Производство альтернативного топлива на основе ядерных энергоисточников
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 6
УДК 661.961:621.039.576
Производство альтернативного топлива
на основе ядерных энергоисточников
А. Я. Столяревский
АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ СТОЛЯРЕВСКИЙ — кандидат технических наук, директор Центра комплексно-
го развития технологий и энерготехнологических систем (Центр КОРТЕС). Область научных интересов:
ядерные энергоустановки, системы конверсии энергии.
123098 Москва, ул. Максимова, д. 4, тел. (499)197-53-19, факс (499)196-73-21, E-mail cortes@pike.net.ru
Уникальная способность высокотемпературных вдвое сокращается расход природного газа и около
газоохлаждаемых ядерных реакторов (ВТГР) вырабаты- половины водорода производится из воды [5].
вать тепло с температурой до 950—1000 °С открывает Принципиальные особенности технологии АКМ в
возможности для высокоэффективного производства привязке к ВТГР обеспечивают бескислородное произ-
электроэнергии и водорода из воды, создания основ водство водорода при относительно невысоких капи-
чистой водородной энергетики и замещения органиче- тальных затратах. На базе ядерно-водородного ком-
ского топлива в энергоемких отраслях промышленности плекса из 4-х модульных ВТГР МГР-Т единичной мощ-
[1, 2]. Переход на крупномасштабные технологии про- ности 600 МВт (тепл) может быть создано производство
изводства водорода из воды потребует значительных примерно 0,5 млн т водорода с одновременной выра-
затрат на доработку самих технологий, чтобы сделать боткой около 5 ТВт·ч электроэнергии в год.
их конкурентоспособными, а также развития рынка Энерготехнологическое применение высокотемпера-
водородного топлива и обеспечивающей этот рынок турных газоохлаждаемых реакторов требует разработки
инфраструктуры. реакторной системы с системой преобразования энер-
В ближайшей перспективе основным производст- гии в прямом газотурбинном цикле и системы транс-
венным процессом получения водорода в промышлен- порта высокотемпературного тепла в блок производства
ных масштабах останется конверсия природного газа. водорода.
По мере роста затрат на добычу и доставку газа с отда- Россия, имеющая опыт реализации важнейших для
ленных промыслов все большее значение начинают страны и ее безопасности проектов, должна в междуна-
приобретать технологии, сокращающие расход газа, родной кооперации занять достойное место по развитию
сжигаемого как топливо, не только в энергетике, но и в водородной энергетики, что потребует организации
других отраслях. совместных скоординированных усилий институтов, КБ
С этой точки зрения в перспективе появятся эконо- и промышленных предприятий по реализации наиболее
мические стимулы для создания комбинированных тех- эффективных технологических решений. Это приведет к
нологий, в которых значительная часть энергетических становлению нового динамичного бизнес-сектора, осно-
процессов будет переводиться с углеводородного топ- ванного на высоких технологиях преобразования и хра-
лива на новые, более эффективные и безопасные для нения энергии с помощью водородного энергоносителя.
окружающей среды энергоисточники и, в первую оче- Такой подход полностью соответствует намеченной
редь, для крупнотоннажных производств и большой стратегии изменения энергетического базиса и повыше-
энергетики – на высокотемпературные ядерные реакто- ния глобальной энергетической безопасности [6, 7].
ры следующего поколения [3]. Оценки технико-экономических характеристик ком-
Ведущей разработкой высокотемпературных газоох- мерческих энергокомплексов с использованием высоко-
лаждаемых реакторов для различного применения стал температурных реакторов показывают экономическую
проект модульного реакторного блока ГТ-МГР, создан- эффективность этой линии развития (табл. 1).
