«Водородная энергетика — одно из стратегических направлений технологического развития России»
Академик РАН Николай Пономарев-Степной — о водородной экономике и атомно-водородной энергетике
Глобальный рост энергопотребления, а также достигнутый мировым сообществом консенсус в вопросе необходимости декарбонизации экономики дают импульс к становлению нового технологического уклада, подразумевающего широкомасштабное использование водорода в качестве не только компонента промышленных технологий, но и накопителя энергии и энергоносителя. На вопросы «Вестника атомпрома» о сути и динамике перехода к водородной экономике отвечает научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития «Водородная энергетика» госкорпорации «Росатом», председатель научно-технического комитета инвестиционного проекта АО «Концерн Росэнергоатом», научный консультант генерального директора АО «Концерн Росэнергоатом», академик РАН, доктор технических наук Николай Пономарев-Степной.
Каковы энергетические и технологические возможности водорода? Зачем он нужен человечеству и в каких объемах (сегодня и в перспективе)?
Говоря о перспективах водородной экономики в целом, нужно воспринимать водород не только и не столько в качестве промежуточного энергоносителя (имеющего высокую удельную энергоемкость, но существующего в природе только в связанном виде, в химических соединениях с другими элементами — в виде природного газа, воды и других соединений), но и в качестве неотъемлемого технологического и сырьевого компонента огромного числа производственных процессов.
Фактически водород уже сейчас применяется во многих отраслях — это нефтепереработка и химическая промышленность, производство удобрений, аммиака и метанола, пищевая промышленность, стекольная промышленность, производство микроэлектроники, металлургия, электроэнергетика, а также многие другие.
На сегодняшний день в мире производится более 90 млн тонн водорода в год, из них, по разным оценкам, в России ежегодно производится и потребляется 5–7 млн тонн. Учитывая актуальные тренды, связанные с декарбонизацией промышленности и снижением выбросов парниковых газов в целом, экспертами, правительственными и международными организациями прогнозируется различный темп прироста объемов производства и потребления водорода: диапазон оценок на 2050 год колеблется в разных сценариях от 250 до 600 и более млн тонн водорода ежегодно.
Как можно определить место России в мире с точки зрения создания водородных технологий? Мы среди лидеров или отстающих?
Однозначно можно сказать: мы точно не среди отстающих, хотя и мировыми лидерами в связи с некоторой вынужденной паузой нас назвать сложно.
Водородные технологии получили развитие у нас в стране еще с конца 1960-х годов. Уже в начале 1970-х электрохимические генераторы тока были разработаны для орбитального корабля лунной программы, позднее более мощные источники электрической энергии на водороде были созданы для многоразового космического корабля «Буран».
У нас были разработаны проекты опытно-промышленных установок с высокотемпературными гелиевыми реакторами (ВГР-50, ВГ-400, ВГМ-200, МВГР-ГТ, ВТГР-10) в широком диапазоне мощностей, что послужило основой для инициации проекта по созданию атомной энерготехнологической станции (АЭТС).
В рамках программы по водородной энергетике КБ Туполева совместно с рядом НИИ и КБ авиационной промышленности создало Ту-155 — летающую лабораторию, использующую в качестве топлива жидкий водород.
В Советском Союзе было серийное производство электролизных установок, промышленно освоенные технологии ожижения водорода, хранения и транспортировки водорода в сжиженном виде.
Начиная с конца 1990-х годов велись разработки и электромобилей на водородном топливе: уже в 2001 году «АвтоВАЗ» в сотрудничестве с Уральским электрохимическим комбинатом и при участии РКК «Энергия» представил на пятом Московском международном автосалоне водородомобиль АНТЭЛ-1 на базе ВАЗ-2131 «Нива» (способный развивать скорость до 90 км/ч), а позднее и водородомобиль АНТЭЛ-2 на базе ВАЗ-2111 (имевший водородо-воздушный электрохимический генератор, максимальную скорость 100 км/ч и пробег на одной заправке до 350 км).
В настоящее время на уровне государства водородная энергетика рассматривается как одно из стратегических направлений технологического развития страны. Инициировано большое количество проектов по развитию данного направления.
