о реализации экономически приемлемой технологии промышленного производства водорода, что при развитии данных производств позволит обеспечить переход человечества к новому виду энергетики.
Страна восходящего водорода
Выступление представителей компании Toshiba было посвящено японской стратегии развития водородной энергетики и позиции компании в этом направлении. По словам докладчиков, стратегический план перехода к водородной энергетике был принят японским правительством, поскольку в стране остро стоят проблемы экологии, энергетической безопасности. Переход к водородной энергетике планируется осуществить в три этапа. В настоящее время проходит первый этап: это расширение использования водорода в автомобилях благодаря топливным элементам, наработка малых топливных элементов. На данном этапе еще не важно, приводит ли производство водорода к выбросам парниковых газов в атмосферу. На втором этапе, который начнется в середине 2020-х, потребление водорода будет связано с выработкой электроэнергии. На данном этапе важно построить цепочки поставок водорода. Наконец, на третьем этапе, к 2040 году, планируется полный переход на водород без выбросов парниковых газов.
С учетом третьего этапа стратегии правительства к производству водорода без углекислого газа Toshiba стремится применить решения по производству водорода, связанные с возобновляемой энергией. Рассматривается коммерциализация различных направлений, таких как накопление водородной энергии, технология «энергия – газ». Компания Toshiba обладает технологиями, которые полностью охватывают цепочку от производства до применения водорода.
Если говорить о производстве водорода, это не только преобразование энергии в газ, но и возможность балансирования спроса и предложения в энергосети: покупка дешевой энергии, производство и последующая продажа водорода. Что касается системы производства и хранения водорода, видятся перспективными два типа установок: станции, которые позволяют производить водород из возобновляемой энергии, и локальные станции по поставке водорода. Имеющиеся у компании наработки позволяют выйти на производство до 900 тонн водорода ежегодно, а также обеспечивать баланс спроса и предложения от 1,5 до 20 МВт. Работы по данному проекту начаты, их предполагается завершить в июле 2020 года.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
