Неатомная энергетика Росатома
Необычные энерготехнологии за пределами АЭС
Росатом – прежде всего атомная госкорпорация. Однако ее структуры уже несколько лет занимаются и неядерными энерготехнологиями. Помимо широкоизвестного ветроэнергетического проекта компани «Новавинд», у Росатома имеются и технологии по сжиганию мусора, накоплению энергии, а в будущем может появиться и водородная энергетика.
Маневровый водород
В 2018 году Росатом взял курс на водородную энергетику, сделав ее одним из приоритетных направлений своего научно-технического развития. Особое внимание госкорпорация собирается уделить производству водорода за счет электрической и тепловой энергии, генерируемой атомными энерготехнологическими станциями (АЭТС). Задача развития технологий атомно-водородной энергетики включена в комплексную программу исследований в сфере использования атомной энергии, разработанную госкорпорацией в соответствии с апрельским указом президента России.
О возможности использования атомных мощностей в энергоемких отраслях промышленности (в том числе для производства водорода) в мире говорят давно. Во-первых, это позволит значительно расширить область применения экологически чистой атомной энергии. В электроэнергетике позиции атома достаточно прочные (440 атомных энергоблоков производят примерно 10% от общего объема мировой электроэнергии), но, как только речь заходит об общем производстве энергии, доля атома в мировом энергобалансе сокращается до 5%.
Второй аргумент, важность которого наглядно проявилась в последние годы: участие АЭС в выработке энергоресурсов для промышленности позволит станциям маневрировать не мощностью, а продукцией. Умение регулировать отдаваемую в сеть мощность становится необходимым условием для успешной эксплуатации АЭС в условиях растущей доли возобновляемой энергетики (ВИЭ). Однако простое снижение мощности в определенные временные интервалы снижает коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), а это крайне неприятно для экономики атомной энергетики. По некоторым оценкам, если средний КИУМ российских АЭС приблизится к 70%, то прибыль от работы АЭС обнулится. Поэтому намного выгоднее сохранять у АЭС высокий КИУМ, а образующиеся в часы низкой нагрузки излишки электроэнергии пускать на производство водорода.
Водород — универсальный и крайне перспективный энергетический агент; водородная энергетика становится мировым трендом. Академик Н.Н. Пономарев-Степной считает, что водородная энергетика в середине XXI века сможет обеспечить 20% потребляемой в мире энергии. Это, в свою очередь, позволит внести вклад в том же объеме в реализацию согласованного в Париже в 2015 году сценария снижения темпов глобального потепления.
При этом водород – чистый энергоноситель. С его помощью можно организовать эффективное производство электроэнергии в водородных топливных элементах. Выделять водород можно дружественными к экологии методами, а сырьевые ресурсы этого химического элемента на Земле практически неограничены. По данным за 2017 год, в мире ежегодно производилось около 70 млн тонн водорода, а к середине века прогнозируется десятикратное увеличение объемов его производства. То есть водород – кроме всего прочего, интересный и прибыльный рынок, доходы на котором могут исчисляться триллионами долларов.
Что для целей водородного производства способен предложить Росатом? В ближней перспективе реальным выглядит создание электролизных цехов при действующих АЭС с реакторами типа ВВЭР. Нужно подчеркнуть: установки по производству водорода для собственных нужд на всех российских станциях уже имеются — это установки типа СЭУ-20 и HySTAT-A-1000D. Но их производительность невелика — суммарная мощность наработки водорода едва превышает 500 м3 в час.
Естественный вариант для размещения крупного водородного производства — недозагруженная Кольская АЭС. Если эта станция избавится от диспетчерских ограничений и выделит на нужды производства примерно 500 МВт, то на ней можно будет построить электролизный цех производительностью до 100 тыс. тонн водорода в год. Потребителем этих объемов может выступить Сахалин, где рассматривалась возможность пустить поезда на водороде. Обоснованием проекта создания при Кольской АЭС инфраструктуры для отработки технологий водородной энергетики, в том числе строительства заправочных станций для поездов на водороде, в апреле 2020 года по заказу концерна «Росэнергоатом» занялся ВНИИАЭС.
