Потенциал метано-водородного топлива в условиях перехода к низкоуглеродной экономике

ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

ПОТЕНЦИАЛ МЕТАНО-ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К НИЗКОУГЛЕРОДНОЙ ЭКОНОМИКЕ

УДК 662.76

О.Е. Аксютин, ПАО «Газпром»

A.Г. Ишков, ПАО «Газпром» К.В. Романов, ПАО «Газпром»

Р.В. Тетеревлев, ПАО «Газпром», R.Teterevlev@adm.gazprom.ru

B.Г. Хлопцов, ООО «Газпром геотехнологии» (Москва, РФ) В.А. Казарян, ООО «Газпром геотехнологии»

А.Я. Столяревский, НИЦ «Курчатовский институт»

В статье рассмотрены технология производства и перспективы применения высокоэффективных водородсодержащих энергоносителей, производимых из природного газа. Сформулированы инновационные направления экономии природного газа и охраны окружающей среды, позволяющие на базе отработанных промышленных процессов и катализаторов создать эффективную технологию по производству метано-водородных смесей (МВС) с содержанием водорода до 40-48 %.

Уникальные свойства водорода обеспечивают возможность повышения КПД тепловых двигателей, причем реальный цикл двигателя при работе на водороде существенно ближе к теоретическому, чем на любом углеводородном топливе. Применение метано-водородного топлива способствует снижению токсичности выбросов, объема выбросов парниковых газов, эксплуатационного расхода топлива и повышению эксплуатационной экономичности промышленных процессов. Рассмотрены преимущества использования энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для получения водорода из природного газа и использования в дальнейшем МВС.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВОДОРОД, МЕТАНО-ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО, МЕТАНО-ВОДОРОДНАЯ СМЕСЬ, ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ, НИЗКОУГЛЕРОДНАЯ ЭКОНОМИКА, АДИАБАТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МЕТАНА, ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА, ТОКСИЧНЫЕ ВЫБРОСЫ.

Изменение климата - тема, в последние годы активно обсуждаемая в самых широких кругах, в том числе на политической арене. Для решения задач сохранения климата 13 ведущих энергетических, транспортных и промышленных компаний -ENGIE, Royal Dutch Shell, Total, Alstom, Linde Group, Toyota, BMW GROUP, Daimler, Honda, Hyundai Motor, Kawasaki, Air Liquide, Anglo American - объединили усилия для запуска новой энергетической модели на основе водорода. С этой целью 17 января 2017 г. в Давосе был учрежден Водородный совет (Hydrogen Council) [1]. Данная инициатива заключается в инвестировании дополнительных средств в ускоренное

развитие и коммерциализацию водородных технологий (рис. 1). В настоящее время ежегодные инвестиции перечисленных ком-

паний в водородные технологии составляют 1,4 млрд евро в год и будут значительно увеличены в ближайшее время.

1,9

1,4

1,1

BbrnY^ на рынок и ввод в эксплуатацию

2005-2014

I Члены Совета по водородным технологиям в течение ближайших 5 лет планируют инвестировать в эти технологии по меньшей мере 1,9 млрд евро/год

1 Капиталовложения в освоение рынка и вывод на рынок новой продукции постоянно растут, способствуя ускорению коммерциализации

В прошлом В настоящем В будущем

2016-2017 2018-2022

Рис. 1. Объемы планируемых капиталовложений участников Совета по водородным технологиям, млрд евро/год

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

Рис. 2. Технологическая схема адиабатической конверсии метана

Рис. 3. Общий вид установки производства МВС

Водород является надежным и универсальным источником чистой энергии, обладает большим потенциалом как инструмент реализации перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике.

На сегодняшний день в мире распространено несколько промышленных способов получения водорода, наиболее доступным и дешевым из которых считается паровая конверсия метана. Однако разработанная в России новая технология адиабатической конверсии метана существенно упрощает промышленный процесс получения МВС, поскольку не требует производства кислорода, энерго- и капиталозатратного электролиза воды, происходит при более низких температурах (до 680 °С) и построена на отработанных в крупнотоннажной химии технологических решениях, режимах и катализаторах.

Наиболее перспективным рынком использования МВС является топливно-энергетический комплекс. Стимулом для развития данного направления может стать применение МВС для внутренних нужд газовой промышленности в целях повышения эффективности как добычи, так и транспортировки природного газа.