ный совместными усилиями компаний России, США, Работы по использованию высокотемпературных
Японии [4]. реакторов для водородной энергетики разворачиваются
На базе этого проекта по заказу Концерна «Росэнер- в технологически развитых странах. США выделили
гоатом» выполнена концептуальная проектная прора- 1,2 млрд долларов на разработку демонстрационного
ботка возможности привязки к реактору МГР производ- блока и определили потребность в 200 атомных станций
ства водорода. В проекте с ядерной энергоустановкой для производства водорода из воды. Южная Корея за-
МГР-Т в сочетании с процессом производства водорода планировала 1 млрд дол. для создания демонстрацион-
паровой адиабатической конверсией метана примерно ного блока для производства водорода из воды и плани-
73А. Я. Столяревский
Таблица 1
Характеристики комплексов производства водорода на базе МГР-Т
Характеристики МГР-Т с АКМ МГР-Т с ВТЭ МГР-Т с ТХЦ
Мощность тепловая, МВттепл 600 × 4 = 2400 600 × 4 = 2400 600 × 4 = 2400
Мощность электрическая, МВт 205,5 × 4 = 822 205,5 × 4 = 822 181,5 × 4 = 726
Производство Н2, тыс. т/год 400 216 59
Электроэнергия, кВт.ч/год 5302 — 5168
Тепловая энергия, Гкал/год 6688 2750 —
Себестоимость производства:
водород, долл. США/т 1000 1330 2170
электроэнергия, долл. США/МВт.ч 16 — 17
рует к 2030 г. использовать водород, полученный на Производство водорода
базе ВТГР, как автомобильное топливо, в количестве
По данным на конец прошлого века, в странах с
20% от потребностей всего транспорта страны [7].
развитой экономикой 77% водорода получали из при-
Аналогичные технологии и проекты развиваются родного газа и нефтепродуктов, 18% — из угля, 4% из
интенсивно в Японии, Франции, ЮАР, Китае в рамках воды и 1% из прочего сырья.
государственного финансирования. Последние двадцать лет новейшие разработки в об-
В 60-х годах прошлого века в Советском Союзе ласти получения водорода были направлены, главным
Минсредмаш инициировал программу по атомно- образом, на поиск более эффективных технологий про-
водородной энергетике, при реализации которой был изводства водорода из воды.
разработан ряд проектов ядерных реакторов: АБТУ-15, Паровая конверсия метана. В настоящее время
AБTУц-50, ВГ-400, ВГ-400ГТ, ВГМ, ВГМ-П. Данные крупнотоннажное производство водорода и водородсо-
проекты высокотемпературных газоохлаждаемых реак- держащих продуктов осуществляется в основном паро-
торов в основном были нацелены на выработку тепла с вой конверсией природного газа — метана (ПКМ), и эта
температурой до 950 °С для существующих и перспек- технология получения водорода в ближайшем будущем
тивных технологических процессов по производству останется основной. Вместе с тем рост цен на углеводо-
синтетического топлива из угля, водорода, аммиака и роды, сырьевые и экологические ограничения процесса
удобрений, переработке нефтепродуктов, интенсифика- ПКМ стимулируют разработку и применение промыш-
ции добычи нефти и централизованного дальнего тепло- ленных процессов с использованием воды в качестве
снабжения и т.д. Разработка проектов ВТГР сопровож- исходного сырья, что потребует подвода тепла при бо-
далась созданием мощной экспериментальной и техно- лее высоких температурах по сравнению с освоенными
логической базы для комплексных испытаний и отра- ранее.
ботки оборудования. Были созданы десятки различных Если попытаться получать водород в необходимых
исследовательских стендов [8]. количествах только из природного газа, то уже к 2025
В настоящее время разрабатывается проект высоко- году для производства 200 млн т водорода потребова-
температурного модульного гелиевого реактора с газо- лось бы сжигать 1200 млрд м3 природного газа, то есть
вой турбиной ГТ-МГР в международной кооперации с примерно половину его сегодняшнего мирового потреб-
фирмами США, Японии, Франции. В проекте ГТ-МГР ления, что вызвало бы неприемлемую нагрузку в на-
активно используется задел, созданный в 1970-х годах в пряженном балансе газа.
