Водородные технологии для энергетики

Водородная энергетика – совокупность технологий производства, транспортировки, аккумулирования и использования универсального вторичного энергоносителя – водорода. Водород позволяет расширить сферы применения первичных источников энергии

Концепция Hydrogen-to-X (по материалам IEA Task 38. Power- to Hydrogen and Hydrogen-to-X)

Интерес к водороду связан с трансформацией мировой энергетики и ростом доли возобновляемых энергоресурсов в энергетическом балансе и общим курсом на декарбонизацию. Углерод ископаемых топлив добывается из земной коры, где он накапливался миллионы лет, и поступает в углеродный цикл Земли, нарушая тем самым сложившийся баланс. За последнее десятилетие содержание углерода в атмосфере ежегодно увеличивалось примерно на 5.1 млрд. т. Деятельность человечества привела резкому к росту концентрации углекислого газа в атмосфере с 340 ppm в 1960 г. до 416 ppm в начале 2021 г.

Накопление углерода в атмосфере, океанах и в поверхностном слое Земли (по данным Global Carbon Project. (2020). Supplemental data of Global Carbon Budget 2020 (Version 1.0) [Data set]. Global Carbon Project. https://doi.org/10.18160/gcp-2020)

Поскольку изменение углеродного баланса Земли вызвано в первую очередь использованием ископаемых источников энергии, правительства стран мира и международные организации стремятся найти альтернативу современной энергетике и поддержать устойчивое развитие экономики планеты. Одним из таких усилий является Парижское соглашение от 12 декабря 2015 г., созданное по итогам 21-й конференции Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Оно подписано Россией 22 апреля 2016 г. и принято постановлением Правительства Российской Федерации от 21 сентября 2019 г. № 1228. Соглашение призвано регулировать меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 года и сдерживанию прироста средней мировой температуры ниже, чем на 1.5 градуса в 2100 году по сравнению с 1900 годом.

Чтобы соответствовать новым вызовам, энергетика должна быть трансформирована с использованием новых технологий. Не смотря на все усилия, доля ископаемых в первичном производстве энергии по прежнему составляет более 80%. И все же использование ВИЭ резко возросло в последние годы.

Трансформация электроэнергетики (по данным IEA (2020), World Energy Balances: Overview, IEA, Paris)

Однако, мировая энергетика по-прежнему зависит от ископаемых топлив, особенно это касается транспортного сектора и теплоснабжения.

Доли различных секторов полном потреблении энергии в 2019 (по данным REN21. Renewables 2020 Global Status Report — Paris: REN21 Secretariat, 2020)

Использование переменных ВИЭ (солнце, ветер) снижает устойчивость энергосистем из-за их непостоянной природы. Из-за малого коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) солнечных и ветровых станций возобновляемая генерация разбалансирует систему, и при недостатке мощности ВИЭ нужен импорт электроэнергии или использование резервных тепловых мощностей, а избыточная ВИЭ генерация ограничивается системным оператором.

Пример: работа солнечных электростанций в энергосистеме Калифорнии в июне 2020 г. (по данным системного оператора)

Таким образом, энергетика будущего остро нуждается в разработке систем долговременного хранения энергии. Гидроаккумулирование – единственная доступная сейчас технология крупномасштабного хранения энергии. Всего в 2019 было введено в строй 2.9 ГВт аккумулирующих мощностей (на 30% меньше, чем в 2018) – этого недостаточно, чтобы поддержать развитие ВИЭ.

Установленная мощность систем аккумулирования энергии (по данным IEA)

Необходимо развитие альтернативных технологий хранения для обеспечения нужд энергетики будущего, в первую очередь на основе водорода.

Технологии аккумулирования энергии (по данным IEA 2016 World Energy Outlook 2016, Paris: IEA)

Водородная энергетика в России

Проблема использования водорода как перспективного экологически чистого и универсального энергоносителя и аккумулятора энергии в различных отраслях народного хозяйства была сформулирована в начале 1970-х годов после первого нефтяного топливного кризиса.
Стало ясно, что необходима разработка новых экологически приемлемых энергетических технологий, основанных на использовании возобновляемых энергоисточников, атомной энергии, угля и универсальных экологически чистых энергоносителей, способных заменить невозобновляемые энергоресурсы по мере их истощения и удорожания.

В 1974 г. была создана Международная ассоциация водородной энергетики (IAHE), задачей которой стало объединение и координация усилий ученых и специалистов различных областей науки и техники разных стран в развитии этого нового направления.