В настоящее время применение технологий получения МВС на промыслах может рассматриваться прежде всего в целях нормализации газового сырья и повышения эффективности использования на месторождениях так называемых жирных газов (газа стабилизации, попутного газа с малодебитных, труднодоступных и низконапорных месторождений), транспортировка которых оказывается нерентабельной.

Применение технологии адиабатической конверсии метана для получения МВС на промыслах позволит не только обеспечить вовлечение водорода в традиционную энергетику, но и в значительной мере избавит от необходимости предварительного отбензинивания и фракцио-

нирования природного газа на сложных и капиталозатратных установках, создать малотоннажные производства метанола.

На рис. 2 представлена схема технологического процесса адиабатической конверсии метана. После смешения природного газа с водяным паром образовавшаяся парогазовая смесь (ПГС) поступает на нагрев в высокотемпературный технологический теплообменник (ВТТ), а затем с температурой 640-680 °С направляется в заполненный катализатором двухсекционный адиабатический реактор и далее, с водяными парами, - в котел утилизатора для удаления влаги.

На выходе из котла утилизатора получается очищенная МВС. В ряде технологических применений, например в описанной ниже схеме «Тандем», МВС с водяными парами без удаления влаги направляется в камеру сгорания газотурбинной установки [2].

В настоящее время в ПАО «Газпром» создана опытная установка по получению МВС производительностью 1000 нм3/ч (рис. 3). В этой установке температура нагрева ПГС не превышает 700 °С, что позволяет получать МВС с высоким содержанием водорода.

Сконструированный блок по производству МВС превосходит мировые аналоги подобных

ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

установок по всем основным показателям (производительность, содержание водорода в смеси, удельный расход энергоресурсов, количество вредных выбросов). Разработка позволяет повысить степень конверсии метана, уменьшить тепловые затраты, продлить срок использования катализатора адиабатического реактора.

Проведенные в 2016 г. исследования показали, что применение МВС, полученной на установке, позволит существенно улучшить эмиссионные показатели газотурбинных установок с выходом при высоких значениях коэффициента избытка воздуха на низкие значения токсичных выбросов NOx (11 мг/м3) с одновременным резким снижением СО (20 мг/м3). При этом выбросы основного парникового газа СО2 снижаются на 30 %1. Наличие водорода в основном контуре горелки существенно (приблизительно в 2 раза) расширяет диапазон устойчивой работы по скорости воздуха в горелке, а также по применению газа с относительно высоким содержанием водяного пара.

Для тиражирования указанной технологии планируется изготовить объединенный экспериментальный комплекс, состоящий из трехгорелочного отсека камеры сгорания газотурбинного двигателя, соединенного с блоком по производству метано-водородно-го топлива, в целях проведения цикла исследований всех эксплуатационных режимов камеры сгорания, приближенных к условиям перекачки природного газа по магистральным газопроводам.

Необходимо отметить, что при создании на компрессорных или электрических станциях блоков утилизации тепла к современным газотурбинным установкам, ра-

1 При использовании метана в качестве топливного газа ГПА (с нагнетателем НЦ16-76/1.44) объем выбросов СО2 составит 6,2 т на 1 млн м3 перекачиваемого газа, а при использовании МВС в качестве топливного газа ГПА (с нагнетателем НЦ16-76/1.44) - 4,4 т.

ботающим на основе адиабатической конверсии метана (технология «Тандем»), эффективность установок может быть повышена на 50 %, а при подключении тепловых отопительных нагрузок полезное использование газа может быть доведено до 60-62 % при резком снижении эмиссионных показателей ниже 10 ррт по 1\ЮХ.

Использование МВС в газохимии для получения различной продукции может оказаться перспективным в случае применения способа и установок адиабатической конверсии метана для производства синтез-газа как основы газохимических процессов. Особенно эффективен этот путь при создании централизованных сетей транспортировки МВС от источников с низкой себестоимостью получения энергии.

На транспорте опытная эксплуатация автомобилей на МВС показала перспективность перевода автомобилей на метано-водород-ное топливо с содержанием водорода 5-10 % по массе (20-40 % по объему). При этом токсичность выбросов снижается более чем в 2-4 раза по сравнению с природным газом, эксплуатационный расход топлива снижается на 35-40 %.