рамках программы по атомно-водородной энергетике. Выход, по нашему мнению, заключается в примене-
Работы финансируются на паритетной основе Росато- нии новых ядерных источников — высокотемператур-
мом и DОЕ/NАSA (США). ных реакторов для водородной энергетики, что при
В связи с работами по использованию высокотемпе- освоении технологий ПКМ позволит на 500 млрд м3
ратурных реакторов для водородной энергетики зару- сократить расход газа (соизмеримо с производительно-
бежные партнеры заинтересованы в сотрудничестве с стью концерна «Газпром»). В дальнейшем переход на
российскими предприятиями, поскольку такое сотруд- разложение воды позволит полностью отказаться от
ничество снижает технический и финансовые риски углеводородов для получения водорода.
разработок. Развитие отечественных высокотемпера- При проектировании реакторов типа ВТГР увеличе-
турных и водородных технологий позволит России со- ние температуры теплоносителя на выходе из активной
хранить лидирующие позиции в мире в области атомной зоны с 850 °С (проект ГТ-МГР) до 1000 °С сильно ос-
энергетики [7]. ложняет выбор материала металлических конструкций
74Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 6
транспорта тепла, но в то же время не создает принци-
пиальных проблем для графита и керамической обли-
цовки реактора.
Высокотемпературный электролиз (ВТЭ) — это
разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необ-
ходимой для расщепления воды, расходуется на нагрев
пара, что делает процесс более эффективным. Эффектив-
ность метода ВТЭ зависит от цены электроэнергии и тем-
пературы потребляемого тепла. Электролизу подвергается
пар под давлением 3 МПа и 800 °С. Удельное потребление
электроэнергии — 2,5 кВт·ч/нм3. При этом массовое со-
отношение потребляемого пара и производимого водо-
рода составляет 9:1.
При производстве водорода с применением ВТЭ
могут использоваться установки, в которых высокотем-
пературное тепло от реактора непосредственно переда-
ется в первом контуре через теплообменник (ВТО) к
пару, перегревая его до 800 °С. ВТО в данной схеме
выполняет функции высокотемпературного паропере-
гревателя. Часть тепла с более низкой температурой
преобразуется затем в электрическую энергию в элек- БПЭ Реактор ВТО
трогенерирующем блоке преобразования энергии
(БПЭ), расположенном после ВТО. В зависимости от Рис. 1. Компоновка РУ МГР-Т для варианта с паровой
технико-экономических показателей БПЭ может быть конверсией метана
как с газотурбинным, так и с паротурбинным циклом.
Для перегрева пара до 800 °С гелий на выходе из реак-
тора должен иметь температуру не ниже 900 °С. При и быстрые) способны обеспечить столь высокую темпе-
использовании БПЭ с газотурбинным циклом необхо- ратуру подводимого тепла к агрегату получения водо-
димо усовершенствовать турбины для работы при тем- рода из воды. В настоящее время работы по энерготех-
пературах гелия на входе более 850 °С. нологическому комплексу с реактором МГР-Т для про-
Предварительные технико-экономические оценки по изводства водорода направлены на решение узловых
производству водорода в перспективных процессах с проблем стыковки ядерной энергоустановки типа ВТГР
выработкой тепловой и электрической энергии от МГР- мощностью 600 МВттепл с прямым газотурбинным цик-
Т показывают, что метод паровой конверсии метана лом с термохимическим производством водорода путем
конкурентоспособен с обычными технологиями при ПКМ или ВТЭ. На рис. 1 показан общий вид проекти-
сегодняшних мировых ценах на природный газ и без руемого реакторного модуля атомной энерготехнологи-
учета потенциальной составляющий налогов на выбро- ческой станции (АЭТС) на базе реактора МГР-Т с при-
сы CО2. При более высоких ценах на природный газ менением термоконверсионного агрегата для процесса
(рост более чем в 3 раза) конкурентоспособными и наи- конверсии метана (ТКА) с гелиевым нагревом.