С учетом накопленного ранее опыта в настоящее время госкорпорация «Росатом» активно ведет работы по созданию отечественных технологий по производству водорода методом электролиза, созданию атомной энерготехнологической станции с химико-технологической частью для крупнотоннажного производства водорода для нужд промышленности, созданию инфраструктуры хранения и транспортировки водорода, а также системные исследования вопросов пожаро- и взрывобезопасности при производстве и потреблении водорода.
Успешная реализация этих и других проектов позволит Российской Федерации занять одну из лидирующих позиций в мире с точки зрения развития водородных технологий.
Есть ли у России опыт международного сотрудничества в сфере водородных технологий?
Одним из знаковых примеров такого сотрудничества является международный проект модульного высокотемпературного газоохлаждаемого реактора с прямым газотурбинным циклом ГТ-МГР мощностью 600 МВт, который разрабатывался нами с 1998 по 2012 год — совместными усилиями российских институтов и компанией General Atomics (США) с участием Framatome (Франция) и Fuji Electric (Япония). В рамках международного сотрудничества удалось усовершенствовать ряд отечественных проектов ВТГР, восстановить кооперацию российских предприятий, дополнить компетенции по ключевым компонентам, включая расчетные коды. Технические решения ГТ-МГР были использованы при разработке проекта МГР-Т, предназначенного для генерации электроэнергии, тепла и водорода на базе четырех модульных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов единичной мощностью 600 МВт. Концептуальный проект и его экономическое обоснование завершены в 2004 году.
Термин «водородная энергетика» сейчас используется достаточно широко. Правильно ли называть водород источником энергии или более предпочтительны другие термины? Верно ли утверждение, что использование водорода — это способ наиболее эффективного и экологичного применения имеющихся источников энергии?
Говоря об энергетическом применении водорода, нужно понимать, что водород — промежуточный энергоноситель (на производство которого нужно затратить энергию), который можно и нужно использовать для хранения, передачи и последующего производства энергии. Соответственно, водород как энергоноситель может стать своеобразным интегрирующим и балансирующим элементом комплексной энергосистемы страны или локальных изолированных энергосистем, когда энергия, производимая в одном месте, например с использованием возобновляемой энергетики или на атомной станции, используется для производства водорода, который потом тем или иным способом передается к месту потребления (для обратного процесса).
Более масштабным этот процесс может быть, когда мы говорим про водород как технологический компонент в промышленных процессах. В этом случае водород, производимый с использованием высокопотенциального тепла атомной энерготехнологической станции, затем используется в промышленности (фактически расширяя долю атомной энергетики в энергетическом балансе в целом).
Можно ли предположить, в каких именно областях водород может быть наиболее востребованным? Или основной смысл развития водородных технологий именно в их комплексном применении?
Безусловно, рассматривать нужно весь спектр технологий производства и потребления водорода, именно поэтому корректнее, на мой взгляд, оперировать термином «водородная экономика», а не ограничивать рассуждения энергетическим применением и говорить о водородной энергетике.
Залогом в расширении использования водорода является развитие промышленных технологий производства низкоуглеродного или безуглеродного водорода (водорода, производство которого не влечет выбросов парниковых газов — это и электролизные технологии, и технологии конверсии метана с обязательным улавливанием и полезным использованием углекислого газа), а также комплексное развитие инфраструктуры водородной экономики (системы хранения и транспортировки, заправочные комплексы для транспорта всех видов и так далее).
Соответственно, расширение использования водорода будет идти постепенно, занимая те области, где водородные технологии эффективнее и могут конкурировать с традиционными источниками энергии и традиционными технологиями — есть масса прогнозов и оценок того, как, помимо увеличения технологического использования водорода в промышленности, поэтапно в следующие 20–30 лет будет наращиваться использование водорода при эксплуатации автомобильного, водного и морского, железнодорожного и авиационного транспорта, возрастать использование водорода в составе систем накопления энергии (в особенности связанных с возобновляемыми источниками), развиваться применение водорода для локального, резервного и аварийного энергоснабжения различных объектов.
Сможет ли водород использоваться для энергоснабжения изолированных территорий?
