Проблемы, описанные во вступлении к статье, требует поиска новых экономически эффективных путей обеспечения базовой электрической нагрузкой вновь вводимых АЭС. Решение этой задачи также позволит повысить коэффициент использования установленной мощности атомных электростанций.
Особенно актуальным направлением обеспечения базисной нагрузкой АЭС становится технология производства водорода методом электролиза воды путём создания водородного комплекса в комбинировании с энергоблоками АЭС [2].
Преимуществом водородного комплекса является возможность потребления электроэнергии по себестоимости непосредственно от АЭС в часы ночного минимума электропотребления для выработки водорода и кислорода [3]. Выработанные водород и кислород могут быть использованы для производства пиковой электроэнергии на АЭС, либо реализованы как товарная продукция, что обусловливает возможность участия АЭС в комбинировании с водородным энергетическим комплексом в покрытии суточной или сезонной пиковой электрической нагрузки.
Технологии производства водорода
В конце XX века в странах с развитой экономикой 77% водорода получали из природного газа и нефтепродуктов, 18% — из угля, 4% — из воды и 1% — из прочего сырья. На сегодняшний день крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов в мире осуществляется в основном путём паровой конверсии метана (ПКМ). Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия. Процесс проходит в химических паровых риформерах на каталитических поверхностях при температуре 750–850°C [4]. Оксиды углерода, содержащиеся в продуктах конверсии, отделяются от газовой смеси и утилизируются.
Полученный при ПКМ водород может быть выделен из конечной метано-водородной смеси (МВС) путём использования мембранных установок [5].
Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается около половины исходного газа, что приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания. С целью экономии природных ресурсов и снижения негативного влияния на окружающую среду в России, США и Японии ведутся разработки технологии ПКМ с подводом тепла от ВТГР [4].
Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоёмкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путём выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерготехнологические комплексы для регионального теплои энергоснабжения, с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора [6].
Последние десятилетия новейшие разработки в области получения водорода направлены на поиск более эффективных технологий его производства. Сырьевые и экологические ограничения применения природного газа при паровой конверсии метана стимулируют разработку промышленных процессов с повышением доли воды в качестве исходного сырья для производства водорода. В долгосрочной перспективе вода окажется основным источником получения водорода с помощью атомной энергии [7].
Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте АВЭ представляют электролиз и термохимические циклы или комбинированные термоэлектрохимические циклы [4].
Термохимический процесс получения водорода использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, в серно-йодном цикле и требует подвода тепла при температуре выше 900°C. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР [7]. Источником тепла при термохимическом разложении воды служит высокотемпературный реактор. На отдельных стадиях процесса такого типа наряду с термическим воздействием для отщепления водорода может использоваться электролиз участвующих в процессе химических реагентов. В случае комбинации термохимии с электролизом или при электролизе (в том числе высокотемпературном) ядерный реактор служит источником тепла и электроэнергии [4].
Высокотемпературный электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара, делая процесс более эффективным. Разработана концепция стыковки ВТГР с высокотемпературными электролизёрами, позволяющая иметь КПД производства водорода из воды до 50%.
Основой энерготехнологического компонента ядерной энергетики являются высокотемпературные газовые реакторы (ВТГР). Использование в качестве теплоносителя гелия и микротоплива с многослойным керамическим покрытием обеспечивает уникальную способность этих реакторов вырабатывать тепло с температурой до 950–1000°C при высоком уровне безопасности. Сочетание таких реакторов с технологическими процессами открывает возможности производства водорода из воды с высокой эффективностью и тем самым создаёт основу экологически чистой водородной энергетики, обеспечивая замещение органического топлива в энергоёмких отраслях промышленности [7].
Хранение водорода
При крупномасштабном использовании водорода требуются безопасные и эффективные системы его централизованного хранения [8].
Хранить водород сложно: он занимает в три-четыре раза больше места в сравнении с метаном в эквиваленте количества энергии, а также требует больше энергии для сжатия и разжижения [9]. Водород может храниться в жидком виде при его охлаждении до −253°C. Для охлаждения водорода до этой температуры требуется затратить около одной трети содержащейся в нём энергии (11 кВт·ч на 1 кг Н2), а для создания криогенных устройств необходимы специальные материалы и технологии. Водород может также быть запасён в виде газа. Этот процесс требует для сжатия водорода меньше энергии, чем для его ожижения.
Водород в газовой фазе может быть накоплен в газгольдерах, естественных подземных резервуарах (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилищах, созданных подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины [8]. Это самый дешёвый вариант хранения водорода в больших количествах и в течение длительного периода времени [9]. Объём соляных каверн достигает от 50–100 до 1000 тыс. м³ — ещё предстоит освоить, и этому посвящены несколько пилотных проектов в Европе. Одна небольшая пещера, например, способна хранить водород общей энергоёмкостью 50 ГВт·ч (примерно 5% от годового потребления электроэнергии в России) [10].
Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения составляют 1–3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.
Газообразный водород можно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 МПа. Такие ёмкости подвозят к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.
Для хранения и перевозки небольшого количества сжатого водорода при температурах от −50 до +60°C используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 д м³ и средней ёмкости 20–50 д м³ с рабочим давлением до 20 МПа. Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг водорода требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8–10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2–3% от массы самого баллона.
Опыт продолжительного хранения (более десяти лет) в подземных газохранилищах газа с содержанием 50% водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек. Слои глины, пропитанные водой, могут обеспечивать герметичное хранение ввиду слабого растворения водорода в воде.
Жидкий водород может храниться в стационарных и транспортных криогенных контейнерах. Водород в жидком состоянии может находиться в достаточно узком интервале температур: от точки кипения 20 К до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.
Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точке кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание (начальное, предварительное охлаждение) ёмкости. Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны.
Главная часть криогенной системы хранения водорода — теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в четыре-пять раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением.
Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5000 м³ [9].
В химически связанном виде водород может храниться в форме аммиака. Тем не менее, этот способ наименее освоен и проработан технологически, поскольку сложность состоит в получении водорода из аммиака или использовании аммиака непосредственно как топлива [11].
В качестве эффективного способа хранения водорода рассматриваются гидриды. В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в три раза по сравнению с баллонами. Упрощается транспортирование водорода. Отпадают расходы на конверсию и сжижение водорода [10]. Некоторые металлические сплавы, например, «магний-никель», «магний-медь», и железно-титановые сплавы поглощают водород в относительно большом количестве и освобождают его при нагреве.
При нормальной температуре равновесие давления равно нулю, чем обеспечивается безопасность обращения с этими системами [4]. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом [8].
Потенциал применения водорода
Российские возможности по производству водородного топлива как способа накопления электроэнергии оценены на основании величины потенциального производства электроэнергии на генерирующих объектах, по тем или иным причинам, загруженным существенно ниже их установленной мощности.
В качестве примеров таких объектов можно рассмотреть Кольскую и Ленинградскую АЭС [11].
1. Ленинградская атомная электростанция (ЛАЭС). В проекте, который разрабатывали РНЦ «Курчатовский институт» и канадские фирмы Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL) и Stuart Energy в 1990–1992 годах, на первом этапе предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, то есть с производительностью 14,5 тонн водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причём, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС.
Сегодня ЛАЭС недовырабатывает примерно 400 млн кВт∙ч в год, что позволило бы ежегодно производить около 8000 тонн водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в городе Сосновый Бор Ленинградской области. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.
Сейчас наблюдается новый всплеск интереса к масштабной атомно-водородной энергетике, основным инициатором которого явились автомобилестроительные гиганты. Водород имеет много преимуществ в качестве топлива для транспортных средств, и автомобильная промышленность активно включилась в его использование.
Однако наибольшее внимание исследователей, разработчиков и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств, а также для автономных систем энергопитания.
Твёрдополимерные (ТП) ТЭ по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка обходится примерно в $104 за 1 кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве [12].
2. Кольская атомная электростанция (КолАЭС). Данная АЭС выбрана площадкой для создания стендового испытательного комплекса по производству водорода и обращению с ним. Ввод комплекса планируется в 2023 году.
Кольская АЭС с четырьмя реакторами ВВЭР-440 и установленной мощностью 1760 МВт в Мурманской области относится к числу «запертых» мощностей энергосистемы. В силу сетевых ограничений коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) станции составляет 65,9% при среднем КИУМ АЭС в России в 2018 году более 85% [11].
Эксперты прорабатывают варианты использования избытков электроэнергии с атомных электростанций. Избытки водорода могут для заправки поездов, легковых автомобилей и других транспортных средств на водородных топливных элементах. Для тестирования генераторов водорода и систем его хранения предлагают создать при КолАЭС соответствующую инфраструктуру.
В схеме, которую планируют применить, имеется электролизная установка. Причём на начало панируется использовать две электролизные установки: щелочную и протонообменную. Их производительность будет составлять 200 м³. Полученный водород будет поступать на установку ожижения, после которой его планируется различными способами транспортировать, в том числе и по Северному морскому пути. Также планируется создание локальной водородной заправочной станции. И перевозка персонала будет осуществляться автобусом уже в районе атомной электростанции.
