Состояние и перспективы развития водородной энергетики

Скляров Н.Е., Назиров Р.Р. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Перспективы производства энергии с помощью ТЭС в XXI веке вызывают большие опасения по следующим причинам. Во-первых, в ближайшие 50 -7 0 лет два вида органического топлива - нефть и газ должны будут иссякнуть. Во-вторых. ТЭС являются главным источником выброса в атмосферу углекислого газа и создания парникового эффекта. В-третьих, сейчас в год добывается около 14 млрд. тонн топлива. В XX веке из недр планеты изъято порядка 500 млрд. тонн топлива, что составляет 103 массы Земли. Это может привести в будущем, наряду с парниковым эффектом, к непредсказуемым последствиям. Энергопотребление не обнаруживает тенденции к уменьшению - напротив, скорость его увеличения постоянно растет.

В настоящее время набирает силу новая отрасль промышленности -водородная энергетика и технология. Потребность экономики в кислороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись: в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с

его помощью восстанавливается железо из руд. Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.

Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность - 120 МДж/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1.5 м с ним передается 20 тыс. МВт мощности. Перекачка легчайшего газа на состояние в 500 км почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи.

Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных цементах для непосредственного получения электроэнергии при единении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта. Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 4 0 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода природный газ - на более дешевое и доступное сырье, т.е. на воду. Здесь возможны два пути. Первый путь традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500 °С, то водные молекулы развалятся сами собой.

Водородная энергетика бурно развивается, но требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем "ядерный реактор - водородный генератор" - претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века. Однако существенной проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства.

Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др.,

но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получений водорода используется высокопотенциальная энергия, на получения которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топлива (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.

Вместе с тем наша планета в буквальном смысле слова купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Вся проблема сводится лишь к тому как "вписать" этот неиссякаемый источник, низкопотенциального тепла в промышленную технологию получения водорода из воды.

Традиционно он решается применением оптических концентраторов инфракрасного излучения Солнца (собирающие линзы, зеркала и т.п.) использованием тепловых насосов, обычно, когда термический потенциал весьма незначителен, например, в случае отбора тепла из окружающей воздушной или водной среды. Первое из названных технических решений очень сильно зависит от климатических и масштабных факторов, нестабильно во времени, а поэтому не нашло высокого применения. Второе решение в меньшей степени подвержено влиянию этих факторов, но не обеспечивает достаточно степени концентрации (обычно не более 7-10 раз), что на практике не позволяет сконцентрированное таким способом рассеянное тепло непосредственно с успехом использовать в процессе разложения воды.

Используя некий источник энергии (например, Солнце), можно получить вещество, аккумулировавшее эту энергию (с потерями, конечно!) и способное её отдать в ходе химической реакции. Назовём это вещество энергоаккумулирующим (ЭАВ). Нефть можно рассмотреть как одно из ЭАВ: именно применение её в этом качестве сделало её «кровью экономики».

Главный недостаток газа и нефти как ЭАВ: невосполнимость (в тени этого недостатка остаётся опасность газа, нефти, нефтепродуктов и их сжигания для экологии планеты). И рано или поздно (скорей рано) с этим придётся столкнуться. И если не быть готовым к этому, человечество может пережить жесточайшую рецессию за всю свою историю.

Итак, цикл использования ЭАВ состоит из трёх стадий:

Восстановление ЭАВ из окисла, используя некоторый источник энергии.

Получение с помощью ЭАВ водорода.

Использование водорода как топлива.

Природный газ добывается из невозобновляемых источников, запасы его конечные, из чего следует необходимость его эффективного использования как наиболее ценного и экологически чистого вида топлива. В ближайшие три года дефицит ресурсов природного газа в России, даже при закупке его в среднеазиатских государствах, составит: в 2006 г. - 36,6 млрд. нм3 и в 2007 г. - 67 млрд. нм3 .

Одним из направлений эффективного использования топлива должны стать малые ТЭЦ, среди которых можно выделить следующие виды: газотурбинные и парогазовые ТЭЦ (ГТУ и ПГУ ТЭЦ) на базе промышленных котельных. Эффективный коэффициент использования топлива таких систем достигает 90 % и не имеет себе равных среди других технологий.

Относительная выработка на тепловом потреблении на них в 2,5 раза больше, а удельный расход условного топлива на отпущенную электроэнергию в 1,3 раза меньше по сравнению с паротурбинной ТЭЦ. Срок окупаемости таких установок 3-4 года, а стоимость в 1,4 раза дешевле традиционных ТЭЦ.