Но у АЭС с реакторами ВВЭР есть определенные ограничения, снижающие их эффективность при производстве водорода. Прежде всего, это относительно невысокие температуры рабочих тел первого и второго контуров. Поэтому лучшим решением станут разработка и строительство высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов – ВТГР. Направление ВТГР – не новое слово в реакторостроении, но оно находится в тени более удачливого легководного направления. В XXI веке дальше всего здесь продвинулась китайская корпорация CNNC. Она строит в провинции Шаньдун блок с двумя реакторными установками с высокотемпературными реакторами HTR-PM, соединенными на одной турбине мощностью 211 МВт, а также разработала проект более мощного блока с реактором HTR-PM600.
В Японии высокотемпературная реакторная программа оказалась одной из немногих инновационных атомных программ, не поставленных на паузу после фукусимской аварии в 2011 году. Страна располагает небольшим исследовательским реактором HTTR, на котором в 2010 году была достигнута и удерживалась на протяжении 50 суток выходная температура гелиевого теплоносителя 950°C. После аварии на «Фукусиме-1» реактор модернизировали, привели в соответствие с новыми стандартами безопасности, и вскоре он должен возобновить работу. При помощи HTTR японские специалисты намерены отработать технологию производства водорода из воды по циклу «йод –сера» (IS process), в котором к воде добавляют йод и диоксид серы и после ряда химических превращений получаются свободные водород и кислород.
Опыт разработок реакторов ВТГР в нашей стране насчитывает более 45 лет. За это время было создано шаровое топливо, понята физика реактора, предложены конструкции основного реакторного оборудования, включая парогенераторы и системы безопасности, верифицированы и валидированы расчетные коды и так далее. Иными словами, спроектировать и построить атомную энерготехнологическую станцию с реакторами ВТГР можно в относительно короткие сроки, что позволит добавить водород к обширному списку ключевых продуктов госкорпорации «Росатом».
Накопительный ресурс
Электроэнергию мало произвести, ее нужно еще доставить к потребителю и в идеальной ситуации —запасти на будущее. Отрасль накопления энергии в последние годы считается одной из наиболее перспективных, поскольку прорыв в этой сфере может серьезно сократить расходы энергосистем на содержание резервных мощностей, а также ускорить развитие экологически безопасного электротранспорта.
В секторе хранения энергии работает, среди прочих, топливная компания Росатома ТВЭЛ, предлагающая рынку литий-ионные аккумуляторы. Они могут применяться в энергетике, городском электротранспорте (электробусах и троллейбусах), а также в спецтехнике, например, на заводских погрузчиках, горно-шахтных машинах, в технике для аэропортов и логистических терминалов. Гарантийный срок работы литий-ионных накопителей — три года; без существенной потери энергоемкости они способны прослужить до 20 лет, выдержав до 5 тыс. полных циклов зарядки и разрядки.
Основное преимущество литий-ионных аккумуляторов перед традиционными свинцово-кислотными — простота обслуживания. Если последние минимум два раза в год должны проходить проверку, доливку электролита и так далее, то первые для зарядки достаточно подключить к розетке. Соответственно, стоимость владения у литий-ионных накопителей ниже. Кроме того, они выгодно отличаются от свинцовых экологичностью, так как не содержат агрессивных кислот и свинца. ТВЭЛ также разработал цифровую систему управления батареей, позволяющую удаленно контролировать все параметры и передавать информацию как оператору, так и в системы управления складом.
У ТВЭЛа есть стратегия производства продукции общепромышленной деятельности, и в соответствии с ней для серийного производства литий-ионных аккумуляторов она намерена задействовать свои предприятия по всей России. Но основная отраслевая производственная площадка по выпуску литий-ионных аккумуляторов — НПО «Центротех» в Новоуральске Свердловской области.