более экономичными могут стать высокотемпературный
Мировая потребность в водороде
электролиз и термохимические процессы типа серно-
йодного. Оценки выполнялись при умеренных темпера- Структура потребления водорода в странах с разви-
турах используемого тепла в процессах не более 950 °С. той экономикой примерно идентична. Крупнейшими
Увеличение температуры гелия до 1000 °С позволяет потребителями (до 90% общего объема производства)
повысить эффективность процессов производства водо- остаются химическая и нефтеперерабатывающая отрас-
рода, однако при этом увеличивается стоимость реак- ли. Остальные отрасли относятся к более мелким потре-
торной установки. Из разработанных перспективных бителям: металлургическая промышленность и обра-
методов получения водорода с помощью ядерных реак- ботка металлов, пищевая, электронная, фармацевтиче-
торов только термохимические (включая ПКМ) и высо- ская, стекольная, ракетно-космическая техника, исполь-
котемпературные электрохимические технологии обес- зование в качестве топливного газа и др. В химической
печивают эффективность на уровне не ниже 50% (при промышленности до 80% общего объема потребления
ПКМ существенно выше). Реализация таких технологий водорода расходуется в процессах синтеза аммиака и
возможна при создании адекватного по температурным метанола (чистота менее 99,5%).
возможностям ядерного реактора с температурой нагре- Мировая торговля водородом ведется в ограничен-
ва теплоносителя выше 850 °С. Из предлагаемых по ных масштабах. Она наиболее активна в Западной Ев-
программе INPRO или G-4 инновационных проектов ропе, где имеется небольшая, но развитая сеть трубо-
только реакторы с гелиевым теплоносителем (тепловые проводов по перекачке водорода между предприятиями.
75А. Я. Столяревский
Водород не является биржевым товаром, и говорить о поставки водорода для энергетических и технологиче-
его мировых ценах пока нельзя, поскольку цены при ских потребностей других отраслей. Термодинамические
поставках являются контрактными и зависят от многих потери, связанные с многократным преобразованием
условий, в том числе от требуемой чистоты водорода. энергии в таких схемах, приведут к тому, что даже для
Диапазон цен на водород варьирует от 750 долл/т на самых перспективных на сегодняшний день систем про-
отдельных заводах в России до 3000 долл/т у ряда по- изводства водорода и получения электроэнергии у потре-
требителей в Западной Европе и США. бителя с помощью ЭХГ, имеющих эффективность до
По различным прогнозам в XXI веке ожидается рез- 65%, с учетом затрат на компримирование и/или ожиже-
кий рост спроса на водород в связи с увеличением глу- ние водорода и его транспортировку и возможных по-
бины переработки нефти, развитием производства ам- терь, суммарная эффективность преобразования первич-
миака, метанола, облагороженного (например, из слан- ной энергии составит не более 20—25%.
цев или битуминозных песков) и синтетического (в Ниже представлены сводные показатели изменения
первую очередь, из угля) жидкого топлива, процессов структуры и масштабов мирового потребления водорода
прямого получения качественного железа и др. Наи- (табл. 2).
больший вклад в перспективный рост мирового спроса Рост потребления водорода, как ожидается, будет
на водород следует ожидать от автотранспорта и систем идти почти линейно (рис. 2), несмотря на заметные
рассредоточенного энергоснабжения, в которых водо- изменения внутренней структуры и увеличение доли
род выступает как экологически чистый энергоноси- таких потребителей как автотранспорт (с нуля до 55%) и
тель, который можно накапливать и транспортировать синтетическое жидкое топливо (с нуля до 25%).
подобно природному газу. Рост потребности в водороде может быть обеспечен
Для различных сценариев развития мировой эконо- только при использовании для его производства ядер-
мики и показателей ожидаемого уровня энергопотреб- ных источников энергии. Переход производства водо-
ления прогнозные оценки рыночного потенциала произ- рода на новые технологии будет происходить постепен-
водства и потребления водорода изменяются от пренеб- но с переходом на ядерное топливо и использованием
режимо малых объемов (в 1,5—2 раза превышающих метана только как химического сырья по мере возраста-
нынешний уровень потребления этого продукта, равный ния его стоимости.
