Энергетическая стратегия России на период до 2035 года ставит задачу по объемам экспорта водорода 0,2 млн тонн к 2024 году и 2 млн тонн к 2035 году. Концерн вместе с рядом других системообразующих компаний страны включился в отработку процессов по производству водорода. Проработкой и составлением программ сбыта в Росатоме поручено заниматься АО «Русатом Оверсиз», с которым АО «Концерн Росэнергоатом» тесно взаимодействует, готовя производство товарного водорода с использованием электроэнергии, производимой на АЭС Концерна. При этом экспертами отмечается следующая основная задача для налаживания стабильного экспорта товарного водорода – убедить мировое сообщество в достаточно «зеленом» оттенке водорода, произведенного в электролизерах за счет энергии АЭС. Руководитель проекта АО «ВНИИАЭС» Юрий Конев
Основной целью выполнения инвестиционного мероприятия Концерна является оценка и повышение эффективности водородного производства, а также накопление опыта по проектированию и эксплуатации водородных производств в районах расположения АЭС. Известно, что в силу особенностей сетевого комплекса и структуры региональной экономики Кольская АЭС функционирует в условиях диспетчерских ограничений, и фактически в нашем распоряжении мощность целого блока ВВЭР-440. В этой связи мы планируем использовать доступную нам энергию для отработки технологий производства водорода. В планах до 2025 года создать и ввести в эксплуатацию стендовый испытательный комплекс (СИК) Кольской АЭС производительностью 162 тонны в год и далее ежегодно увеличивать производство, чтобы до 2030 года выйти на сравнительно крупномасштабное производство (исходя из резерва мощности блока ВВЭР-440)около 60 тыс. тонн в год.
Задача в целом – оценить прикладное значение доступных технологий и их экономические модели по реализации конкретных проектов в условиях российской экономики для управления стоимостью товарного водорода, производимого с использованием мощностей АЭС. Росэнергоатом сосредотачивает усилия на электролизной технологии как базовом варианте. Стендовый испытательный комплекс по производству, хранению, упаковке и транспортировке водорода с технологическим участком по утилизации тепла в районе расположения Кольской АЭС будет состоять из следующих технологических участков.
- Технологический участок локального производства водорода методом электролиза включает такое основное технологическое оборудование, как установка подготовки воды, электролизеры мембранный и щелочной, установка очистки водорода. Производить водород планируется как на щелочных, так и на протонообменных электролизерах мегаваттного класса.
- Технологический участок с водородной тепловой установкой включает основное технологическое оборудование: оригинальный высокотемпературный тепловой насос, пункт присоединения к центральным отопительным сетям, систему автоматического управления. В рамках инвестиционного проекта до 2024 года планируется оценить схему использования образующегося тепла при производстве водорода для теплоснабжения населенных пунктов. На СИК Кольской АЭС получат оценку варианты упаковки водорода посредством компримирования и ожижения.
- Технологический участок компримирования водорода включает следующее основное технологическое оборудование: мобильную систему хранения, модуль компримирования водорода, стационарное хранилище водорода в компримированном виде.
- Технологический участок ожижения водорода включает такое основное технологическое оборудование, как установка ожижения водорода, стационарное хранилище жидкого водорода с терминалом заправки транспортных контейнеров, транспортные криогенные контейнеры. При успешной реализации и опытной эксплуатации технологий производства, хранения и упаковки водорода на СИК Кольской АЭС в дальнейшем планируются испытания технологии наземной транспортировки криогенных контейнеров и контейнеров с компримированным водородом, а также испытания на водных маршрутах с привлечением морских судов. В перспективе планируются испытания технологии эксплуатации водородной заправочной станции и общественного транспорта как пилотный проект по развитию инфраструктуры потребления водорода.
- Центральный административный комплекс объединяет административный модуль, лабораторный модуль и модуль управления комплексом.
Такова предварительная концепция, которая будет реализована на СИК производства, хранения, упаковки и транспортировки водорода в районе расположения Кольской АЭС.
Изучается также потенциал решений по органо-жидкостным системам, но пока готовых к рынку решений с наличием оборудования и прозрачной себестоимостью не найдено. Рассматривая все возможные варианты, мы ожидаем конкретных решений с понятной экономикой и возможностями масштабирования. Как только такие предложения будут поступать, их можно будет рассматривать для включения в наши проекты, но это должны быть технологии не лабораторного этапа, а хотя бы пилотные варианты рыночных продуктов.