В 1975 г. правительством нашей страны было поручено Академии наук СССР подготовить заключение о целесообразности развития в нашей стране НИОКР по водородной энергетике. В этой связи при Отделении физико-технических проблем энергетики АН СССР по инициативе академика Шейндлина А.Е. была создана временная Рабочая группа по водородной энергетике под руководством академика М.А. Стыриковича, задачами которой являлись комплексное изучение проблемы и определение главных направлений исследований и разработок для условий нашей страны. Базовым институтом Рабочей группы стал ИВТАН.

В течение 1976-1977 гг. членами Рабочей группы и возглавляемыми ими коллективами в академических и отраслевых институтах и ВУЗах были выполнены аналитические, технико-экономические и экспериментальные исследования, подготовлены материалы к докладу по проблемам водородной энергетики и проведено их широкое обсуждение. В 1977 г. на основе Рабочей группы была образована Комиссия АН СССР по водородной энергетике, на которую была возложена функция межведомственного координатора НИОКР по проблеме. В 1978 г. был подготовлен и издан Доклад Комиссии «Основные проблемы водородной энергетики». В нем была сформулирована концепция развития водородной энергетики в нашей стране и основные задачи НИОКР на близкую и отдаленную перспективу.

Как отмечал академик В.А. Легасов в предисловии к книге «Введение в водородную энергетику»:

Концепция водородной энергетики в наиболее «чистом» виде предполагает получение водорода на крупных предприятиях путем разложения воды с затратой ядерной энергии, транспорт водорода к центрам его потребления и распределение с последующим использованием его в качестве топлива во всех тех случаях, где сегодня используются газ, жидкое или твердое топливо. Наиболее горячие приверженцы водородной энергетики предполагают даже использовать водород у потребителей для производства электроэнергии в топливных элементах и тем самым отказаться от централизованных систем электроснабжения.

Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику — М. ‌: Энергоатомиздат, 1984

В течение следующих 14 лет Комиссия осуществляла эффективную координацию работ в области водородной энергетики в масштабах страны, поскольку в состав Комиссии входили практически все руководители разработок водородных технологий в стране, в том числе по ведомственным программам (в выполнении координационных планов НИОКР участвовало более 50 организаций). Руководили работой Комиссии М.А. Стырикович, В.А. Легасов и Э.Э. Шпильрайн, базовыми институтами, обеспечивающим ее эффективную работу, стали ИАЭ им. И.В. Курчатова и ИВТАН.

В 2021 г. нашей стране разработана Концепция водородной энергетики Российской Федерации (Распоряжение правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р), которая ставит перед собой две основные цели: ускорение социоэкономического развития и сохранение лидирующих позиций в глобальной энергетике. Наиболее эффективные методы производства водорода включают паровую конверсию метана и газификацию угля, которые в настоящее время без улавливания углекислого газа, не являются низкоуглеродными, они в настоящее время наиболее актуальны для России, как ведущего поставщика углеводородов. Самый экологичный способ производства водорода основан на электролизе воды за счет электроэнергии атомных и гидро- электростанции, а также электроэнергии возобновляемых источников энергии. Еще одним источником водорода с низким углеродным следом может стать биомасса при условии использования современных методов ее конверсии в водород. Хотя в мире сейчас производится около 90 млн.т водорода, в настоящее время все низкоуглеродные методы существенно дороже способов производства из ископаемого сырья, и в общем производстве водорода они составляют менее 1%. Целью развития технологий на базе возобновляемых источников энергии является снижение к 2050 году стоимости низкоуглеродного водорода до уровня менее 2 долларов США за килограмм, что сделает его конкурентоспособным с ископаемыми топливами.

Лаборатория водородных энергетических технологий

Лаборатория была создана в Объединенном институте высоких температур Станиславом Петровичем Малышенко, который был одним из пионеров развития водородной энергетики в нашей стране. Лаборатория ВЭТ объединяет специалистов высокой квалификации, молодых ученых и студентов в области теплофизики, водородной и общей энергетики, химической физики, математического моделирования, неорганической и электрохимии, обладает доступом к современному экспериментальному оборудованию ОИВТ РАН и других организаций, имеет научно-педагогические связи с ведущими российскими ВУЗами, имеет успешный опыт выполнения российских и международных проектов. Члены коллектива удостоены различных государственных наград, научных премий, в том числе Государственных премий РФ для молодых ученых.

С.П. Малышенко
1940 — 2013