примерно 6 EJ) до приоритетных стратегий водородной Сочетание ВТГР и паровой конверсии метана позво-
экономики с выходом потребления водорода на 300— ляет примерно в 2 раза снизить расход, а, следователь-
400 EJ к 2100 г. но, и затраты на природный газ для производства водо-
Считая основным перспективным потребителем рода.
водорода автотранспорт, его потребление в этом секто- Наиболее радикальные изменения произойдут при
ре может составить от 200 до 300 млн т в 2050 г., исходя освоении высокоэффективных процессов термохимиче-
из прогноза общей численности транспортных средств ского или высокотемпературного электрохимического
(ТС) 1,6 млн ед. и усредненного по регионам и секторам разложения воды на базе ВТГР. Антропогенное влияние
автотранспорта среднегодового расхода водорода на окружающую среду в таком сценарии будет наи-
0,18 т/ТС.год при возможной доли водородного транс- меньшим в сравнении с альтернативами, основанными
порта, равной, соответственно, 70 и 100% общего миро- на биомассе или других способах экстенсивного преоб-
вого автопарка к 2050 г. разования солнечной энергии.
К 2100 г., при росте числа ТС до 2,5 млн ед. (средне- В пересчете на ядерные мощности, необходимые для
европейский уровень обеспеченности при численности производства указанных количеств водорода, в варианте
населения Земли около 10 млрд чел) рост производства «ВТГР-ПКМ» придется развернуть ядерно-водородные
водорода достигнет 450 млн т/год. комплексы общей мощностью 1,500 ГВттепл. (с одновре-
Общие потенциальные потребности в водороде по менным потреблением природного или синтетического
прогнозам на 2050 г. составят около
370 млн т Н2. После 2050 г., в связи с Таблица 2
возможным дефицитом углеводоро-
Масштабы и структура рынка водорода в ХХI веке, млн т
дов и ограничением прямого сжига-
ния угля, можно ожидать увеличения Отрасль потребления 2000 г. 2050 г. 2100 г.
производства водорода для газифи- Производство аммиака 20 50 87,5
кации угля и производства синтети-
Производство метанола 3 7,5 13
ческого жидкого топлива. К 2100 г.
Нефтепереработка и нефтехимия 11 27,5 27,5
только на производство 0,6—
1,2 трлн нм3 синтетического метана Металлургия 3 16 32
потребуется до 200 млн т водорода. Производство синтетического топлива Нет данных — 180
За рамками приведенной выше Топливо для автотранспорта — 260 450
оценки осталось потребление водо- Другие потребители, в т.ч. товарный водород Менее 3 7,5 13
рода автономными локальными по- Всего 40 ∼370 ∼800
требителями и межрегиональные
76Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 6
800
800
В то же время для первого этапа освоения водород-
ной энергетики, при еще относительно низких ценах на
природный газ рассматривается и процесс получения
600 водорода из метана. Для последующих этапов примене-
ния предлагаются процессы с использованием в качест-
ве сырья природной воды: термохимическое разложе-
ние воды и высокотемпературный электролиз водяного
400 пара.
369
Выполненные проектные исследования по реактор-
ной установке МГР-Т показали, что:
— данная реакторная установка может рассматри-
200 ваться как перспективная технология для высокоэффек-
тивного производства водорода и электроэнергии;
— развитые свойства самозащищенности и исполь-
40
зование пассивных систем безопасности обеспечивают
высокий уровень ее безопасности;
2000 2020 2040 2060 2080 2100 — предварительный технологический задел, создан-
Годы ный по конструкционным материалам, топливу и обо-
рудованию показывает, что нет непреодолимых техни-
Рис. 2. Динамика мирового потребления водорода, млн т ческих барьеров для реализации предлагаемой концеп-
ции МГР-Т.