Среди множества представленных вариантов хранения, упаковки и транспортировки водорода в проекте с участием Кольской АЭС мы планируем использовать в основном ожиженный и в меньшей степени компримированный водород. Другие технологии будут оцениваться по мере их готовности. Мы учитываем, что водород чрезвычайно подвижный и летучий газ и эффективность тех или иных его форм хранения следует рассматривать с учетом потерь. Оценочная себестоимость упаковки водорода путем ожижения СИК Кольской АЭС составляет около трех долларов за килограмм, при этом просматривается возможность значительного снижения этой себестоимости. Жидкий водород имеет самую высокую плотность по сравнению с рядом других форм, и в стандартный 40-футовый контейнер может вместиться до 3,5 тонн водорода. В то же время потери, например, за время прохождения по маршруту Севморпути, могут составить до 10% (текущий уровень потерь на испарение для современных криогенных контейнеров не более 0,5% в сутки). Мы рассматриваем различные возможности оптимизации потерь, например, улавливание и использование в качестве топлива для судовой двигательной установки или для топливных элементов грузового тягача.
Оценивая имеющиеся в наличии транспортные технологии, мы ориентируемся на широкий спектр предлагаемых решений. Это трубчатые контейнеры высокого и среднего давления – для последних имеется российская разрешительная документация, – а также криогенные контейнер-цистерны для транспортировки авто– и железнодорожным транспортом.
Применение криогенных контейнеров на этапе эксплуатации СИК Кольской АЭС обусловлено возможностью скорейшего запуска пилотных поставок товарного водорода от АЭС, в дальнейшем планируется существенное увеличение инфраструктуры для транспортировки водорода в активном взаимодействии с российскими поставщиками оборудования и могут быть рассмотрены варианты с водородными танкерами и железнодорожными составами.
На этапе производства водорода нам необходимо выявить и решить проблемы, которые будут неизбежно возникать в ходе масштабирования проекта. Первая проблема – это сравнительно высокая себестоимость нашей продукции на фоне других, менее зеленых технологий, и решаться она должна через снижение издержек. Существуют организационные и технологические резервы для такой оптимизации. Сегодня высокую долю в себестоимости производства водорода имеет стоимость протонообменных мембран и биполярных пластин. Это приводит к высокой стоимости электролизеров и поднимает капитальную составляющую себестоимости водорода (CAPEX). Мы планируем задействовать отраслевые производственные возможности для импортозамещения по соответствующим позициям, но на данный момент отсутствуют готовые сертифицированные предложения энергоэффективного российского оборудования по производству и ожижению водорода. Нам интересны возможные решения, влияющие на стоимость водорода, так как одной из основных целей управления проектом является управление стоимостью продукта, способствующей повышению его конкурентоспособности на мировом рынке. По этой причине всю проблематику мы рассматриваем через структуру стоимости. Приобретая электролизер, мы разбираемся в структуре цены электролизного модуля, выявляем наиболее существенные затратные позиции, ищем решения по оптимизации. Весь СИК Кольской АЭС строится таким образом, чтобы мы могли отработать управление стоимостью продукции.
Что касается установок ожижения, мы видим, что в России существует база для развития криогенных технологий. Однако доступные российские технологии в большинстве своем морально устарели и предлагают «космический» уровень цены на производимый водород по причине того, что на 1 кг жидкого водорода тратится более 120 кВт электроэнергии. Существуют и более современные решения с потреблением энергии до 42 кВт на 1 кг жидкого водорода, но даже в этом случае показатели не дотягивают до современного мирового уровня технологий ожижения, где энергопотребление крупнотоннажными установками составляет порядка 15 кВт на 1 кг жидкого водорода. Для нас крайне важно, чтобы такие результаты были достигнуты российскими производителями и доступны в серийных малотоннажных установках.
По предварительным оценкам целесообразности транспортировки водорода различными способами, для контейнеров среднего давления (30 МПа) транспортировка целесообразна на расстояния до 400 км, для контейнеров высокого давления (70 МПа) – до 700 км, но на данный момент не существует нормативной документации, позволяющей эксплуатировать контейнеры высокого давления.
Для жидкого водорода дальность транспортировки определяется сроком возможного хранения в транспортном контейнере и составляет на сегодня не более месяца, за это время можно доставить груз на значительные расстояния практически в глобальном масштабе.
Понимая глобальные и исторические перспективы этого рынка, мы тем не менее не планируем радикально изменять наш профиль деятельности в обозримом будущем. Как сугубо практическая организация, мы заинтересованы акцептировать на СИК Кольской АЭС наилучшие из доступных технологий и оценить функционирование пилотной модели водородной энергетики. Возможная форма предложений – участие в инновационных конкурсах, конкурсах стартапов, но мы готовы рассматривать и любые другие обращения.
