Часто техническая новинка разделяет специалистов на яростных противников и не менее активных сторонников. Использование водорода в качестве топлива уже много лет вызывает активные дискуссии профессионального сообщества. В СМИ и в соцсетях, доказывая свою правоту, люди разве что на дуэли друг друга не вызывают. И тут — неожиданная новость. Оказывается, группа ученых из петербургского Политехнического университета выяснила, что использование водорода на ТЭС в качестве топлива может решить сразу несколько технологических и экологических задач.

Специалисты Политеха проанализировали существующие и разрабатываемые технологии использования, транспортировки и хранения водорода применительно к действующим ТЭС.

Цель проста — выработать рекомендации для реализации проектов по апробации использования водорода в качестве топлива.

Вывод: промышленное внедрение технологии остается открытым вопросом. Прежде всего из-за того, что пока в этих проектах «не сводится дебет с кредитом», иначе говоря — ну слишком это дорого. Однако ученые уверены, что отставать в развитии технологий недопустимо, поскольку уже в недалеком будущем использование водорода в качестве топлива может стать рентабельным. А теперь — подробности.

Из мусора и метана

Согласно исследованию ученых из СПбПУ, одним из наиболее перспективных методов получения водорода на действующих ТЭС является газификация альтернативного топлива. В данном случае речь идет о производстве водорода из твердых коммунальных отходов (ТКО), которые подвергаются термическому разложению в газогенераторе, в результате чего получается синтез-газ, содержащий в том числе и водород. Старший преподаватель Высшей школы атомной и тепловой энергетики (ВШАиТЭ) СПбПУ Дмитрий Трещев подчеркивает, что многое зависит от фракционного состава ТКО, но, по предварительным оценкам, доля чистого водорода в выделяемом синтез-газе может составлять до 16%.

«Данная технология является ярким примером утилизации ТКО с последующим получением топлива. В этом случае мы можем получить как экологический эффект за счет утилизации мусора, так и экономический эффект за счет того, что снижается потребление природного газа на ТЭС. Кроме того, ТЭС можно рассчитывать на дополнительные доходы от утилизации ТКО, что также может снизить затраты», — отмечает директор ВШАиТЭ СПбПУ, к.т.н., Александр Калютик, добавляя, что в настоящее время в ВШАиТЭ СПбПУ идет разработка уникального лабораторного стенда для исследования процессов газификации ТКО.

На страже климата — бактерии

Второй метод получения водорода, который возможно применить на действующих ТЭС, заключается в использовании тепловых насосов совместно с установкой паровой конверсии метана (ПКМ). В процессе ПКМ при высокой температуре пар подмешивается к метану, и в результате термического разложения выделяется синтез-газ, состоящий из углекислого газа (СО₂), который впоследствии улавливается, и водорода. Тепловой насос в данном случае необходим для предварительного подогрева газа перед смешением с паром в установке ПКМ.

«Помимо непосредственного производства водорода такой метод позволяет отчасти решить проблему недозагрузки промышленных отборов на современных ТЭС, — отмечает доцент ВШАиТЭ , к. т. н., Аникина Ирина. — В рамках данного метода нами было предложено две схемы внедрения установки ПКМ на Петрозаводской ТЭЦ: с отбором производственного пара от турбины ПТ-60-130/13 и отбором из коллектора острого пара котельных агрегатов».

Как рассказали ученые, удельные расходы условного топлива на производство водорода еще предстоит оценить (разработка методики, позволяющей рассчитать эти показатели, уже ведется), однако очевидно, что комбинация указанных методов в рамках одной ТЭС уже позволяет решить сразу несколько задач как экологического, так и технического характера.

Пропорция 20% на 80%

Использовать исключительно водород в качестве топлива действующих газифицированных ТЭС в настоящее время не представляется возможным в силу технических причин. Если говорить о среднесрочной перспективе, то ученые рекомендуют использовать технологию сжигания смеси водорода и природного газа в газовых турбинах и газомазутных паровых котлах в объемных долях 20% и 80% соответственно. Как поясняет заместитель директора Института энергетики СПбПУ по научной работе, к. т. н Ярослав Владимиров, такое соотношение продиктовано тем, что температура сжигания смеси, когда в нее добавлен водород, существенно увеличивается. Соответственно, требуется оборудование, способное выдержать повышенную температуру. Наряду с этим, по словам Дмитрия Трещева, использование метано-водородной смеси на действующих ТЭС требует минимальной доработки оборудования.