Учитывая современные тенденции развития ВИЭ, газовая отрасль уже взяла на себя роль по обеспечению устойчивости энергообеспечения, нивелируя

неравномерность работы ВИЭ. Но природный газ также имеет дополнительные перспективы по «аккумулированию» электроэнергии, произведенной ВИЭ. Так, в последнее время в европейских странах, в частности в Германии, появились пилотные проекты по производству водорода путем электролиза воды за счет энергии ВИЭ с последующим добавлением полученного водорода в газотранспортную сеть - Power-to-Gas. Разработаны нормативы безопасного использования водорода совместно с природным газом, что также создает базу для развития водородной энергетики. Однако технология Power-to-Gas остается дорогой и нерентабельной и может быть оптимизирована за счет использования энергии ВИЭ для получения водорода из природного газа. Данное решение позволит снизить энергоемкость процесса получения водорода в 5 раз и, следовательно, представляется как экономически, так и технически более эффективным, позволит получить значимый си-нергетический эффект в целях устойчивого развития энергетического сектора (рис. 4).

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать основную концепцию развития новой энергетической модели на основе водорода следующим образом:

• использование в качестве топлива не чистого водорода, а МВС (что дешевле на порядок), производимой из природного газа;

• применение для производства МВС процесса адиабатической конверсии метана;

• обеспечение внедрения данной технологии в качестве пилотного применения на объектах газовой отрасли;

• в целях повышения эффективности транспортировки газа создание при газотурбинном приводе установки компактно-блочного исполнения по производству

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

г

POWERTO-GAS

т т

11

*ляш

п.

ЭЛЕКТРОПЕРЕГРЕВ ПАРА

Н,ОФ

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ

»н,*

I

АДИАБАТИЧЕСКАЯ

КОНВЕРСИЯ МЕТАНА

-*

I

#сн,

Жо

5

кВтч

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ

для производства 1 м3 водорода

1

кБт-ч

БОЛЬШИЕ КАПИТАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ И СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

ВЫСОКИЕ МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ

ф ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПО ВОДОРОДУ В 4-5 РАЗ

• ГИБКОСТЬ ПОСТАВОК СЫРЬЯ

Рис. 4. Энергоемкость производства водорода при адиабатической конверсии метана в сравнении с электролизом

тройной смеси: «природный газ -водород - водяной пар»;

• использование энергии, производимой ВИЭ, для получения МВС/водорода из природного газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Частичное замещение потребляемых в различных сферах деятельности углеводородов МВС в настоящее время является важным шагом в стратегической политике на пути перехода к водородной энергетике и низкоуглеродной экономике. Использование МВС, в том числе на компрессорных станциях на промыслах газовых месторождений, в газохимии, а также в качестве высокотехнологического энергоносителя для экспорта является перспективным направлением диверсификации и повышения эффективности использования природного газа.

В России разработана технология адиабатической конверсии метана, производящая метано-во-дородное топливо с содержанием водорода до 48 %. Данная технология существенно упрощает промышленный процесс получения водорода, поскольку не требует производства кислорода и происходит при более низких температурах (до 680 °С).

Интеграция технологий утилизации теплоты уходящих газов и низкотемпературной адиабатической конверсии метана позволит создать газотурбинную установку нового типа с высокими энергетическими и экологическими показателями (технология «Тандем»). В этом случае увеличение мощности газотурбинной установки(по сравнению с традиционным образцом) может достигать 70-80 %, снижение расхода топлива составит 35-40 % при одновременном резком снижении эмиссии NOx

(в 4-8 раз) и выбросов СО (до 10 раз), а объем выбросов СО2 снизится на 30 %.

Использование энергии, производимой ВИЭ, для получения водорода из природного газа позволит уменьшить энергоемкость процесса получения водорода в 5 раз по сравнению с энерго- и капиталозатратным процессом электролиза воды.

Технология адиабатической конверсии метана является наиболее экономичным способом получения водорода и в будущем может стать базовой для новой энергетической модели на основе водорода. Кроме того, учитывая актуальность климатической тематики в актуальной политической повестке дня, метан может служить основой для перехода к низкоуглеродной экономике, т. е. с минимальным количеством выбросов парниковых газов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доклад Водородного совета (Hydrogen Council) «Роль водорода в переходе к новой энергетической модели», 2017 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://hydrogeneurope.eu/wp-content/uploads/2017/01/20170109-HYDROGEN-COUNaL-Vision-document-FINAL-HR.pdf

(дата обращения: 17.05.2017).

2. 2. Aksyutin O., Ishkov A., Romanov K., at al. New Methane-Hydrogen Fuel Technology and its Potential Application in the Gas Industry. Development and Innovation in Focus All Eyes Turn to Perth for LNG 18. Report of the International Gas Union, April-September 2016, P. 74-76 [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.igu.org/sites/default/files/igu_apr2016_layout_lo-res%20%281%29.pdf