Цель создания центра водородных компетенций Концерна «Росэнергоатом» – подбор актуальных технологий во всем спектре водородной энергетики, от производства, хранения и транспортировки до потребления водорода. Руководители предприятий промышленности, партнеры Концерна, на конференции Energynet.con рассказали о предлагаемых в проекте технологиях и изделиях
Опытная установка: Евгений Волков, генеральный директор ООО «Поликом»
– В настоящее время по заказу Росэнергоатома мы завершаем создание электролизной установки модульного типа. Ее можно будет оснащать различными электролизными модулями, тестируя оборудование и ступенчато наращивая производительность. Мощность первого образца составляет от 2 до 15 куб. м в час. В начале 2021 года установка будет способна выйти на 6 куб. м в час; сейчас она проходит тестирование на испытательной базе в Черноголовке, где действует Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии при Институте проблем химической физики РАН. Концепция установки в том, что в ее состав могут включаться один, два или три электролизных модуля, производительностью 2, 3 или 5 куб. м в час. Компоновкой модулей мы можем «набирать» производительность от 2 до 15 куб. м. Установка состоит из двух блоков, «шкафов», – шкафа процесса (электролизеров) и шкафа электроники. Блоки питания (выпрямители) тоже модульного типа, производительность по 1 куб. м в час, это позволяет усиливать «электрошкаф» кратно наращиванию электролизеров. Шкафы можно ставить в одном помещении, в настоящее время они сблокированы воедино, но можно и разнести в разные объемы.
В начале 2021 года мы выходим на производительность 6 куб. м, в конце 2021-го – уже 15 куб. м в час. В 2022 году выполним установку в формате уличного блок-контейнера. Далее планируем освоить производство протонообменных электролизных модулей производительностью 20 куб. м, то есть вся установка выходит на производительность 60 куб. м в час. Затем, отработав элементную базу, мы сможем перейти к установкам мегаваттного класса. Установка на 60 куб. м в час будет отличаться от первой лишь тем, что левый шкаф будет немного шире, а модули будут иметь больший размер активной области, суть останется той же. Три электролизных модуля в состав установки включены исходя из обеспечения надежности: если один вышел из строя, остальные будут продолжать функционировать.
Что касается ожидаемой стоимости, в сравнении с сегодняшним уровнем рынка наша цена будет значительно ниже. Сегодня стоимость установки на 6 куб. м составляет от 17 до 25 млн руб. Мы планируем добиться цены протонообменного электролизера примерно на уровне щелочных установок от надежных европейских производителей. Цена на кубометр производительности будет снижаться по мере масштабирования. В настоящее время мы включили в установку ряд импортных элементов, поскольку российских аналогов пока нет. Мы готовы сделать электролизер на 6 куб. м, но запрошенные Концерном электролизеры на 200 куб. м предлагают только зарубежные производители. Мы оцениваем срок, когда сможем начать выпуск аналогичной продукции, примерно в три года. Импортные модули, которые позволяют начать работу, находятся на гарантии, имеют подтвержденные характеристики. Но затем мы планируем изготовление модулей совместно с компанией «ИнЭнерджи», с максимально достижимой степенью локализации. Оборудование в пилотном экземпляре нашего электролизера собиралось исходя из наличия на нашем рынке; отдельно покупался каждый клапан и каждый насос, вплоть до фитингов, доступных на российском рынке и оптимальных по цене и качеству.
