Направления исследований

Исследования процессов и разработка новых водородных технологий для энергетики

  • Термодинамические и технико-экономические исследования и разработки эффективных циклов и схем водородных энергоустановок.

В результате выполненного комплекса исследований определены наиболее  перспективные направления использования водородных технологий в энергетике и сформулированы задачи создания нового оборудования.

  1. 1. Создание систем водородного аккумулирования электроэнергии для большой энергетики на основе АЭС и угольных ТЭС. В этом случае водород и кислород производятся электролизом воды в часы провала графика нагрузки, поступают в хранилища и используются в водородо-кислородных парогенераторах для дополнительного получения и перегрева пара, поступающего в турбину ЭС, увеличивая её мощность на 10-15%, что допускается используемыми сегодня типами турбоагрегатов и турбогенераторов ЭС. Дополнительный перегрев пара осуществляется путем смешения продуктов сгорания водорода в кислороде при стехиометрическом составе с основным расходом пара из парогенератора АЭС или ТЭС, поступающим в турбину. При работе в году 300-500 ч для производства электроэнергии в пиковой и маневренной части графика нагрузки капиталовложения в создание таких систем составляют от 500 до 700 долл./кВт по оценкам различных авторов, что в 2,5-3 раза меньше, чем в создание систем аккумулирования электроэнергии на основе ГАЭС на равнинных территориях.
  2. Использование систем водородного аккумулирования электроэнергии на ЭС с ПГУ с целью их эффективного участия в нормированном первичном и общем регулировании частоты в сетях электроснабжения. Перспективы развития электроэнергетики в европейской части страны предполагают широкое внедрение энергоблоков на основе ПГУ, элементами которых являются ГТУ, котел-утилизатор (КУ) и ПТУ. Динамические характеристики этих устройств (скорость набора нагрузки) существенно различаются. Наиболее инерционный агрегат – котел-утилизатор (КУ). Маневренные характеристики КУ могут быть существенно улучшены при его дополнении водородо-кислородными парогенераторами перед турбиной, чем обеспечивается производство пиковых мощностей от паротурбинной части цикла по графику, согласованному с графиком ГТУ. В этом случае за счет повышения маневренности ПГУ на начальных стадиях переходных процессов обеспечивается их эффективное участие в общем первичном регулировании частоты(ОПРЧ) и нормированном первичном регулировании частоты(НПРЧ) как в пределах нормального, так и аварийного резерва. Планируется к 2012 г. ввод мощностей ПГУ около 20 ГВт. Этим определяется возможный рыночный потенциал технологии, обеспечивающей возрастание мощности ПГУ на 10% от номинальной за первые 10 сек. и выполнение стандарта НПРЧ. По оценкам увеличение капвложений в ПГУ при создании водородных систем обеспечения участия в ПГУ в ОПРЧ и НПРЧ составит не более 1-2%.
  3. Повышение энергоэффективности энергоустановок паротурбинного цикла, использующих насыщенный или слабоперегретый пар (энергоустановки с влажнопаровыми турбинами). Парогенераторы АЭС и ГеоТЭС производят насыщенный или слабоперегретый пар, используемый во влажнопаровых турбинах с относительно низким КПД – для АЭС КПД цикла составляет около 30%, для ГеоТЭС – от 12 до 18%. Применение Н22-парогенераторов для осуществления перегрева насыщенного пара путем смешения пара из основного парогенератора с продуктами сгорания водорода в кислороде при стехиометрическом составе позволяет заменить низкоэффективные влажнопаровые турбины не турбины на перегретом паре и тем самым повысить КПД паротурбинного цикла. Такая технология имеет смысл в том случае, если затраты электроэнергии на производство водорода и кислорода электролизом воды будут меньше, чем увеличение её производства за счёт повышения КПД электростанции при замене влажнопаровых турбин на турбины на перегретом паре. Это условие безусловно выполняется для ГеоТЭС, полный КПД которых может быть увеличен на 3-5%. Поскольку содержание продуктов сгорания водорода в кислороде в паре, поступающем в турбину, составляет всего от 1,5 до 3,5 % (об.) при перегреве насыщенного пара до 400-600ºС, производительность электролизеров и объемы систем топливообеспечения относительно невелики, капиталовложения в водородные системы перегрева пара на ГеоТЭС вполне приемлемы и использование таких систем на ГеоТЭС приводит к снижению стоимости электроэнергии на 5-7%. Для применения технологии водородного перегрева пара на АЭС с заменой влажнопаровых турбин на турбины на перегретом паре вопрос о целесообразности такой модернизации сложнее, чем для ГеоТЭС и требует системного анализа для каждого конкретного случая. По-видимому, в системах энергообеспечения на основе АЭС наиболее перспективно создание автономных систем водородного аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки в сетях энергоснабжения.