Ответы на вопросы
– Почему для проекта выбраны щелочные электролизеры, если есть более эффективные?
– Мы придерживаемся стоимостного управления во всех аспектах – при капитальных вложениях, амортизации, в процессе производства. Выбирая электролизеры, мы рассматриваем все заявки и рекомендуем поставщикам быть активнее со своими предложениями: в первой половине 2021 года будет формироваться концепция СИК Кольской АЭС. При этом нам принципиально важно увидеть уже в 2022–2023 годах для нашей площадки именно российские электролизеры. Какого именно типа, это зависит от возможностей российских производителей и реальных технико-экономических характеристик электролизеров. Что касается предложенных нам щелочных электролизеров производителем из контура Росатома, цена опытного образца сегодня значительна, но так всегда происходит на этапе разработки. Мы видим, что есть несколько позиций, по которым можно добиться удешевления, – это биполярные пластины, мембрана, электроды. При выходе на серийное производство этих изделий цена может быть сопоставима с ценой протонообменных электролизеров на рынке. В техническом задании
мы предусматриваем цену не выше, чем для протонообменных изделий.
– Рассматривается ли в настоящее время на опытно-демонстрационной площадке опытный синтез аммиака как потенциального энергоносителя и сырья? Базовые технологии синтеза и разложения аммиака достаточно просты.
– В проектировании атомной станции есть понятие «референтные технологии», мы придерживаемся этого же подхода и в формировании СИК Кольской АЭС. Если эти технологии можно купить и оценка покажет экономическую целесообразность, технология может быть включена в состав нашего центра. Это могут быть и технологии с метанолом. Если это готовые, упакованные для рынка решения, мы готовы их рассмотреть. Если же предложения находятся на стадии идей, их целесообразно представить на включение в научную программу Росатома.
– Перевозка жидкого водорода с Кольского полуострова на Дальний Восток занимает немало времени, каковы ожидаемые транспортные потери груза?
– Сценарий транспортировки криогенных контейнеров с водородом из Мурманска на Дальний Восток предполагает срок прохождения этого пути около 21 дня, производители водородных контейнеров заявляют, что это нормальный срок хранения и транспортировки жидкого водорода. Говоря о морской транспортировке, мы рассматриваем вопрос улавливания испаренного из контейнеров водорода с последующим использованием для передвижения судна, эта идея может быть проработана на перспективу, и таким образом потери водорода будут нулевые.
– Какую работу надо провести по развитию рынка потребления внутри России, чтобы не стать страной-водородоколонкой, лишь экспортирующей ресурс?
– Мы планируем освоить эксплуатацию водородных заправочных станций для автотранспорта на топливных элементах и собираемся оценить в эксплуатации водородные электробусы. Уже ведем переговоры с руководителями крупнейших мегаполисов России, где проявляют большую заинтересованность в развитии водородного транспорта. Как только система пройдет оценку и мы сможем выйти на поставку водородных заправочных станций, рассчитываем на активное развитие технологии в России – сначала с опорой на общественный транспорт, а затем, вероятно, и рост в сегменте личных авто.
Еще одна потенциальная сфера использования водорода – технологии металлургии, где есть огромное поле для замещения углеводородов. В настоящее время мы выстраиваем контакты с представителями металлургических компаний страны.
В целом использование водорода мы рассматриваем в тех отраслях, которые рискуют в наибольшей степени пострадать от вероятного «углеродного налога». Это не только металлургия, но и, например, производство удобрений. Интерес к теме водорода резко возрастет, когда экспортеры оценят потенциальные убытки от «углеродного налога». Но следует учитывать и такой факт, как, например, социальная ориентированность производителей традиционных энергоносителей угольной отрасли: если водород начнет вытеснять уголь, возможно жесткое административное и лоббистское сопротивление, и это нужно учитывать. В этом смысле важна централизованная государственная политика, охватывающая разные аспекты проблемы.
– О каком объеме производства водорода в год идет речь, и дополнительной нагрузке Кольской АЭС?
– Мы рассматриваем постепенное масштабирование производства до 2030 года. Сначала планируется создание СИК Кольской АЭС, запуск которого планируется в 2024 году, это лишь 162 тонны в год. Далее ежегодное увеличение мощностей водородного производства, чтобы к 2030 году выйти на все 440 МВт электрического потребления.