Мне видится, что взаимосогласованные системы энергоснабжения с источниками различного типа (возобновляемые источники энергии, атомная генерация малой мощности, традиционная энергетика), в которых водород используется как способ балансировки комплексной энергосистемы (производство водорода при низком потреблении, краткосрочное или сезонное хранение энергии в виде водорода и последующее использование водорода для обратного производства энергии в момент высокого потребления), обязательно должны рассматриваться и оцениваться для изолированных территорий, особенно с учетом территориальных и пространственных особенностей нашей страны! И мы видим, что работы в этом направлении активно ведутся, в том числе подобные оценки делаются и нашими специалистами.
На каких принципах работают (будут работать) водородные системы накопления энергии?
Принцип работы водородных систем накопления энергии заключается в следующем. Избыток энергии, вырабатываемой атомной станцией, традиционным либо возобновляемым источником энергии (к примеру, на базе солнечной или ветровой энергоустановки), направляется на получение водорода методом электролиза воды. Вырабатываемый водород хранится рядом с местом производства в сжатом (компримированном) виде. При необходимости, в случае возникновения дефицита электроэнергии либо для сглаживания пиков нагрузки, сохраненный водород используется для получения электроэнергии с использованием энергоустановок на топливных элементах.
Каковы наиболее предпочтительные способы хранения и транспортировки водорода? Насколько сложна задача создания инфраструктуры для этих целей?
В настоящее время существует два наиболее распространенных и промышленно освоенных способа хранения водорода: в сжатом (компримированном) и сжиженном виде.
Поскольку водород переходит из газообразного состояния в жидкое при очень низких температурах (–253 °C), ожижение водорода, а также хранение и транспортировка его в жидком виде — это технологически сложный и дорогостоящий процесс, используемый при необходимости передачи водорода на большие расстояния.
Для повышения экономической эффективности активно исследуются альтернативные способы хранения водорода, такие как хранение в металлогидридах и в химически связанном виде (жидкие органические носители водорода и аммиак).
Тем не менее пока наиболее распространенным является хранение водорода в компримированном виде — в настоящий момент промышленно освоены технологии производства и использования баллонных систем хранения водорода с давлением до 40 МПа (400 атм), ведутся активные разработки и освоение промышленных технологий по обращению с водородом под давлением до 70 МПа (700 атм).
Подобные разработки есть и у нас — предприятиями госкорпорации «Росатом» ведется промышленное производство водородных баллонов на давление до 400 атм, а также разработка металлокомпозитных баллонов на давление до 700 атм.
На каком временном горизонте водород сможет занять значимое место в мировой энергетике?
Как уже говорилось выше, процесс развития водородной энергетики — это процесс длительный и постепенный. Если тот интерес в мире к водородной энергетике, который есть сейчас, не снизится, то на горизонте до 2050 года водород сможет прочно занять место в мировой энергетике наряду с традиционными источниками энергии.
Получает ли тема энергетического применения водорода поддержку на государственном уровне в нашей стране? Ведь у нас много других энергоресурсов, на данный момент более дешевых. Не возникают ли здесь межотраслевые противоречия?
Развитию водородной энергетики на государственном уровне уделяется огромное внимание. В новой Концепции технологического развития на период до 2030 года, утвержденной правительством в 2023 году, водородная энергетика обозначена как одна из перспективных технологий межотраслевого назначения, которая «обеспечивает создание инновационных продуктов и сервисов и оказывает существенное влияние на развитие экономики, радикально меняя существующие рынки и (или) способствуя формированию новых рынков. Такие технологии определяют перспективный облик экономики и отдельных отраслей в течение ближайших 10–15 лет». Поэтому неудивительно, что тема развития водородной энергетики является актуальной в повестке крупнейших отечественных компаний и корпораций. В настоящее время подписаны соглашения о намерениях между правительством РФ и госкорпорацией «Росатом», а также правительством РФ и ПАО «Газпром» по развитию водородной энергетики и декарбонизации промышленности и транспорта, утверждена сводная дорожная карта развития высокотехнологичного направления «Водородная энергетика» на период до 2030 года. Свои «водородные» проекты активно реализуют ПАО «КАМАЗ», АФК «Система», АО «Трансмашхолдинг» и другие крупные компании.
Что представляет собой концепция атомно-водородной энергетики?
