Водородный ренессанс

В 1970–1980-е годы в СССР создавались самолеты и ракеты на водородном топливе. Позже программу свернули, но развитие автомобильной промышленности вызвало новый всплеск интереса к водородной энергетике. Академик РАН Николай Пономарев-Степной считает, что именно «Росатом» может стать лидером водородного ренессанса.

— Какие новые стратегические научные направления вы считаете перспективными и приоритетными для отрасли и на каких из них в ближайшие 10 лет «Росатому» необходимо сконцентрировать научные компетенции и финансовые ресурсы?

— Я считаю, что развитие атомно-водородной энергетики — одно из самых перспективных на сегодня направлений, которыми должен заниматься «Росатом». Масштабы этого сектора в перспективе сопоставимы по объему с ядерной электроэнергетикой.

Как известно, атомная энергия не относится к категории возобновляемого ресурса. Но способность воспроизводить ядерное топливо из сырья, объемы которого во много раз превышают ресурс исходного топлива, переводит ее в разряд практически возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии. Это утверждение подкрепляется возможностью производства водорода из воды с помощью высокотемпературных ядерных реакторов, а водород — это энергетический ключ к промышленным технологиям, транспорту, коммунальному сектору. Использование атомной энергии и водорода совпадает по основным потребительским требованиям — неограниченность ресурсов и экологическая чистота.

— Водородная энергетика и раньше попадала в поле зрения атомщиков. В чем особенность нынешнего этапа и есть ли основания для водородного ренессанса?

— Новый всплеск интереса к масштабной атомно-водородной энергетике связан с развитием автомобилестроения на основе водородного топлива. Водород имеет много преимуществ в качестве топлива для транспортных средств. Развитие водородной энергетики и создание двигателей на водороде в мире идет уже давно. В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде запустили в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 1980-е годы Авиационный научно-технический комплекс им. Туполева создал летающую лабораторию на базе самолета ТУ‑154В, использующую в качестве топлива жидкий водород. Затем был создан первый в мире самолет на криогенном топливе — жидком водороде и сжиженном природном газе — ТУ‑155.

В свое время Курчатовский институт, ЛАЭС и канадские фирмы разрабатывали проект, на первом этапе которого предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, то есть с производительностью 14,5 т водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причем, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в Сосновом Бору. Рассматривали и другой вариант использования — поставку на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.

В начале текущего столетия многие ведущие страны мира образовали Международное партнерство по водородной экономике. Сейчас японские и корейские автомобильные гиганты создали ряд легковых автомобилей с двигателем на водороде и активно продвигают свою продукцию на рынке. Это обусловлено главным образом намерением снизить влияние на климат выбросов в атмосферу продуктов сгорания углеродного топлива. Премьер-министр Японии Синдзо Абэ призвал страну отказаться от нефти и газа. В частности, к 2020 году на дорогах Японии должно быть около 40 тыс. легковых автомобилей и автобусов на топливных батареях, использующих водород. Планируется создать разветвленную сеть водородных автозаправок. Для реализации необходимо обеспечить крупномасштабное производство водорода.

На примере только одной Японии становится понятно, что ренессанс водородных энерготехнологий очевиден. Но я могу сказать, что не только в Японии, но и в США, Германии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции.

Добавлю еще вот что. На сегодня потребление водорода в мире составляет около 75 млн т. Крупнейшие потребители, до 90 % общего объема, — химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. При масштабном освоении технологий производства, транспортировки и хранения водород может быть использован для решения проблем большой энергетики. Среди них следует выделить аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, особенно для АЭС, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение. Оценка масштаба мировой потребности в водороде в XXI веке: 2050 год — 370 млн т, 2100 год — 800 млн т.

— Какие основные достоинства и недостатки водородного направления вы можете отметить?

— Можно выделить несколько особенностей водорода, которые определяют интерес к нему потребителей. Во-первых, это один из самых экологически чистых энергоносителей, которые мы знаем. К тому же водород демонстрирует высокую эффективность преобразования в электричество в топливных элементах, до 90 %, возможность аккумулирования энергии, магистральной и локальной доставки потребителю. Именно водородно-кислородные ракетные двигатели обеспечивают наиболее высокие значения удельной тяги. Ну а при использовании в ядерных ракетных двигателях водород вдвое и более увеличит удельную тягу в сравнении с нынешними ЖРД. Это мы продемонстрировали еще в 70-е годы прошлого века.

Во-вторых, водород как химический реагент необходим для химической и пищевой промышленности, нефтепереработки, металлургии и других промышленных производств. В-третьих, можно с уверенностью говорить о неограниченных сырьевых ресурсах для производства водорода, я имею в виду углеводороды и воду.

Из недостатков — высокая взрывоопасность водорода. Но я вам приведу такой результат испытаний: если попадает в аварию автомобиль на бензиновом двигателе, то пламя охватывает всю машину и полыхает очень долго, а если происходит авария автомобиля с водородным двигателем, то летучий водород сгорает над автомобилем в виде факела. При соблюдении всех требований безопасности водород не более опасен, чем любой другой энергоноситель.

— Могут ли водородные топливные элементы стать серьезной альтернативой двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям? В чем их преимущество?