– Продавая тепло с электролизеров, не будете ли вы конкурентом АЭС как поставщику тепла?
– Нет, мы планируем поставку тепла на территорию Северного микрорайона, сами Полярные Зори отапливаются электрической котельной (город расположен достаточно далеко от АЭС). Именно это позволит нам показать реальную экономику в таком решении. Кольская АЭС активно участвует в проекте и поддерживает нас. При этом на этапе эксплуатации СИК Кольской АЭС можно использовать тепло, ограничившись отоплением собственного административного комплекса на площадке.
– Экспертами высказывалась идея производства водорода электролизом на Смоленской и Ленинградской АЭС с последующим добавлением до 20% в магистральные газопроводы. Насколько это реалистично?
– В практической плоскости мы эту идею не рассматриваем, она на ранней стадии обсуждения. Но мы сейчас действуем в формате, напоминающем мозговой штурм, не исключаются никакие идеи. В настоящее время есть сложность с получением избыточной электроэнергии этих станций: они задействованы в энергетике страны на полный объем своих возможностей. Но территориально обе станции действительно расположены близко к потенциальным рынкам сбыта. Оценка возможности транспорта водорода в существующих газопроводах, как примеси к природному газу, ведется в том числе в Газпроме. Насколько известно, трубопроводы позволяют такую прокачку, но есть пока непреодоленные сложности на газоперекачивающих и компрессорных станциях. Полагаем, этот вопрос не будет решен в ближайшие несколько лет, есть много технических и экономических проблем. Но наличие референтных проектов в мире показывает, что решения возможны. Магистрали, как показывают, например, недавние события на нефтепроводах, уязвимы к непродуманным решениям, и мы рассматриваем на
ше участие в таких проектах исходя из принципа «не навреди».
– Планируете ли участие в разработке топливных элементов как для собственных нужд, так и для внешних заказчиков?
– Концерн больше концентрируется на технологиях и собственно производстве водорода, а топливные элементы – это большая отдельная тема, поэтому именно наше участие в данных работах пока не планируется.
Мы видим хорошие перспективы этого направления. Ожидаем, что российские изделия, которые нам предлагают и разрабатываются, окажутся конкурентоспособны и внутри страны, и за рубежом. Но о конкретике (сроки, цена, производительность) говорить рано, это лишь начальные стадии разработки.
Руководитель проекта АО «ВНИИАЭС» Юрий Конев ответил на вопросы журнала РЭА
Ответы на вопросы
– Почему для проекта выбраны щелочные электролизеры, если есть более эффективные?
– Мы придерживаемся стоимостного управления во всех аспектах – при капитальных вложениях, амортизации, в процессе производства. Выбирая электролизеры, мы рассматриваем все заявки и рекомендуем поставщикам быть активнее со своими предложениями: в первой половине 2021 года будет формироваться концепция СИК Кольской АЭС. При этом нам принципиально важно увидеть уже в 2022–2023 годах для нашей площадки именно российские электролизеры. Какого именно типа, это зависит от возможностей российских производителей и реальных технико-экономических характеристик электролизеров. Что касается предложенных нам щелочных электролизеров производителем из контура Росатома, цена опытного образца сегодня значительна, но так всегда происходит на этапе разработки. Мы видим, что есть несколько позиций, по которым можно добиться удешевления, – это биполярные пластины, мембрана, электроды. При выходе на серийное производство этих изделий цена может быть сопоставима с ценой протонообменных электролизеров на рынке. В техническом задании мы предусматриваем цену не выше, чем для протонообменных изделий.
– Рассматривается ли в настоящее время на опытно-демонстрационной площадке опытный синтез аммиака как потенциального энергоносителя и сырья? Базовые технологии синтеза и разложения аммиака достаточно просты.
– В проектировании атомной станции есть понятие «референтные технологии», мы придерживаемся этого же подхода и в формировании СИК Кольской АЭС. Если эти технологии можно купить и оценка покажет экономическую целесообразность, технология может быть включена в состав нашего центра. Это могут быть и технологии с метанолом. Если это готовые, упакованные для рынка решения, мы готовы их рассмотреть. Если же предложения находятся на стадии идей, их целесообразно представить на включение в научную программу Росатома.
– Перевозка жидкого водорода с Кольского полуострова на Дальний Восток занимает немало времени, каковы ожидаемые транспортные потери груза?