Первыми потребителями аккумуляторов стали предприятия Росатома. В 2018 году новоуральское АО «УЭХК» стало первой компанией атомной отрасли в РФ, которая полностью перевела на литий-ионные аккумуляторы внутризаводской электротранспорт (48 единиц). Всего на сегодняшний день на предприятиях атомной отрасли с литий-ионными накопителями оснащено более 100 единиц техники.
Следующий запланированный шаг – создание до конца 2020 года на площадке НПО «Центротех» склада готовой продукции по направлению «Системы накопления энергии». Это позволит значительно сократить сроки переоборудования электротранспортного парка заказчиков – вместо четырех месяцев такая работа займет четыре дня.
Дальнейшее продвижение вперед будет связано с повышением емкости литий-ионных аккумуляторов. Целевые показатели, которых нужно достичь специалистам Росатома, – энергоемкость порядка мегаватт-часов, что позволит обеспечивать аварийное питание для основных промышленных производств.
Энергия из мусора
Еще одно новое для Росатома энергетическое направление, о котором хотелось бы упомянуть в рамках статьи, – получение энергии из отходов. Эта технология известна под названием Waste to Energy (WTE), или «Отходы в энергию», и она активно развивается в странах Евросоюза, а теперь и в России.
Современное общество производит всё бóльшие и бóльшие объемы отходов, а под хранение отводятся всё новые и новые земельные участки. В результате правительства сталкиваются с недовольством общественности: людям не нравится жить по соседству с мусорными свалками. Один из перспективных вариантов решения проблемы неперерабатываемых отходов – их сжигание в энергетических целях. Росатом в лице машиностроительного дивизиона «Атомэнергомаш» стал поставщиком оборудования для госкорпорации «Ростех» – основного отечественного инвестора в строительство мусоросжигающих электростанций. Российские атомщики в рамках форума «Атомэкспо-2019» в Сочи подписали консорциальное соглашение с холдингом Hitachi Zosen Inova AG, предусматривающее сотрудничество в технологической сфере.
Швейцарско-японский холдинг Hitachi Zosen Inova AG располагает ноу-хау колосниковой решtтки. Это его собственная разработка для термической переработки твtрдых коммунальных отходов, проверенная десятилетиями эксплуатационного опыта. Технология позволяет термически перерабатывать отходы при температуре 1260°C, что гарантирует уничтожение вредных веществ и обеспечивает экологическую безопасность .
Производителем и комплектным поставщиком оборудования силового острова для заводов по переработке отходов в энергию, строящихся в России, выступает входящее в «Атомэнергомаш» ПАО «ЗиО-Подольск». В 2019 году в Подольске завершили изготовление оборудования для первого завода, который располагается в Воскресенском районе Московской области.
Кроме того, машиностроители Росатома вышли на зарубежный рынок, получив заказ на комплект пароперегревателей для паровых котлов завода по термической переработке ТКО Riverside в Британии. Всего туда предполагалось поставить восемь блоков пароперегревателей общим весом более 300 тонн. В июне 2020 года оборудование было изготовлено и отгружено заказчику.
Александр Уваров,
главный редактор независимого издания AtomInfo.Ru
Более экологичной альтернативой ВИЭ может стать водородная энергетика
Станислав Жизнин,
доктор экономических наук, профессор МГИМО (У) МИД РФ, кафедры международных проблем ТЭК МИЭП МГИМО им. Н.П. Лаверова, президент Центра энергетической дипломатии и геополитики
Говоря о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) в контексте экологии, необходимо учитывать, что в мире нет ни одного энергоресурса, который был бы полностью безвреден для окружающей среды. Включая солнечную и ветровую энергетику, если речь идет о широкомасштабном использовании таких установок.
Как я указывал в монографии «ВИЭ в мире и России», ветряные генераторы, к примеру, забирают часть энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании генераторов такое замедление может оказать заметное влияние на локальные климатические условия местности.
