Больше чем просто источник энергии

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, но его производство в чистом виде для целого ряда промышленных процессов является энергоемким и сопровождается созданием значительного «углеродного следа».

«Почти 95% текущего спроса на водород удовлетворяется за счет использования углеродоемких производственных процессов, таких как паровая конверсия метана. Это неприемлемо в свете глобального перехода к экологически чистой энергии, особенно учитывая, что спрос уже достаточно высок и продолжает расти», — говорит Ибрагим Хамис, старший инженер-атомщик МАГАТЭ. По данным Международного энергетического агентства, с 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза.

Водород используется в различных промышленных процессах, начиная от производства синтетического топлива и нефтехимии до изготовления полупроводников и электромобилей на водородных топливных элементах. Чтобы уменьшить вредное воздействие на окружающую среду в связи с производством 70 млн тонн водорода в год, некоторые страны обращаются к ядерной энергетике.

«Например, перевод всего лишь 4% текущего производства водорода на электроэнергию, вырабатываемую АЭС, позволил бы уменьшить выбросы углекислого газа на 60 млн тонн в год, — объясняет Хамис. — А если бы весь водород производился с использованием ядерной энергии, то можно было бы говорить о сокращении выбросов углекислого газа на более чем 500 млн тонн в год».

Ядерные энергетические реакторы могут быть соединены с установкой по производству водорода в единую систему когенерации для экономически эффективного производства одновременно электроэнергии и водорода. При производстве водорода когенерационная система оснащается компонентами либо для электролиза, либо для термохимических процессов. Электролиз — это процесс выделения водорода и кислорода из молекул воды с помощью постоянного электрического тока. Электролиз воды проходит при относительно низких температурах от 80°C до 120°C, в то время как электролиз водяного пара проводится при гораздо более высоких температурах и поэтому является более эффективным. Электролиз пара может идеально подходить для интеграции с усовершенствованными высокотемпературными АЭС, поскольку для этого процесса требуется подвод теплоносителя с температурой от 700°C до 950°C.

Термохимические процессы позволяют производить водород с помощью химических реакций с определенными соединениями при высоких температурах для расщепления молекул воды. Усовершенствованные ядерные реакторы, способные работать при очень высоких температурах, также могут использоваться в целях производства тепла для этих процессов.

«Производство водорода с использованием серно-йодного цикла, в частности, имеет большой потенциал в плане расширения масштабов применения для обеспечения устойчивой и долгосрочной эксплуатации, — рассказывает Хамис. — Разработка этого метода с использованием конструкций японского реактора HTTR и китайских конструкций HTR‑PM 600 и HTR‑10 является весьма многообещающей, в рамках других исследовательских инициатив также продолжает наблюдаться отличный прогресс».

В настоящее время несколько стран внедряют производство водорода с использованием АЭС или изучают такую возможность в целях содействия декарбонизации своего энергетического, промышленного и транспортного секторов. Это позволяет также увеличить отдачу от АЭС, что может способствовать повышению ее рентабельности.

МАГАТЭ оказывает поддержку странам, заинтересованным в производстве водорода, посредством различных инициатив, в том числе проектов координированных исследований и технических совещаний. Оно разработало также Программу экономической оценки водорода (HEEP) — инструмент для проведения экономической оценки крупномасштабного производства водорода с помощью ядерной энергии. В начале 2020 года МАГАТЭ запустило также электронный учебный курс, посвященный производству водорода с помощью ядерной когенерации.

«Производство водорода с использованием АЭС имеет большой потенциал в плане содействия усилиям по декарбонизации, но сначала необходимо решить ряд вопросов, таких как определение экономической целесообразности включения производства водорода в более широкую энергетическую стратегию, — говорит Хамис. — Для производства водорода с помощью термохимических процессов расщепления воды требуются инновационные реакторы, работающие при очень высоких температурах, однако в ближайшие годы ввод таких реакторов в эксплуатацию не ожидается. Аналогичным образом, чтобы серно-йодный процесс окончательно оформился и мог использоваться в коммерческих масштабах, нужно еще несколько лет НИОКР». Он добавляет, что с лицензированием ядерно-энергетических систем, включающих не связанные с производством электроэнергии применения, также могут возникать сложности.