---

При преобразовании энергии водорода в электроэнергию посредством электрохимической конверсии КПД достигает 60%, что уже сопоставимо с КПД современных парогазовых установок.

---

«Например, при подводе водорода на горелки требуется установить только запорную арматуру, которая будет отключать подачу в случае, если началось обратное горение факела. Возможны также и конструктивные изменения самой горелки. Все зависит от того, подаем ли мы на горелку метан и водород раздельно или уже в смешанном виде. С технической точки зрения это не очень сложные или затратные решения. Правда, пока у нас в стране не регламентировано техническое сжигание водорода, этот вопрос еще предстоит проработать», — уточняет Дмитрий Трещев.

Что нужно для эффективности

Пиво на сточных водах

Вместе с тем сжигание водорода на ТЭС, даже в небольшом количестве, — лишь первый, экспериментальный этап развития водородной генерации, поскольку тепловая энергетика, основанная на сжигании органического топлива, имеет низкую эффективность. По мнению ученых СПбПУ, в контексте использования водорода в энергетике будущее не за газовыми турбинами, в которых сжигают водород, а за топливными элементами. «Если мы говорим о преобразовании энергии водорода в электроэнергию, например, посредством электрохимической конверсии, то в данном случае КПД достигает 60%, что уже сопоставимо с КПД современных парогазовых установок», — поясняет Дмитрий Трещев.

Александр Калютик отмечает, что в теории ТЭС могут работать и на чистом водороде, однако в настоящее время парогазовых установок, работающих на чистом водороде, ни на российском, ни на мировом рынках нет. Кроме того, сжигание чистого водорода может обойтись существенно дороже, нежели использования топливных элементов. При условии развития технологий и снижения себестоимости производства, транспортировки и хранения водорода топливные элементы вполне можно будет использовать и на более мощных энергоблоках. «Здесь может сработать эффект масштаба — чем больше топливных элементов, тем больше мощность станции, соответственно, себестоимость генерации будет меньше. Всего несколько десятилетий назад и атомная генерация считалась дорогой и неэффективной, однако сейчас, с развитием технологий, она стала одной из самых перспективных. Думаю, что то же самое происходит и с водородной энергетикой», — полагает Александр Калютик.

Зарождающийся рынок

По разным оценкам, потребление водорода на внутреннем российском рынке к 2030 году может составить от 60 до 100 млн тонн, а к 2050-му — до 600 млн тонн. В связи с текущими геополитическими событиями и санкционными ограничениями эксперты полагают, что сейчас необходимо переориентироваться не только на азиатские страны как возможных импортеров водорода, но и на внутренних потребителей. Поэтому одна из главных научных задач заключается в разработке технологий, способных сделать водородное топливо рентабельным для внутренних потребителей.

«Говорить о масштабном использовании водорода в качестве топлива для генерирующих мощностей пока преждевременно, — соглашается Дмитрий Трещев. — Рентабельность данного топлива будет зависеть от нескольких факторов, например, будет ли введена плата для промышленных предприятий за выбросы СО₂ и насколько удастся снизить себестоимость производства самого водорода».

По словам Ярослава Владимирова, несмотря на то что в настоящее время прикладные разработки в области водородной энергетики отошли на второй план, научные разработки должны быть продолжены. «Мы не должны отставать в технологическом развитии от других стран, чтобы быть конкурентоспособными. Это касается не только электроэнергетики, но и, например, автомобильного транспорта. Исследования уже подтверждают, что КПД двигателей на водороде в два раза превосходит КПД двигателей внутреннего сгорания. Водородный рынок только зарождается, и важно вовремя занять нишу на нем», — уверен Ярослав Владимиров.