Атомно-водородная энергетика — это концепция, разработанная в нашей стране еще в начале 70-х годов прошлого века и подразумевающая широкое использование производимого с помощью ядерных реакторов водорода как энергоносителя в таких областях, как промышленность, энергетика, транспорт, а также в быту. В настоящее время эта концепция предполагает как крупномасштабное производство водорода путем конверсии или пиролиза метана на специализированных атомных энерготехнологических станциях (АЭТС) с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами (ВТГР), так и локальное — путем электролиза воды на электролизных установках, питающихся электроэнергией от атомных станций. Помимо производства, концепция атомно-водородной энергетики подразумевает создание инфраструктуры по хранению и транспортировке получаемого водорода.
Если технология ВТГР была создана еще в прошлом веке, что препятствовало ее широкому применению у нас в стране и в мире? Что изменилось сейчас?
В прошлом веке была принята государственная программа «Водородная энергетика», в рамках которой разрабатывались проекты ВТГР для использования в энергоемких технологических процессах. Был разработан технический проект атомной энерготехнологической станции ВГ-400 для снабжения теплом с температурой 950 °С для предприятий по производству аммиачных удобрений. В 1987 году вышло постановление Совета Министров СССР «О создании и внедрении в народное хозяйство атомных энерготехнологических комплексов на базе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР)». Предусматривалось создание пяти таких энерготехнологических комплексов. Препятствием применению ВТГР явились изменения в отечественной экономике в 90-х годах.
За рубежом первые коммерческие ВТГР — FSV (США) и THTR-300 (ФРГ) — предназначались для выработки электроэнергии, однако опыт эксплуатации показал, что стоимость производства электроэнергии была выше, чем на действующих АЭС.
Что изменилось к настоящему времени:
— во всем мире отмечается рост потребления водорода и продуктов, содержащих водород, являющихся ценным химическим продуктом в нефтепереработке, металлургии, химической промышленности и других отраслях;
— на базе ВТГР могут быть созданы АЭТС для крупномасштабного производства водорода без выбросов диоксида углерода;
— одним из решений проблемы глобального потепления является снижение выброса парниковых газов в промышленности, ВТГР способствует решению этой задачи.
Чем интересен ВТГР? В чем его технологические и экономические преимущества по сравнению с реакторами других типов? Эта технология лучше подходит для реакторов большой или малой мощности?
Выбор характеристик ВТГР основывался на реализации свойств самозащищенности (не требующих действий персонала) в отношении глушения реактора без срабатывания систем останова, отвода остаточного тепла от заглушенного реактора без требований к обеспечению энергией. В совокупности должно быть исключено расплавление активной зоны, а при авариях возможные выбросы радиоактивности за пределы площадки АЭТС должны исключать необходимость эвакуации или укрытия населения, а также не должна быть ограничена обычная хозяйственная деятельность. Таким условиям могут соответствовать реакторы ВТГР с шаровыми и блочными твэлами.
При выборе типа твэла принималась во внимание возможность достижения большей мощности реактора при заданных технологических ограничениях изготовления корпуса реактора в России. Соответственно, была выбрана активная зона из блочных тепловыделяющих сборок. При этом мощность реактора с учетом технологических ограничений составила 200 МВт.
Реакторы ВТГР предназначены для производства водорода и высокотемпературного технологического тепла. Объем потребления первичных энергоресурсов в этой сфере не уступает потреблению для электроэнергетики. Атомная энергетика на основе водо-водяных реакторов и реакторов на быстрых нейтронах производит «чистую» электроэнергию. Таким образом, действующие сейчас на АЭС реакторные технологии и технологии ВТГР предназначены для разных целей и разных областей применения (электроэнергетика и технологическое тепло для различного применения).
Выбор мощности реакторов ВТГР определялся режимами промышленных установок, которые работают практически без останова длительное время. Поэтому выбрана технология модульных реакторов, чтобы при остановке одного из ВТГР выпуск продукции полностью не прекращался.
На действующих сейчас АЭС можно получать водород с помощью электролизеров. Почему технология ВТГР более предпочтительна? Это вопрос стоимости или масштабов производства?
На действующих АЭС водород можно получать электролизом воды, когда есть резерв мощности, связанный с графиком выдачи мощности в сеть (это приоритет). Сегодняшние оценки показывают, что стоимость водорода при крупномасштабном производстве на базе ВТГР ниже, чем методом электролиза.