Щелочные электролизеры: Александр Стихин (Завод электрохимических преобразователей, Новоуральск, предприятие Топливного дивизиона Росатома)
– В программе Росатома мы работаем над щелочными электролизерами, этот тип установок рано списывать со счетов, поскольку у конкурирующего направления, протонообменных установок, есть свои сложно решаемые проблемы, а эффективность щелочных установок, хорошо освоенных в эксплуатации, имеет резервы для роста. Для демонстрационного комплекса, который реализуется на Кольской АЭС, необходимо создание мощных электролизеров, и на это, по нашим оценкам, потребуется не меньше трех лет. Но для начала этой работы есть заделы, которые позволят продемонстрировать получение зеленого водорода электролизом на АЭС. В 2022 году (или немногим позже) мы планируем выпустить образец высокопроизводительного щелочного матричного электролизера, по характеристикам не уступающего, а возможно, и превосходящего мировые образцы протонообменных установок. Таковы заданные нам требования; это амбициозная задача, но мы как предприятие Росатома знаем, как сконцентрироваться на работе и решить задачу в течение ближайших полутора-двух лет. Опытный макетный образец мы уже испытали и получили очень высокие характеристики. Надеюсь, проект Кольской АЭС позволит организовать испытательную базу для работ. Желательно в процессе подготовки закупок лучших зарубежных образцов, как протонообменных, так и щелочных, собирать заявленные производителями характеристики, чтобы мы ориентировались на лучшие мировые образцы. Так, норвежская Nel Hydrogen AS заявляет очень высокие характеристики, и если это действительно так, то следует понять, за счет чего они достигаются, предполагаем, что благодаря новой мембране. В производстве протонообменных установок вырывается в лидеры компания Siemens. Proton OnSite (входит в норвежскую Nel), где реализовали интересные решения по асимметрии давления в электролизере. Полагаю, эти и другие лучшие достижения нужно изучать, чтобы ориентироваться на мировой уровень.
Водородно-тепловая установка: Александр Добраков, научный сотрудник ИПХФ РАН
– Суть водородно-тепловой установки, которую мы разрабатываем для демонстрационной площадки водородных технологий на Кольской АЭС, – увеличение КПД электролиза благодаря выводу тепловой энергии и поставке ее на рынок. КПД электролизера составляет от 55 до 70%, в процессе работы идет выделение тепла, которое рассеивается. Мы можем преобразовать эти потери с помощью тепловых насосов и отапливать потребителя соответствующего ресурса. Мы выполнили расчеты для установки мощностью примерно 4 МВт. Добавляя 1 МВт электрической мощности на работу теплового насоса, мы получаем около 3 МВт тепловой мощности с электролизера. На выходе с двух электролизеров у нас получается 4 МВт тепловой энергии. Экономический расчет показывает, что себестоимость производства водорода при этом снижается примерно на 20%. Расчет выполнен для температуры выходящей охлаждающей жидкости с электролизера 45 °C; потребитель получит температуру теплоносителя около 85 °C. В мире есть практическая реализация проектов по отоплению с использованием тепловых насосов при входных температурах около 40 °C (наиболее продвинулась Швеция, лидер использования теплонасосов). Мы изучаем возможность применения высокотемпературных электролизеров (это направление развивается), и идея реализации избыточного тепла может оказаться еще более перспективной.
В проекте учитывается инфраструктурная составляющая; в нашем случае это уже имеющиеся теплопункты, сети, сбытовая инфраструктура. Фактически эта установка сможет заменить действующую электрокотельную в одном из районов Полярных Зорь. Учитываем и тот факт, что электрокотельная может быть дешевле и в капитальных затратах, и в эксплуатации, однако необходимо рассматривать приведенные расходы. В случае схемы с теплонасосом мы не расходуем электроэнергию на прямой обогрев, а с пользой утилизируем потери.