  4. Создание автономных водородных паротурбинных энергоустановок для энергообеспечения предприятий, имеющих водород в качестве побочного продукта. На многих предприятиях нефтехимической, коксохимической, хлорной и др. отраслей водород получается в качестве побочного продукта и в основном сжигается в факелах для обеспечения безопасности. Например, в 2010 г. только на хлорных предприятиях России произведено более 26 тыс. т чистого водорода, из которых на производство соляной кислоты использовано 2,8 тыс. т. Остальной водород сожжен в факелах, что соответствует потерям около 865 млн. кВт∙ч тепловой энергии. При преобразовании её в автономных паротурбинных и парогазовых энергоустановках может быть произведено более 300 млн. кВт∙ч электроэнергии. Характерные мощности автономных водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок составляют 2-5 МВт(э) при использовании побочного водорода на отдельных предприятиях. Использование побочного водорода в системах автономного энергообеспечения предприятий позволит повысить энергоэффективность ряда отраслей.
  5. Создание систем водородного аккумулирования энергии для возобновляемых энергоисточников. В соответствии с Энергетической стратегией РФ-2030 общая мощность ВИЭ к 2030 г. должна составить более 20 ГВТ, что потребует создания энергоэффективных систем аккумулирования электроэнергии, произведенной за счет ВИЭ в суточном и недельном графиках. При мегаваттном уровне мощностей энергоустановок на основе ВИЭ и их включении в региональные сети вполне приемлемыми являются системы водородного аккумулирования электроэнергии с использованием водородных паротурбинных установок. При этим коэффициент рекуперации электроэнергии может достигать 35-40%. Вместе с тем сегодня наибольшее число используемых энергоустановок автономного энергообеспечения составляют установки киловаттного уровня мощности на нефтяных топливах. Развитие систем автономного энергообеспечения киловаттного уровня мощности на основе ВИЭ потребует создания соответствующих систем аккумулирования энергии и увеличения КПД энергоустановок. Для таких систем термодинамически наиболее эффективными могут стать энергоустановки в составе: ВИЭ – электролизер – металлогидридный аккумулятор водорода – топливный элемент – преобразовательное устройство. Коэффициент рекуперации электроэнергии энергоустановок таких типов может достигать 30-35% и при утилизации тепловых потерь в системах теплообеспечения потребителей полный КПД может составлять до 50%.
  6. Создание эффективных аварийных и резервных турбоустановок, в том числе для систем пожаротушения и обеспечения пожаровзрывобезопасности на крупных предприятиях энергетики и промышленности. При работе автономной водородной паротурбинной установки (ВПТУ) для механического привода гидравлических агрегатов, например, турбонасоса, достигаются большие расходы и давления жидкости на выхлопе турбонасоса. Характерное время выхода на режим такой установки – менее 10 сек. Это позволяет их использовать в качестве аварийных и резервных, в частности в системах пожаротушения и обеспечения пожаробезопасности крупных предприятий, таких как АЭС. При наличии ресурсов воды вблизи объектов (например, пруды-охладители АЭС) система пожаротушения на основе ВПТУ мощностью до 5 МВт может обеспечить подачу 20 т воды в места загорания в течение 200-250 сек. после поступления сигнала, а в течение 30 мин. – более 150 т. Это значительно эффективнее, чем применение традиционных, в т.ч. авиационных, средств (для подачи 120 т воды требуется 10 рейсов самолета Бе-200ЧС). Необходимый для аварийных и резервных систем запас компонентов (водорода и кислорода) может быть создан за счет использования провальной электроэнергии путем электролиза воды, в том числе электролизерами, уже имеющимися на АЭС и крупных ТЭС.
  7. Создание интегрированных систем производства электроэнергии и водорода. Сегодня в мире производство и потребление водорода возрастает со средними темпами около 3,5% в год при общем объеме более 60 млн. т. Водород в основном используется в процессах глубокой переработки нефти, азотной промышленности, производстве метанола и других отраслях. Более быстрыми темпами возрастает производство особо чистого водорода (до 18% в год),  который производится в основном электролизом воды и сегодня используется в высокотехнологичных отраслях (электроника, оптоволокно, пищевая и фармацевтическая промышленность). Цена особо чистого водорода на рынке в 2-3 раза превышает таковую для технического водорода. Технико-экономические оценки возможности крупномасштабного производства электролизного водорода за счет «провальной» электроэнергии показывают, что производство и реализация водорода, в т.ч. жидкого, может оказаться полезным для повышения экономической эффективности ряда крупных электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС). При этом АЭС и угольные ТЭС могут работать в базисном режиме и максимальным КИУМ, а покрытие неравномерностей графика нагрузки осуществляется с использованием водородо-кислородных парогенераторов. Крупными потребителями водорода, производимого за счет «провальной» электроэнергии могут стать отечественные НПЗ при решении задач повышения глубины нефтепереработки, поставленных в Энергетической стратегии 2030. Для этой цели необходимо производство водорода на специальных установках до 4 млн. т в год.

Исследование физики тепловых процессов при фазовых превращениях в неоднородных и дисперсных системах в условиях интенсивных внешних воздействий и разработки новых методов интенсификации теплообмена.

  • Разработка термодинамической теории фазовых превращений в неоднородных системах жидкость-газ и жидкость-твердое тело при воздействии внешних полей