На каком этапе проработки находится в настоящее время проект будущей АЭТС с ВТГР? Определена ли уже площадка строительства? Некоторое время назад в СМИ прошла информация, что это будет Татарстан. Если информация верна, то почему была выбрана именно эта площадка?
В настоящее время проработки по АЭТС находятся на предпроектной стадии, включая установку производства водорода. В рамках этой стадии разрабатывается технический проект реакторной установки с ВТГР. Проводятся работы по выбору площадки для размещения АЭТС. Относительно Республики Татарстан следует сказать, что периодически главой республики проводятся совещания с приглашением представителей различных предприятий и институтов России для информирования о разработках новых технологий в различных областях науки и техники.
Какие технологические развилки по проекту ВТГР уже пройдены?
С технологической точки зрения рассматривались варианты, обеспечивающие сокращение времени и риска на создание проекта первого блока АЭТС. Были рассмотрены следующие варианты.
1. Использование только российских технологий или использование и зарубежных технологий. С учетом существующих и вероятных ограничений обмена информацией и технологий (в части водорода и не только) принято решение использовать российские технологии.
2. Выбор способа производства водорода электролизом воды или с использованием углеводородов и воды. Сравнение вариантов показало, что более низкая стоимость водорода обеспечивается вариантом паровой конверсии метана без выброса СО2. Этот процесс отработан в промышленном масштабе, для его использования в России имеется необходимое сырье (метан, вода).
3. Рассматривались варианты передачи тепла от реактора в водородную установку через промежуточный контур или без промежуточного контура. Выбран вариант с промежуточным контуром для физического разделения реакторного и технологического контуров с целью безопасности.
Каковы дальнейшие шаги по созданию ВТГР? Можете ли вы озвучить укрупненный план работ, основные этапы, даты?
В 2024 году запланировано завершение доинвестиционной стадии проекта АЭТС, включая технический проект реакторной установки, декларацию о намерениях и др. До 2028 года — стадия разработки и лицензирования проекта АЭТС, далее — строительство первого блока в 2032 году, далее — завершение строительства АЭТС в составе четырех блоков предположительно в 2035 году (данные согласно докладу ОКБМ на заседании совета директоров «Татнефтехиминвест-холдинг» 31.01.2023 г.)
В чем отличия нынешнего проекта от более ранних отечественных версий и от зарубежных, например китайского реактора?
Основное отличие современного проекта АЭТС от ранних проектов в том, что в состав АЭТС включена химико-технологическая установка, которая производит водород, то есть продукт, который можно хранить, транспортировать и продавать. Ранние проекты ВТГР предполагали соединение ВТГР с промышленным производством системой передачи тепла, продуктом в таком случае является тепло, то есть одна АЭТС — один потребитель, а современный проект может обеспечить водородом группу потребителей.
Китайский ВТГР предназначен для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле, температуры в этом реакторе недостаточно для производства водорода.
Как в АЭТС с ВТГР будет встроен модуль по производству водорода? Каковы уже известные параметры этого модуля?
В процессе разработки проекта ВТГР рассматривались различные варианты технологических схем интеграции реактора с установкой производства водорода, представленные на рисунках 1 и 2.
Процесс имеет умеренный уровень температуры пара (менее 700 °С), однако характеризуется необходимостью системы возврата оставшейся части метана после выделения водорода. Реализация этой схемы может быть обеспечена по двухконтурной схеме (первый контур/пароводяной контур) при уровне температуры на выходе из реактора 750 °С. Недостатком является вероятность проникновения радиоактивности в технологический контур производства водорода. В этой связи были рассмотрены варианты схем с промежуточным контуром и повышенной температурой конверсии метана.
На рисунке 2 показана блок-схема комбинированного процесса производства водорода за один проход с использованием блоков паровой и парокислородной конверсии метана. Для повышения эффективности процесса конверсии и компенсации потери температурного потенциала при использовании промежуточного контура температура гелия на выходе из активной зоны была повышена до 850 °С. Это позволило увеличить температуру паровой конверсии до 750 °С. Такая технология позволит снизить потребление метана, воды, обеспечить степень конверсии метана 99,7% и чистоту водорода 99,99% за один технологический цикл.