Реконструкция муниципальных и промышленных котельных в ГТУ-ТЭЦ решает 4 основные задачи энергосбережения:

котельные, дающие населению до 62 % тепловой энергии, превращаются из потребителей электроэнергии в поставщиков дешевой электроэнергии как в пиковом, так и в базовом режимах;

существенно снижаются удельные расходы топлива как на производство электроэнергии, так и на производство тепла;

снижается себестоимость тепловой энергии, что очень важно, т. к. дотации можно превратить в инвестиции;

уменьшаются потери в сетях, т. к. в многотысячных отдаленных микрорайонах РФ появляются местные источники электроэнергии.

Газотурбинные электростанции небольшой мощности представляют собой стационарные установки блочно-контейнерного типа. При необходимости они могут дополняться дожимающим компрессором, утилизационным теплообменником, установкой подготовки топливного газа. При отсутствии внешнего источника для запуска турбинная электростанция может дополняться дизельным двигателем.

Основным блоком ГТЭС является энергоблок, в который входят турбинная установка (при необходимости с редуктором) и синхронный генератор с системой возбуждения. На двигателе предусмотрены системы запуска, защиты и сигнализации, противообледенения. В комплект входят также система всасывания и очистки воздуха, блок маслоснабжения, блок автоматики, пожаротушения и вентиляции, укрытия двигателя. Атмосферный воздух через входное воздухоочистительное устройство и камеру всасывания поступает в двигатель. Воздухоочистительное устройство предназначено для очистки циклового воздуха газотурбинной установки от капельной влаги, снега и пыли, вызывающих эрозийный нос лопаточного аппарата компрессора газотурбинной установки, компрессоре двигателя воздух сжимается и поступает в камеру сгорания, где в потоке воздуха сжигается топливо, поступающее через форсунки. Далее горячие газы поступают на лопатки турбины, где тепловая энергия потока превращается в механическую энергию вращения роторов турбин. Мощность, полученная на валу свободной турбины, расходуется на привод турбогенератора, который вырабатывает электроэнергию. Крутящий момент от двигателя передается на ротор генератора. При вращении ротора возникает магнитный момент, создающий в обмотках статора электрический ток. С помощью системы возбуждения генератора поддерживается постоянство напряжения на всех режимах работы генератора.

Отработанные в двигателе газы через выхлопное устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Если предусмотрена утилизация тепла выхлопных газов, то после выхлопного устройств отработанные газы поступают в утилизационный теплообменник. Вместо него в цепочке может находиться котел-утилизатор.

Система автоматического управления ГТЭС обеспечивает полную автоматизацию пуска станции, синхронизацию электрогенератора, а также контроль необходимого при эксплуатации числа параметров. Система подготовки топливного газа включает в себя блоки очистки газа от механических примесей, капельной жидкости и сероводорода.

Выполненные в виде отдельных модулей высокой заводской готовности, ГТЭС позволяют производить монтаж на ограниченной площади в непосредственной близости от потребителя или источника газа.

При этом газотурбинные электростанции обладают следующими несомненными преимуществами:

высокая надежность, показатель наработки до капитального ремонта составляет 25-35 тыс. часов, ресурс основных узлов - до 10 0 тыс. часов;

КПД до_88% достигается не только за счет высокого КПД установки (до 36,4%), но и за счет утилизации тепла уходящих газов;

экономичность установок, короткий срок окупаемости (1-3,5 года) при небольшом сроке строительства;

коэффициент технической готовности достигает 0,99;

автоматическая система управления и широкая диагностика технического состояния, простота в управлении, минимальная численность обслуживающего персонала;

высокие экологические показатели: удельные выбросы ЫОх в пределах 50-150 мг/нм3, СО не более 300 мг/нм3 и уровень шума не более 80 децибел.

Развитие мировой энергетики в последние десять лет уже немыслимо без газотурбинных технологий.

Только газотурбинных электростанций ежегодно продается в мире около 800 штук. В России за это время было установлено около 200 таких электростанций.

Применение ЭАВ в газотурбинных двигателях связано с рядом особенностей, требующих термодинамического анализа и разработки новых схем с целью наиболее рационального использования тепла и конструктивного осуществления цикла.

Первой отличительной особенностью схем, работающих на ЭАВ, является разный весовой расход рабочего тепла элементах установки. В камеру подается пароводород. На величину расхода пароводорода уменьшается расход воздуха в компрессоре и соответственно затрачиваемая на его привод мощность.

