Цивилизация Н
Обострение экологических и энергетических проблем заставляет передовые страны задуматься о декарбонизации энергетики и промышленности. Считается, именно водород позволит человечеству совершить «энергетический переход». Но это будет уже не только водородная энергетика, но и водородная экономика, а в перспективе — водородная цивилизация. Поговорим о развитии этой отрасли, о том, какую роль в ней играют АЭС и как участвует в этом деле ОКБМ им. И. И. Африкантова
Сегодня водородные стратегии имеют все развитые страны. Япония, например, планирует не только перевести весь транспорт на водородное топливо, но и снабдить им всю производственно-хозяйственную цепочку. В ЕС на реализацию «Водородной стратегии для климатически нейтральной Европы» до 2030 года планируется вложить 145 млрд евро.
В последнее время и в России началась активная работа по развитию водородных технологий. К 2024 году должен появиться опытный образец железнодорожного транспорта на водороде, разрабатывается пилотный проект производства водорода с использованием российских атомных станций.
О роли Росатома
Росатом планирует создать атомную энерготехнологическую станцию с высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (ВТГР) и химико-технологической станцией для производства водорода. К 2024 году необходимо разработать проектную документацию и пройти Главгосэкспертизу, а к 2030‑му — построить первый опытно-промышленный блок станции для производства водорода.
ОКБМ — главный конструктор реакторной установки с ВТГР. Наше предприятие отвечает за проект станции и химико-технологическую часть. По основным направлениям работ (топливо, графит, материалы, безопасность, химико-технологическая часть, системы и компоненты) формируется обширная кооперация предприятий Росатома, институтов РАН и вузов, среди которых ВНИИТФ, НПО «Луч», ВНИИНМ, СНПО «Элерон», НИИ «Графит», НИИАР, НИЦ «Курчатовский институт», НГТУ им. Р. Е. Алексеева и другие. В работы по обоснованию проекта вовлекаются экспериментальные реакторы в НИИАР, где мы будем проводить различные эксперименты по испытаниям графита, топлива, материалов. В научно-исследовательском институте НПО «Луч» будем проводить отработку технологии изготовления топлива и эксперименты по обращению с отработанным ядерным топливом.
Почему без атомных станций не обойтись?
Технологии получения водорода известны. Во-первых, это паровая конверсия метана, когда смесь метана и пара нагревается до 800 ˚С и выше, в результате химических реакций выделяется водород и СО2. Во-вторых, это метод электролиза водяного пара при высоких температурах. Водород, произведенный вторым методом, получается в три-пять раз дороже, но при электролизе нет выброса парниковых газов, в то время как при паровой конверсии до 40% метана приходится сжигать. В мире взят курс на сокращение углеродного следа, и, несмотря на более высокую стоимость, развитые страны предпочитают электролиз.
Нам известна эта технология: на АЭС давно производится водород электролизом в небольших количествах для охлаждения турбин.
Но есть и более перспективные технологии. Например, водород можно получить термохимическим разложением воды. Если воду нагреть до 2000 ˚С, она разлагается на водород и кислород. Однако сейчас это можно сделать лишь в лабораторных условиях: материалов, способных выдержать такие температуры, не существует. Но когда технологии получения высокотемпературных композитных материалов будут доведены до промышленных масштабов, мы будем получать водород именно таким способом. Сейчас на реакторах можно достичь только 1000 ˚С.
Атомные станции — один из наиболее доступных источников энергии и высокопотенциального тепла, необходимых для получения водорода. Именно атомно-водородная энергетика на основе ВТГР позволит получить обществу необходимую энергию с наименьшими затратами.
Эволюция vs революция
В атомной энергетике неприемлемы революционные прыжки, надо идти эволюционным путем, продвигаясь шаг за шагом.
Как мы создавали реакторы на быстрых нейтронах? В Обнинске в конце 1950-х был создан БР-5, ставший первым в Европе быстрым реактором с натриевым теплоносителем. В начале 1970-х он был реконструирован, получил название БР-10 и за 40 лет эксплуатации позволил наработать огромный научно-технический опыт. В 1964-м началось строительство первой в мире установки с энергетическим реактором на быстрых нейтронах БН-350. Затем появился БН-600. В конце 2015 года был подключен к энергосистеме БН-800, а сейчас мы делаем БН-1200.
Таким образом, наращивая мощность реакторов постепенно, мы обеспечиваем преемственность и надежность. Аналогичным образом нужно развивать и водородную энергетику. Программа развития водородной энергетики в России до 2024 года как раз и предполагает такой комплексный подход.
Мало произвести водород, его надо еще хранить и доставлять потребителю, а это самые дорогостоящие составляющие. Технологии хранения известны, но не доведены до конца. К примеру, можно подмешивать водород в метан, идущий по трубопроводам. Но водород воздействует на металл, вызывая так называемый эффект охрупчивания, что приводит к сокращению ресурса работы трубопровода. Эту технологию предстоит отработать.
Не оставляя следов
Весь мир идет по пути декарбонизации, то есть построения экономики с нулевыми выбросами углекислого газа — именно такой видится водородная экономика. Известно, что, если в метан добавить только 10% водорода, выбросы СО2 можно сократить на порядок. А КПД водородных топливных элементов в разы выше, чем у лучших современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому в мире и говорят о будущем именно как о водородной энергетике, экономике, цивилизации.
Уже в июле 2021 года в Евросоюзе будет принят новый климатический закон, который в долгосрочной перспективе серьезно повлияет на международное энергетическое сотрудничество. Так что водородная энергетика — это веление времени. Если мы не пойдем по этому пути, то просто станем неконкурентоспособны.