Соединение ВТГР с модулем производства водорода обеспечивается через промежуточный гелиевый контур, который передает тепло с высокой температурой парометановой смеси, которая затем направляется в модуль производства водорода.
Расстояние между ВТГР и водородной установкой выбирается из условий исключения недопустимого воздействия на ВТГР при авариях водородной установки. Мощность водородной установки — 110 тыс. тонн водорода в год, АЭТС с ВТГР в современном проекте включает четыре ВТГР, таким образом мощность АЭТС составляет 440 тыс. тонн водорода в год.
Известно ли, где и для чего будет использоваться произведенный на АЭТС водород?
Водород будет использоваться как сырье в тех отраслях промышленности, где он сегодня уже используется или планируется к использованию, а также в автономных источниках электроэнергии. В настоящий момент нами ведется активная работа по взаимодействию с потенциальными потребителями, например, активный интерес уже сейчас проявляют представители отрасли по производству аммиака и минеральных удобрений, нефтеперерабатывающей отрасли.
Предполагается, что на АЭТС с ВТГР водород будут получать из природного газа. Разработаны ли технологии получения на ВТГР водорода из воды? Это должны быть технологии, отличные от электролиза? Из каких источников для этого должна поступать вода, должна ли она быть специально подготовленной? Не несет ли это угрозы экологии?
Водород на АЭТС с ВТГР будет производиться из природного газа и воды методом паровой конверсии с улавливанием и утилизацией СО2. На сегодняшний день перспективным считается производство водорода из воды методом электролиза при температурах до 800 °С, при этом часть энергии для расщепления молекулы воды на водород и кислород обеспечивается от ВТГР, а остальное — электричеством. Разработка этой технологии находится на уровне создания и испытания лабораторных установок. Исследуются на лабораторном уровне термохимические процессы получения водорода из воды, например серно-йодный процесс. Для этого необходимо иметь температуру теплоносителя около 1000 °С. Работы по достижению такой температуры в ВТГР планируются, и этот процесс не быстрый.
Вода для производства водорода берется из природных источников и обрабатывается для удаления примесей. Отходы, образующиеся при обработке воды, путем последовательных операций перерабатываются в продукт, безвредный для окружающей среды.
Сможет ли водород стать одним из ключевых продуктов Росатома? Какие шаги для этого нужны и сколько времени для этого может потребоваться?
Водородная энергетика уже сейчас является одним из стратегических направлений развития атомной отрасли.
Для решения глобальной задачи по развитию водородной энергетики АО «Концерн Росэнергоатом» реализует группу инвестиционных проектов по теме «Разработка технологий атомно-водородной энергетики для крупномасштабного производства и потребления водорода», в рамках которой ведутся работы по разработке отечественных технологий для систем производства низкоуглеродного водорода с соответствующей инфраструктурой хранения и транспортировки, а именно:
— локального производства водорода методом электролиза с использованием электроэнергии действующих АЭС;
— крупномасштабного производства водорода методом конверсии углеводородов на базе разрабатываемой в концерне атомной энерготехнологической станции с использованием тепла высокотемпературного газоохлаждаемого реактора и обеспечением утилизации нарабатываемого в процессе конверсии углекислого газа;
— системного обеспечения функционирования и безопасности водородной энергетики.
В рамках этих работ создается экспериментальная база, ведутся работы по разработке и экспериментальному подтверждению ключевых технологических и технических решений как по реакторной установке, так и по химико-технологической части, готовится нормативная база по обеспечению безопасности инфраструктуры водородной энергетики.
Уже к настоящему времени готов опытный образец электролизной установки блочно-модульного типа на анионообменной мембране производительностью 50 Нм3/ч. В 2025 году планируется ввести в эксплуатацию стендовый испытательный комплекс по производству водорода методом электролиза производительностью 200 Нм3/ч на Кольской АЭС. А к 2035 году планируется ввести в эксплуатацию атомную энерготехнологическую станцию с химико-технологической частью для крупнотоннажного производства водорода методом паровой конверсии метана (ПКМ).
Все это позволит реализовать стратегические планы госкорпорации «Росатом» по расширению линейки продукции и развитию новых направлений бизнеса.