– Сценарий транспортировки криогенных контейнеров с водородом из Мурманска на Дальний Восток предполагает срок прохождения этого пути около 21 дня, производители водородных контейнеров заявляют, что это нормальный срок хранения и транспортировки жидкого водорода. Говоря о морской транспортировке, мы рассматриваем вопрос улавливания испаренного из контейнеров водорода с последующим использованием для передвижения судна, эта идея может быть проработана на перспективу, и таким образом потери водорода будут нулевые.
– Какую работу надо провести по развитию рынка потребления внутри России, чтобы не стать страной-водородоколонкой, лишь экспортирующей ресурс?
– Мы планируем освоить эксплуатацию водородных заправочных станций для автотранспорта на топливных элементах и собираемся оценить в эксплуатации водородные электробусы. Уже ведем переговоры с руководителями крупнейших мегаполисов России, где проявляют большую заинтересованность в развитии водородного транспорта. Как только система пройдет оценку и мы сможем выйти на поставку водородных заправочных станций, рассчитываем на активное развитие технологии в России – сначала с опорой на общественный транспорт, а затем, вероятно, и рост в сегменте личных авто. Еще одна потенциальная сфера использования водорода – технологии металлургии, где есть огромное поле для замещения углеводородов. В настоящее время мы выстраиваем контакты с представителями металлургических компаний страны. В целом использование водорода мы рассматриваем в тех отраслях, которые рискуют в наибольшей степени пострадать от вероятного «углеродного налога». Это не только металлургия, но и, например, производство удобрений. Интерес к теме водорода резко возрастет, когда экспортеры оценят потенциальные убытки от «углеродного налога». Но следует учитывать и такой факт, как, например, социальная ориентированность производителей традиционных энергоносителей угольной отрасли: если водород начнет вытеснять уголь, возможно жесткое административное и лоббистское сопротивление, и это нужно учитывать. В этом смысле важна централизованная государственная политика, охватывающая разные аспекты проблемы.
– О каком объеме производства водорода в год идет речь, и дополнительной нагрузке Кольской АЭС?
– Мы рассматриваем постепенное масштабирование производства до 2030 года. Сначала планируется создание СИК Кольской АЭС, запуск которого планируется в 2024 году, это лишь 162 тонны в год. Далее ежегодное увеличение мощностей водородного производства, чтобы к 2030 году выйти на все 440 МВт электрического потребления.
– Продавая тепло с электролизеров, не будете ли вы конкурентом АЭС как поставщику тепла?
– Нет, мы планируем поставку тепла на территорию Северного микрорайона, сами Полярные Зори отапливаются электрической котельной (город расположен достаточно далеко от АЭС). Именно это позволит нам показать реальную экономику в таком решении. Кольская АЭС активно участвует в проекте и поддерживает нас. При этом на этапе эксплуатации СИК Кольской АЭС можно использовать тепло, ограничившись отоплением собственного административного комплекса на площадке.
– Экспертами высказывалась идея производства водорода электролизом на Смоленской и Ленинградской АЭС с последующим добавлением до 20% в магистральные газопроводы. Насколько это реалистично?
– В практической плоскости мы эту идею не рассматриваем, она на ранней стадии обсуждения. Но мы сейчас действуем в формате, напоминающем мозговой штурм, не исключаются никакие идеи. В настоящее время есть сложность с получением избыточной электроэнергии этих станций: они задействованы в энергетике страны на полный объем своих возможностей. Но территориально обе станции действительно расположены близко к потенциальным рынкам сбыта. Оценка возможности транспорта водорода в существующих газопроводах, как примеси к природному газу, ведется в том числе в Газпроме. Насколько известно, трубопроводы позволяют такую прокачку, но есть пока непреодоленные сложности на газоперекачивающих и компрессорных станциях. Полагаем, этот вопрос не будет решен в ближайшие несколько лет, есть много технических и экономических проблем. Но наличие референтных проектов в мире показывает, что решения возможны. Магистрали, как показывают, например, недавние события на нефтепроводах, уязвимы к непродуманным решениям, и мы рассматриваем наше участие в таких проектах исходя из принципа «не навреди».
– Планируете ли участие в разработке топливных элементов как для собственных нужд, так и для внешних заказчиков?
– Концерн больше концентрируется на технологиях и собственно производстве водорода, а топливные элементы – это большая отдельная тема, поэтому именно наше участие в данных работах пока не планируется. Мы видим хорошие перспективы этого направления. Ожидаем, что российские изделия, которые нам предлагают и разрабатываются, окажутся конкурентоспособны и внутри страны, и за рубежом. Но о конкретике (сроки, цена, производительность) говорить рано, это лишь начальные стадии разработки.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