Исследования показали, что пароводород по весу составляет примерно одну пятую часть расхода рабочего тела через турбину. На выходе из турбины состав отработавшего газа представляет собой водяной пар, азот и кислород. Расход воды в цикле значителен, поэтому ее следуй сконденсировать после расширения в турбине и вернуть в реактор. Это вторая особенность ГТУ, являющаяся недостатком по сравнению с обычными, если учесть, что тепло от конденсатора, в конечном итоге можно отвести только воздухом (для транспортных ГТУ), для чего через конденсатор следует пропустить большие его объемы. Конденсация должна идти при давлении, близком к атмосферному, поскольку при этом следует отработавший воздух выпустить наружу. Парциальное давление паров воды при конденсации будет ниже атмосферного и отработавший воздух будет выходить влажным. Это составляет неизбежную потерю воды из цик-

ла, требующую ее пополнения. Температура конденсации зависит от парциального давления, а следовательно, и от процентного состава отработавших газов. С уменьшением температуры конденсации уменьшается расход вводимой в цикл воды, но также уменьшается возможный температурный перепад охлаждающего воздуха — растет и без того большой его расход через конденсатор.

Третьей особенностью является возможность вернуть гении выхлопных газов в цикл в большем количестве, чем в обычных газотурбинных установках с регенератором, причем более удобным газо-водяным теплообменником. В обычном цикле ГТУ с регенерацией тепло выхлопных газов передается воздуху за компрессором. Максимальное тепло, которое можно передать, ограничивается температурой конца сжатия. Поэтому цикл с регенерацией значительно увеличивает КПД по сравнению с циклом без регенерации на малых степенях сжатия и не приносит никакой выгоды на больших, где теплоиспользование само по себе выгоднее.

В цикле с ЭАВ тепло выхлопных газов можно передать для нагрев и испарения воды, подаваемой в реактор. В этом случае тепло, которое можно передать, ограничивается температурой конденсации или температурой питательной воды, а также расходом этой воды, циркулирующей в цикле. Температура конденсации значительно ниже температуры конца сжатия, а следовательно, тепла при одной и той же пени регенерации можно передать больше. Кроме того, что весьма существенно, тепло, которое можно передать, не зависит от степени сжатия.

Общепринятое определение степени регенерации формулируется, как отношение тепла, переданного в цикл, к теплу, которое можно передать. В газотурбинных установках, работающих на ЭАВ, с промежуточной реакцией окисления водой, последняя после конденсатора сжимается в насосе до давления в реакторе. Эта вода имеет температуру конденсации. Разница температур определяет тепло выхлопных газов, которое можем передать в цикл. Как видим, выделение тепла, которое можно передать, сделано по отношению к

дающему рабочему телу, а не получающему, как это принято, делано это потому, что в нашем случае тепло физически передается воде, которая нагревается до температуры парообразования, испаряется и пар перегревается. В ходе анализа циклов нельзя сказать, какие из указанных нужд и в каком количестве достаточно располагаемого в выхлопных газах тепла. Определение тепла, которое можно передать, отнесенное к выхлопным газам, налагает дополнительное ограничивающее условие. Дело в том, что все располагаемое тепло выхлопных газов можно передать только при достаточном расходе воды в цикле, т. е. когда перегретый пар примет температуру. Если воды в цикле меньше, то при любой поверхности генератора, в том числе и бесконечно большой, все тепло передать невозможно. Как правило, расход воды в цикле больше, чем минимально необходимый для передачи тепла.

Для выполнения анализа схем ГТУ, работающих на ЭАВ, необходимо знать содержание пароводорода, выходящего из реактора. Температура в реакторе определяется избытком расхода воды. Отношение весового расхода водорода к весовому расходу воды мы будем называть водородным коэффициентом. Это отношение зависит не только от требуемой температуры в реакторе, но и от начальных температур генерирующих веществ — воды и ЭАВ и определяет весовой расход газа при заданной температуре второй реакции. Отношение водород — вода при заданных температурах можно определить из уравнений полных теплосодержаний. Предлагаем другой способ определения состава пароводорода основанный на расчете по средним значениям теплоемкостей в заданном интервале температур. Этот способ менее точен, но выходит за пределы допущений, применяемых при анализе циклов ( не искажает принципиальной картины протекания процессов. Кроме того, для определения состава пароводорода необходимо знать, с какой температурой подается в реактор вода (или пар), которая, в свою очередь, зависит от отношения Gг/Gв — полного расхода к расходу воды в цикле. Поскольку в регенераторе вода может доводиться до разного агрегатного состояния в зависимости от выбранных параметров цикла, то весьма затруднительно решить задачу в общем виде Поэтому считаем, что все переданное в регенераторе тепла сообщается не воде (как это имеет место на самом деле) , а энергоаккумулирующему веществу, поступающему в реактор, в то время как вода всегда поступает с температурой конденсация. Следовательно, все тепло реакции плюс тепло, переданное к регенератор, пойдет на нагрев продуктов реакции от начальник температуры до конечной и на испарение воды.