Изучение и оценка целесообразности

В рамках запущенной в начале 2020 года Министерством энергетики Соединенных Штатов инициативы «H2@Scale» проводится исследование целесообразности разработки ядерно-энергетических систем, производящих одновременно водород и низкоуглеродную электроэнергию. Среди десятков проектов, финансируемых посредством этой инициативы, один будет реализован тремя коммерческими электроэнергетическими компаниями США в сотрудничестве с Айдахской национальной лабораторией Министерства энергетики. В проект войдут технические и экономические оценки, а также экспериментальные демонстрации производства водорода на нескольких АЭС на территории США.

Одна из участвующих в проекте электроэнергетических компаний «Exelon», которая является крупнейшим производителем низкоуглеродной электроэнергии в США, в настоящее время предпринимает шаги по установке на одной из своих АЭС электролизера с полимерной электролитической мембраной мощностью один мегаватт и соответствующей инфраструктуры. С помощью этой системы, которая может быть введена в эксплуатацию к 2023 году, можно будет наглядно увидеть экономическую целесообразность производства водорода с помощью электролиза для удовлетворения потребностей систем, связанных с производством электроэнергии, на месте, а также возможности масштабирования в будущем.

«Этот проект поможет нам понять перспективы производства водорода с помощью ядерной энергии, в частности то, как финансовые соображения могут повлиять на любое долгосрочное крупномасштабное производство водорода, — рассказывает старший вице-президент по инженерным и техническим услугам компании «Exelon Generation» Скотт Гринли. — Внедрение производства водорода с помощью ядерной энергии может в значительной степени повысить устойчивость ядерной энергетики в связи с нашими планами построения низкоуглеродного будущего».

В Соединенном Королевстве также идут работы по проведению оценок. В рамках некоммерческой инициативы «Energy Systems Catapult» в Соединенном Королевстве создана модель целой энергетической системы, и теперь в нее включена возможность использования передовых ядерных технологий для производства водорода. Таким образом можно посмотреть на потенциально наиболее экономичную структуру энергопроизводства, которая к 2050 году сможет обеспечить нулевые выбросы парниковых газов в чистом выражении, а результаты показывают, что усовершенствованные ядерные реакторы могут быть задействованы в производстве водорода наряду с другими технологиями.

«Хотя Соединенное Королевство еще окончательно не определило роль для водорода, согласно проведенному Комитетом по изменению климата и Министерством по делам бизнеса, энергетики и промышленной стратегии анализу, предполагается, что до 2050 года нам, возможно, потребуется обеспечить около 270 тераватт-часов низкоуглеродной электроэнергии для производства водорода, хотя эта цифра может существенно вырасти в зависимости от того, для каких применений в тепловом, энергетическом и транспортном секторах будет использоваться водород в конечном итоге», — говорит Филип Роджерс, старший стратегический и экономический советник Консультативного совета по ядерным инновациям и исследованиям Соединенного Королевства.

Новые программы

В 2019 году Россия запустила свою первую инициативу по производству водорода с помощью ядерной энергии. Реализуемая Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» программа предусматривает использование электролиза на основе вырабатываемой АЭС электроэнергии, а также термохимическое производство с использованием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Ее цель состоит в том, чтобы обеспечивать производство большого количества водорода каждый год и при этом уходить от таких углеродоемких методов, как паровая конверсия метана.

Произведенный по программе водород пойдет на внутреннее потребление и экспорт. В настоящее время проводится технико-экономическая оценка экспорта части водорода в Японию.

«Учитывая продолжение роста спроса на водород, отчасти благодаря расширению таких отраслей, как металлообработка, производство водорода с помощью ядерной энергии дает возможность существенно сократить выбросы углерода и одновременно повысить рентабельность ядерной энергетики», — говорит Антон Москвин, вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса «Русатом Оверсиз».