Солнечная энергетика в небольших масштабах — для энергообеспечения частных домов или небольших поселков — действительно не вызывает существенных экологических проблем. Но когда речь идет о промышленных объемах, у солнечной энергетики также проявляется ряд побочных эффектов. Солнечные концентраторы затеняют большие площади земель, это может привести к сильным изменениям почвенных условий, ущербу для растительности и т. д. При прохождении солнечного излучения в районе расположения станции сильно нагревается воздух, изменяются тепловой баланс, влажность, направления ветров, возможны перегрев и возгорание систем.
Добавлю, что в ЕС успешно развиваются вторичные возобновляемые источники энергии (ВВИЭ). Это использование бытовых и промышленных отходов для производства энергии. Опыт ЕС в области ВВИЭ может иметь большое значение для России, так как вопрос утилизации твердых бытовых отходов для нашей страны очень актуален.
Что касается ВИЭ, то Европа, на мой взгляд, уже достигла предела в их развитии. Именно поэтому некоторые страны ЕС начали активно искать альтернативу и традиционной энергетике, и ВИЭ. Перспективным направлением может стать водородная энергетика. Германия уже сформировала свою водородную стратегию.
Водород оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. Он имеет низкий уровень выбросов CO2, его легко хранить и транспортировать. За счет этого можно создать более безопасную энергетическую систему, существенно меньше зависимую от ископаемого топлива, с удобной транспортировкой и получением тепла в промышленности и электроэнергетике. А ведь именно эти сферы сейчас обеспечивают две трети глобальных выбросов CO2.
И первые шаги в этом направлении уже сделаны. В январе 2017 года в Давосе был сформирован Совет по водородным технологиям (The Hydrogen Council). Его участники разработали дорожную карту развития водородных технологий. 13 компаний-учредителей готовы инвестировать в эту сферу приблизительно $25 млрд в год, что к 2030 году составит $ 280−300 млрд. По данным Совета, к 2050 году ежегодный оборот средств в водородной энергетике будет равен $2,5 трлн.
Сегодня водород используется, в основном, в нефтепереработке, при производстве аммиака, метанола и в черной металлургии. Но в перспективе сферу его применения можно существенно расширить. Водород можно применять в транспортной отрасли (уже существуют водородные двигатели для автомобилей, судов, поездов), тепло- и электроэнергетике.
Чтобы использование водорода действительно позволило снизить нагрузку на окружающую среду, необходимо осваивать новые способы его производства. Сейчас он производится двумя способами: в процессе переработки ископаемого топлива (прежде всего, газа и угля) и с помощью электролиза воды. Первый способ сопряжен со значительными выбросами СО2 в атмосферу, а вот электролиз в сочетании с ВИЭ или ядерной энергией приобретает значительные преимущества. При этом ВИЭ, как уже было сказано, также небезупречны с точки зрения влияния на климат. Тогда как атомные электростанции (АЭС) могут производить водород различными способами при минимальных выбросах в атмосферу.
В статье «Экономические аспекты ядерно-водородной энергетики в мире и России» я отмечал, что перед нашей страной открываются очень хорошие перспективы, которые необходимо грамотно использовать. Концепция производства водорода с помощью ядерной энергии была разработана в СССР еще в начале 1970-х годов. По своему потенциалу Россия в состоянии взять на себя инициативу крупномасштабного, экологически чистого промышленного производства водорода и поставок его на мировой рынок с высокой добавочной стоимостью. По оценкам Инфраструктурного центра EnergyNet, производство водорода только на действующих российских генерирующих объектах может позволить России претендовать на горизонте до 2030 года на весомую долю глобального рынка водородного топлива. Нашими партнерами могут стать страны ЕС, Япония и другие страны АТР.
К сожалению, Россия пока не имеет специализированной программы продвижения водородной экономики. Между тем, спрос на водород в мире в 2018 году превысил 73 млн тонн и в ближайшие годы вырастет в разы. Для нашей страны важно не упустить этот момент и занять достойное место на начинающем формироваться рынке водородной энергетики.