Проведенный термодинамический анализ показал, что можно создать эффективные схемы ГТУ с применением энергоаккумулирующих веществ. В схемах разомкнутого цикла следует ожидать повышения КПД на 7—10% по сравнению со схемами, работающими на углеводородном топливе. Замкнутые циклы с использованием ЭАВ имеет еще одну особенность, не отмеченную ранее. Глядя на схему такой установки, цикл ее не назовешь разомкнутым, хотя в реактор вводится ЭАВ, а из реактора выводится его окисел. Но главная отличительная черта замкнутого цикла — циркуляция одного и того же рабочего тела — имеется налицо. Однако в обычных установках замкнутого типа подвод и отвод тепла внешний — они являются двигателями внешнего сгорания. В нашем случае при использовании ЭАВ в установках отвод тепла внешний, а подвод — внутренний, что их можно назвать установками внутреннего его работающими по замкнутому циклу.

Для установок замкнутого цикла проведенное исследование позволяет определить оригинальную схему большой эффективности с пользованием минимального количества воды, требующей компенсации, допускающую перераспределение тепла между реакциями. Модернизация этой схемы даст возможность полностью исключить конденсацию. Эта схема заслуживает более тщательного анализа с целью выявления ее количественных характеристик и условий практического осуществления.

Водород имеет и отрицательные качества, связанные с низкими значениями плотности и объемной теплотворной способности, а также нее широкими пределами воспламенения и детонации по сравнению с углеводородными топливами. Основная его проблема это хранение. Наиболее перспективным способом является хранение в химических соединениях, где содержится водород в связанном виде, и которые при определенных условиях могут его выделять. Примерами таких систем хранения могут быть: соединения СТ4, С2Н6, С3Н8, С4Н10 B вода+ЭАВ из окислов, в которых содержание водорода может составить 10 % от веса и более.

Применение концепции ЭАВ в водородной энергетике позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами. При применении ЭАВ можно использовать потенциал неравномерности энергопотребления. Схема процесса состоит из трех этапов:

Получение ЭАВ, используя первичный источник энергии.

Получение с помощью ЭАВ водорода.

Использование водорода как топлива.

Известен перспективный способ, предложенный проф. И. В. Варшавским для получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Красного и Черного морей. Высокая энергетическая эффективность предложенного способа определятся тем, что сероводород (НзS) является, по сути, ископаемым «самородным» водородом в очень плотной упаковке: энергия образования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем

энергия образования воды. Это означает, что, затратив один кВт-ч энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившем»» водорода 14 кВт-ч энергии. Образовавшаяся при разложении H2S сера, является одним из основных исходных материалов химической промышленности, а отбор сероводорода из глубинных слоев Черного моря увеличит глубину верхней границы зараженной им воды. В результате улучшается экологическая картина в водоеме, предотвращается выход сероводорода на поверхность и в атмосферу, несущий опасность воспламенения над поверхностью с последующим кислотными дождями.

Уравнения химических реакций, на которых базируется описания схема, выглядят следующим образом:

Н2S+Q ^ Н2Т + S

2Н2 + О2 ^ 2Н2О+ 14Q

Сероводород ожижается при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) и нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода вести процесс разложения Н2S в электролизерах.

Предполагаемая концепция водородной энергетики, представленная на рис. 4, заключается в поэтапном переводе ТЭС на водород. Она отличается от известной концепции тем, что из цепочки производство - хранение - потребление водорода исключается этап хранения. Предполагается, что на АЭС располагается предприятие по производству и переработки ЭАВ - металлургический завод.