— Топливные элементы на основе водорода привлекают сегодня большое внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов. Что такое топливные элементы на основе водорода? Это электрохимические генераторы, то есть тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ десятилетиями. Топливные элементы для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств самого различного назначения, а также для автономных систем энергопитания, в том числе для быта. Твердополимерные топливные элементы, ТП ТЭ, по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость, порядка 104 долларов за киловатт, в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения ТП ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50–100 долларов за киловатт. Уверен, что в недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100–300 кВт с ТП ТЭ.

— Какой способ получения водорода, по-вашему, самый эффективный и почему?

— Водород — наиболее распространенный элемент во Вселенной, однако в природе он находится в связанном состоянии с другими элементами, например с кислородом в воде, углеродом в метане и других органических соединениях. Для получения водорода необходимо затратить энергию, разорвав химические связи в углеводородах или воде и выделив водород из реакционной смеси. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы. При нагревании свыше 2500 °C вода разлагается на водород и кислород — прямой термолиз. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода и выделить нужные нам компоненты.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана, ПКМ. Но для реализации эндотермического процесса паровой конверсии природного газа сжигается около половины исходного газа, выброс продуктов сгорания негативно сказывается на экологии.

Полученный таким путем водород используется как реагент для переработки нефти, производства аммиака, азотных удобрений, этилена, пропилена и продуктов на их основе, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температуре 750–850 °C требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и монооксид углерода. Вслед за этим на второй ступени «реакция сдвига» превращает монооксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температуре 200–250 °C.

С 1970-х годов в нашей стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты безопасных высокотемпературных гелиевых реакторов, ВТГР, атомных энерготехнологических станций для химической промышленности и черной металлургии.

При разработке проектов ВТГР был использован опыт разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели показали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем — это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых — способность вырабатывать тепло при температуре 1000 °C и высокий уровень безопасности — определяют широкие возможности использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности.

В России разработаны проекты ВТГР для производства электроэнергии, для энерготехнологического применения, для атомных станций средней и малой мощности. Создана экспериментальная база, разработаны и экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов. С участием «Росэнергоатома» разработаны проекты модульных реакторов, обладающих исключительными свойствами безопасности для энерготехнологического применения: МГР-Т для производства водорода и электричества (тепловая мощность блока — 600 МВт) и МГР-МВС для производства метано-водородной смеси (тепловая мощность блока — 250 МВт).

— Как, по-вашему, должна быть построена стратегия коммерциализации водородного направления в атомной отрасли?

— Я думаю, что водород должен стать новым ключевым продуктом «Росатома». Водород и его производные — востребованный товар для внутреннего и зарубежного рынка. Создание продуктовой линейки водорода должно базироваться на разработанных в России ядерных технологиях нового поколения, к примеру с использованием технологии ВТГР.

На основе накопленного в стране опыта надо разработать и построить атомный химико-технологический кластер, АХТК, по переработке природного газа в водород с использованием модульных высокотемпературных гелиевых реакторов. Реализация этого проекта откроет новую продуктовую линейку производства чистого водорода. На внешний рынок будет поступать высокотехнологичный продукт с высокой добавочной стоимостью. Такой проект крупномасштабного, экологически чистого производства водорода из природного газа представляет интерес для зарубежных партнеров и может разрабатываться с ними как совместный проект. Одним из наиболее заинтересованных партнеров может стать Япония, при условии размещения такого кластера на территории опережающего развития на дальневосточном побережье, или на Сахалине, или на Курильских островах. Природный газ будет подаваться по трубопроводам от месторождений, находящихся на материке или на Сахалине.

АХТК с модульными гелиевыми реакторами могут быть использованы для производства высокоэффективных водородосодержащих газообразных и жидких энергоносителей: чистого водорода, метано-водородной смеси, жидкого топлива, а также химических продуктов различного назначения — аммиака, этилена, пропилена и продуктов на их основе, включая удобрения для сельского хозяйства.

На Дальнем Востоке такой кластер создаст условия для развития энергоемкой промышленности, стимулирует приток высококвалифицированных специалистов, внешних и внутренних инвесторов, открыв новые возможности для зарубежного бизнеса. «Росатом» диверсифицирует бизнес с помощью водородного проекта.

— Может ли это направление претендовать на статус национального проекта, включающего не только отраслевые научные кооперации, но и объединение компетенций институтов РАН, Курчатовского института и атомных НИИ?

— Это очень правильный вопрос. Без масштабной кооперации ведущих отечественных научных институтов, исследовательских и производственных центров в этом проекте обойтись нельзя. Я считаю, что в национальную программу развития крупномасштабной ядерной энергетики необходимо включить атомно-водородную энергетику. Ее развитие обеспечит производство нового ключевого продукта — водорода, что решает задачу внедрения ядерной энергетики в технологические процессы металлургической, химической, нефтяной и других отраслей промышленности и обеспечит транспорт экологически чистым топливом. Создание продуктовой линейки водорода должно базироваться на разработанных в России ядерных технологиях нового поколения. Поэтому также необходимо открыть инвестиционный проект «Атомный химико-технологический кластер с модульными гелиевыми реакторами для производства водорода из природного газа». Этот проект должен быть основан на внедрении в ядерную энергетику ВТГР и технологий переработки углеводородов в водород и его производные без выбросов в атмосферу СО2. Водородная тематика необходима и выгодна «Росатому» по целому ряду параметров, о которых я говорил выше. И мы не должны упустить шанс возглавить мировой ренессанс атомно-водородной энергетики.