Водород, произведённый на базе АЭС, планируют и экспортировать. Наиболее перспективными назвали рынки Японии и Европейского союза. Чтобы обеспечить поставки за рубеж, придётся создать эффективную модели транспортировки товарного водорода.
Возможность производства водорода на базе электроэнергии, вырабатываемой станцией, оценена при условии повышения КИУМ до 93% [11].
Схемы атомно-водородного энергообеспечения
Для решения задачи о регулировании электрической нагрузки автор статьи [13] предлагает комбинировать АЭС и высокотемпературное электрохимическое устройство (ВТЭХУ). Данная комбинированная энергоустановка способна производить водород, который может быть использован как в самой энергоустановке, так и направлен потребителю. Ввиду того, что ВТЭХУ работает при температуре порядка 900°C, наиболее привлекательным является работа электрохимического устройства с высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (ВТГР).
Рассмотрим работу комбинированной энергоустановки на примере реактора ВТГР и ВТЭХУ. Во время провала нагрузки в ночные часы, происходит наработка водорода и кислорода с помощью ВТЭХУ, работающего в режиме электролизёра. В данном режиме к ВТЭХУ подводится электрический ток и водяной пар. Под действием тока происходит разложение водяного пара на кислород и водород, которые направляются в резервуары для хранения. Вода, используемая при электролизе, поступает из резервуара в парогенератор, после чего направляется в обратимое электрохимическое устройство.
В дневные часы, во время пика нагрузки, ВТЭХУ переходит в режим топливного элемента, водород и кислород из резервуаров подводятся к ВТЭХУ, где происходит электрохимическая реакция. В результате этой реакции вырабатывается электроэнергия с использованием кислорода и водорода, запасённых в провальной части графика нагрузки, и вода. Вода, полученная в результате этой электрохимической реакции, поступает в резервуар, для дальнейшего использования при электролизе. Так как оба процесса (электролиз и выработка электроэнергии) происходят в одном аппарате, то его можно назвать обратимым электрохимическим устройством, и происходит выработка электроэнергии с использованием кислорода и водорода, запасённых в провальной части графика нагрузки.
Высокотемпературное электрохимическое устройство — это электрохимическое устройство на основе твёрдооксидных электролитов, изготовленных из керамики ZrO2, с нанесёнными на неё электродами, один из которых является анодом, а другой катодом. Электролиты на основе ZrO2 обладают проводимостью по ионам кислорода, которая достигает максимума при температурах выше 850°C. Ресурс керамики в подобных условиях определён в 140 тыс. часов.
Особенностью высокотемпературных электролизёров является то, что они могут работать как в режиме поглощения тепла, так и в термонейтральном режиме. Это позволяет использовать данный электролизёр совместно с любым типом реактора ВТГР, ВВР и т. д.
При комбинировании обратимого электрохимического устройства с высокотемпературным реактором, оно может работать в режиме потребления тепла. На электролизёр подаётся напряжение меньше 1,29 В, например, 1,1 В. При этом расход электроэнергии на электролиз составит 2,64 кВт·ч на 1 м³ Н2. При комбинировании ВТЭХУ с реактором типа ВВР процесс электролиза будет проходить в термонейтральном режиме. На электролизёр может подаваться напряжение 1,29 В, тогда расход электроэнергии составит 3,1 кВт·ч на 1 м³ Н2.
Можно рассмотреть конкретный пример. Пусть у нас имеется 500 МВт свободной электроэнергии в ночные примерно восемь часов, тогда с помощью ВТЭХУ, работающего в режиме электролизёра, мы сможем вырабатывать 1,3 млн н м³ водорода, что, в свою очередь, позволит нам производить 535 МВт электроэнергии в течение четырёх пиковых часов с помощью ВТЭХУ, работающим в режиме топливного элемента. Если ночной провал графика нагрузки составляет около 50% от базовой мощности АЭС, то использование ВТЭХУ позволит увеличить пиковую мощность станции на 50% [16].
Таким образом, очевидно, что использование ВТЭХУ в комплексе с АЭС представляет собой реальный и существенный интерес.
Заключение
На сегодняшний день необходимо решать проблему регулирования графика потребления электроэнергии на АЭС. Ведь, как известно, лучшим режимом работы АЭС является базовый, то есть режим работы с постоянной (базовой) нагрузкой.
Особенно актуальным направлением обеспечения базисной нагрузкой АЭС становится комбинирование АЭС с водородным энергетическим комплексом.
Использование водорода внутри комбинированной энергоустановки позволит обеспечить базовый режим работы АЭС, со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями: повышение надёжности, повышение коэффициента использования установленной мощности атомных электростанций, снижение себестоимости электроэнергии, увеличение пиковой мощности.