От АЭС до ТЭС транспортировка ЭАВ осуществляется железнодорожным транспортом с обычными средствами безопасности. На ТЭС устанавливается реактор, куда совместно с ЭАВ подастся вода, в котором осуществляется производство водорода. Вода непосредственно используется на ТЭС, обеспечивая безопасность применения. Доля водорода в топливном балансе ТЭС будет составлять менее 10%. Основная задача на этом этапе повысить КП выделения тепловой энергии при сжигании углеводородного топлива и уменьшить выбросы монооксида углерода и диоксида азота. Этот этап связан с уменьшением потребления углеводородного топлива и со снижением экологического воздействия на окружающую среду. На втором этапе

предполагается в системе вывода отработавших к ТЭС установка мембранных разделителей для выделения диоксида углерода и подачи его в реактор, где при соединении с водородом будет вырабатываться синтетическое жидкое топливо - метанол. Синтез метанола с использованием водорода, полученного из воды требует в качестве сырья кроме водорода еще и углерода или диоксида углерода.

На 1 т метанола требуется по различным данным от 0,0 65 до 0,0 9 т водорода. Рост стоимости природного газа более 120 долл. за тонну в пересчете на условное топливо экономически оправдывает использование электролитического водорода (производимого но перспективной технологии) для производства СН3ОН при наличии больших резервов СО2 как побочного продукта. Такая стоимость природного газа уже приближается к величине замыкающих затрат на природный газ в европейской части России.

Доля потребления водорода на ТЭС увеличится. Реализация второго этапа позволит полностью сократить выбросы диоксида углерода в атмосферу и создать экологически чистое производство энергии. При этом ТЭС будет производить не только электрическую и тепловую энергию, но и моторное топливо для транспорта.

Одним их перспективных направлений переработки угля является его газификация с последующим каталитическим синтезом метанола. Это связано с высокой производительностью каталитических реакторов синтеза метанола, значительной селективностью процесса, обработанностью технологии, ценностью метанола как экологически чистого топлива и исходного сырья для многих химических производств.

Традиционная технология производства метанола из органического топлива включает две основные стадии - получение синтез-газа и синтез метанола из этого газа. На обеих стадиях выделяется большое количество тепла, которое, как правило, используется для получения пара среднего давления, направляемого на турбины, приводящие в »действие компрессоры установки, и на нужды других производств. Более рациональным способом утилизации тепла является комбинация двух технологий производства метанола и производства электроэнергии в одной установке. При этом снижаются энергетические потери (растет энергетическая эффективность), уменьшаются капиталовложения за счет совмещения функций части оборудования, появляется возможность упростить технологическую схему, отказавшись от рециркуляции синтез-газа.

На третьем этапе - в местах добычи твердого топлива - угля, запасы которого значительны, устанавливается реактор, где уголь при соединении с водородом превращается в энергетический газ -метан. Условно такую установку можно представить состоящей из трех блоков: газификации угля,

синтеза метилового спирта и энергетического блока. В блоке газификации осуществляются процессы газификации угля в газогенераторах с кипящим слоем, охлаждения и очистки продуктов газификации. Здесь генерируется острый пар и пар низкого давления, которые идут в энергоблок на выработку электроэнергии. В блоке синтеза метилового спирта осуществляются процесс каталитического синтеза метанола, а также генерация пара низкого давления, поступающего в энергоблок. Блок имеет три последовательные ступени синтеза с различным числом параллельно работающих реакторов в каждой ступени. В энергетическом блоке происходит сжигание продувочного газа поступающего из блока синтеза, охлаждение продуктов сгорания и выработка электроэнергии в газовых и паровой турбинах. Шахты превращаются в предприятия не только по производству энергии, но и по производству строительных материалов из твердых отходов. Рентабельность их производства возрастет в несколько раз и сравнивается с добычей газа. Упрощается система транспортировки первичного энергоресурса - передача его осуществляется по трубопроводу. Добыча нефти и природного газа может быть значительна сокращена ТЭС переводятся на энергетический газ. Этот период характеризуется большей ролью ядерной энергетики в аккумулировании энергии посредством ЭАВ.

Деградация промышленности делает Россию уникальнейшим полигоном для разработки стратегии внедрения альтернативной энергетики и в первую очередь водородной. В результате будет получен бесценный практический опыт внедрения водородной энергетики и страна получит уникальный исторический шанс возродить индустрию и вновь стать великой экономической державой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Азатян В.В., Н.В. Андреева, А.И. Эльнатанов. Концентрационные пределы распространения пламени и химия горения смесей оксид углерода-кислород-азот. Химическая физика, 7, №6. 821 (1988).

2. Денисов В. Е. Технический прогресс в энергетике: взгляд в XXI век. - "Энергетик", 1998, № 5, с. 8.

3. Козляков В.В., Козлякова О.В. Технологическая концепция экологически чистой энергетики на основе применения газовых турбин и использования энергоаккумулирующих веществ.