Технология сжижения: Александр Кротов, доцент МВТУ им. Баумана
– В продолжение темы теплового насоса: изученные нами серийные решения обладают коэффициентом преобразования около трех (на 1 МВт электроэнергии 3 МВт тепла). Но мы, с опорой на современный уровень технологий и возможности отечественного производства, планируем создавать тепловые насосы с коэффициентом преобразования четыре. Это действительно дороже, чем котельная с электронагревом, но если на единицу потребляемой мощности наш насос произведет четыре единицы теплоты, то со временем окупится благодаря экономии электричества. Схема установки несложная, но есть особенности, которые необходимо учитывать для высоких коэффициентов преобразования. МВТУ им. Баумана (кафедра холодильной и криогенной техники) совместно с ВНИИАЭС занимается предварительной проработкой технологических решений по сжижению. Установка сжижения – намного более сложное в эксплуатации изделие, чем тепловой насос. Хотя установки сжижения водорода известны в России с 1960-х годов, сегодня нет решений, которые удовлетворяют технико-экономическим требованиям проекта, сформированным в Росатоме: установки должны быть автономными, модульными, с достаточно высокой энергоэффективностью, относительно простые в обслуживании. Существующие на данный момент в России технологические решения, как правило, предполагают предварительное охлаждение жидким азотом, то есть не автономны, и обладают недостаточной энергоэффективностью (энергопотребление в несколько раз выше, чем требуемое в Росатоме). Мы предполагаем, что наиболее эффективным способом сжижения водорода будет его охлаждение за счет внешнего цикла, с помощью замкнутого контура и двухступенчатого охлаждения: предварительное охлаждение с помощью смесевого хладагента, окончательное (до жидкого состояния) – с помощью гелиевого замкнутого цикла. Похожие решения в настоящее время используются лучшими иностранными лицензиарами для создания установок сжижения водорода. Мы изучали возможность приобретения таких зарубежных установок, но они не удовлетворяют условию о модульности, а адаптация решений под модульную концепцию требует значительной переработки. Наши предварительные расчеты показывают, что, понимая принципы, мы сможем создать образцы таких установок с нужными характеристиками. Предварительное охлаждение с помощью смесевого хладагента в настоящее время у нас начинает развиваться, оно используется для сжижения природного газа и метана, часть технологических решений можно позаимствовать у российских предприятий – лидеров криогенного производства.
Николай Королев, директор по развитию СПГ-проектов ПАО «Криогенмаш»
– Криогенные водородные технологии развиваются в России достаточно длительное время. Большие успехи по сжижению водорода в нашей стране достигнуты при создании советской программы многоразовой транспортной космической системы «Энергия – Буран». Но с тех времен в промышленном объеме эти технологии не развивались. Последние 10–15 лет в основном присутствовали запросы на изготовление оборудования только для системы хранения. Одна из наиболее крупных установок по сжижению водорода в Центральном регионе находится в распоряжении ФКП «НИЦ РКП». Этот центр – площадка для проведения испытаний различных элементов космической техники; сжижитель водорода заказан им примерно 20 лет назад для собственных нужд и успешно эксплуатируется.
В мире активно развивается контейнерная технология хранения и транспортирования жидкого водорода. Наибольшие успехи показывает компания Linde (Венгрия); приятно отметить, что именно эта фирма заказывала у нас емкости для длительного хранения жидкого водорода, которые они разместили на своем испытательном полигоне. Следует отметить, что, хотя Европа и сделала ряд системных шагов по пути использования сжиженного природного газа, в настоящее время происходит переоценка перспектив углеводородов в пользу использования водорода: компания Linde активно занимается соответствующими исследованиями в рамках этой концепции.
Для Росатома мы предложили ряд решений, соответствующих уровню мировых лицензиаров. Нам ранее не приходилось глубоко заниматься смесевыми циклами; мы развивали более простое решение с предварительным охлаждением на азоте. Но поскольку Росатом выдвигает требования по модульности, автономности и энергоэффективности, установка с применением промежуточного охлаждения на смешанном холодильном агенте действительно более перспективна. К моменту, когда в системе НИОКР по жидкому водороду будет обосновано решение по смешанному холодильному агенту (достигнута соответствующая веха), на территории России эта технология уже будет освоена в полном объеме. Идут активные проработки технологий сжижения природного газа, и наши экономические гиганты, такие как Газпром и НОВАТЭК, пришли к пониманию, что технологии применения смешанного холодильного агента наиболее энергоэффективны. Таким образом, криогенные технологии в России есть, и в данный момент криогенная промышленность перестраивается с решения специальных задач на уровень потребностей конечных потребителей.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