Выполненные предварительные технико-экономи-
метана в объеме 2,5—3 трлн м3), а в варианте «ВТГР- ческие оценки производства водорода из метана и воды
получение водорода из воды» (термохимическим ее на базе реакторной установки МГР-Т показали конку-
разложением или высокотемпературным электролизом) рентоспособность данной энерготехнологии в рассмот-
ввод необходимых мощностей должен составить ренных экономических условиях на период устойчивых
∼10,000 ГВттепл., что соизмеримо с требуемым ростом мировых цен на природный газ.
ядерных мощностей для производства электроэнергии На основе энергоисточников этого типа создана
по сценариям интенсивного развития. возможность вводить энерготехнологические комплек-
Промежуточная стратегия предусматривает исполь- сы для регионального энергоснабжения, решающего, в
зование технологии ВТГР-ПКМ в период, когда стои- том числе, задачи поставки топлива для транспорта и
мость природного газа соизмерима со стоимостью низкопотенциального тепла для бытовых нужд и ком-
ядерного тепла, производимого ВТГР. Затем, с ростом мерческого сектора. Особую роль в реализации такого
цен на природный или синтетический метан до уровня комплексного системного освоения новых энергоисточ-
500—600 дол. США(2003)/1000 нм3, что превышает ников, как это не раз уже было в прошлом, призвана,
стоимость ядерного тепла в 3,5—4 раза, станет уже конечно, сыграть атомная отрасль, включившая это
конкурентоспособным водород, полученный разложе- направление в число своих основных приоритетов.
нием воды. ЛИТЕРАТУРА
Существенное влияние на развитие атомно-водородной
1. Александров А.П., Пономарев-Степной Н.Н. В сб.: Атом-
энергетики могут оказать международные соглашения о
ной энергетике 20 лет. М.: Атомиздат, 1974, с. 205—213.
мероприятиях по защите окружающей среды. 2. Легасов В.А., Пономарев-Степной Н.Н., Проценко А.Н. и
Базовыми производителями водорода призваны др. Вопр. атом. науки и техн. Сер. Атомно-водородная
стать АЭТС с ВТГР. В частности, для модульных реак- энергетика, 1976, вып. 1, с. 5—34.
торных установок типа МГР-Т возможно применение 3. Александров А.П., Легасов В.А., Сидоренко В.А. и др.
различных процессов производства водорода: паровая Атомная энергия, 1977, т. 43, вып. 6, с. 427—432.
конверсия метана, высокотемпературный электролиз и, 4. Костин В.И., Кодочигов Н.Г., Васяев А.В. и др. МГР-Т —
после решения сложных проблем по созданию конст- инновационная ядерная технология для комбинированного
рукций и материалов для агрессивных сред, термохими- производства водорода и электроэнергии. Докл. на 2 Рос.
научно-техн. конф. МАЯТ-2, 6-30 сентября 2005 г.
ческие циклы производства водорода из воды. 5. Столяревский А.Я. Ядерно-технологические комплексы на
Предлагаемый путь перехода к водородной эконо- основе высокотемпературных реакторов. М.: Энергоатом-
мике строится на технологии использования энергии издат, 1988.
ВТГР в процессах производства водорода с высокой 6. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Альтерна-
технико-экономической эффективностью. Процессы по тивная энергетика и экология, 2004, № 3, с. 11.
возможности должны исключать потребление органиче- 7. Forsberg C. The advanced high-temperature reactor for hydro-
ского топлива, прежде всего нефти и газа, ценного сы- gen production, 15/5/02 GA Workshop, 2002.
рья для промышленности, запасы которых ограничены. 8. Митенков Ф.М., Кодочигов Н.Г., Васяев А.В. и др. Атомная
энергия, 2004, т. 97, вып. 6, с. 432—446.
77Вы также можете почитать
