Декарбонизация сталеварения с помощью водорода, производимого с использованием ядерной энергии

На производство стали приходится более 7 процент мировых выбросов углекислого газа (CO₂). В ближайшие десятилетия этот процент будет расти вместе со спросом на сталь, которая крайне востребована в различных отраслях: от энергетики и транспорта до строительства и производства бытовой техники. Однако благодаря ядерной энергии производство стали в будущем можно будет вывести на нулевой уровень выбросов.

Ежегодно в мире производится около двух миллиардов тонн стали. По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2050 году спрос на сталь вырастет более чем на треть, в основном в развивающихся странах. Все больше мировых компаний ищут способы декарбонизации энергоемких промышленных процессов в этой отрасли.

В сталелитейной промышленности широко применяется коксующийся уголь, который служит топливом для доменных печей и восстановительным агентом для получения стали, в процессе чего выделяется большое количество СО₂. Однако сталь можно получить в ходе так называемого прямого восстановления железа, при котором в реакцию с железной рудой без ее плавления вступает водород, с выделением водяного пара и без выхода СО₂.

«Для производства "зеленой" стали требуются огромные объемы водорода. Традиционно для производства водорода почти всегда использовалось ископаемое топливо, поэтому поиск способа декарбонизации производства водорода в необходимых количествах будет одной из самых сложных задач, — отмечает технический руководитель по неэлектрическим применениям МАГАТЭ Франческо Ганда. — Производство водорода с использованием ядерной энергии, которое характеризуется нулевым уровнем выбросов углекислого газа, может кардинально изменить ситуацию в отрасли, поскольку ядерная энергетика способна круглосуточно давать достаточное количество тепла и электроэнергии для производства необходимого количества водорода. Это может помочь добиться огромных успехов в переходе к экологически чистой энергетике».

Ядерные энергетические реакторы, соединенные с установкой по производству водорода, могут эффективно производить как энергию, так и водород, образуя систему когенерации, оснащенную компонентами для электролиза или термохимических процессов. Электролиз — это процесс выделения водорода и кислорода из молекул воды с помощью постоянного электрического тока.

Электролиз воды происходит при относительно низких температурах — менее 100 градусов Цельсия, в то время как электролиз водяного пара происходит при гораздо более высоких температурах — от 700 до 800 градусов Цельсия — и требует меньше электроэнергии, чем электролиз воды. При электролизе воды для отделения водорода от кислорода используется электричество. Эта технология доступна на рынке уже несколько десятилетий. В основе высокотемпературного электролиза лежит тот же принцип, но используется вода в виде пара, благодаря чему уменьшается количество необходимой электроэнергии.

Достижения в области технологий электролизеров позволили сделать производство водорода на основе обычных ядерных энергетических реакторов более эффективным и дешевым. По крайней мере на одной атомной электростанции в Соединенных Штатах Америки — «Прейри-Айленд» в Миннесоте — установлен высокотемпературный электролизер и благодаря использованию тепла реактора снижается потребление электроэнергии и, соответственно, стоимость производства водорода с использованием ядерной энергии.

«В процессе высокотемпературного твердооксидного электролиза может быть задействована тепловая энергия пара, вырабатываемого на атомной электростанции, благодаря чему достигается крайне высокий КПД электролизера, — говорит Ахил Батеджа, директор по развитию водородного бизнеса компании “Блум энерджи”, которая производит твердооксидные топливные элементы для производства энергии. — Поскольку основную часть расходов, связанных с получением водорода электролизом, составляют затраты на электроэнергию, с точки зрения экономики целесообразнее всего использовать мощности АЭС для производства низкоуглеродного водорода».

Роль МАГАТЭ

МАГАТЭ помогает странам, содействуя исследованиям в области использования существующего ядерного потенциала для производства водорода, в том числе в рамках проектов координированных исследований. Кроме того, чтобы помочь странам в оценке, планировании и разработке стратегии развития проектов по производству водорода с использованием ядерной энергии, МАГАТЭ организует технические совещания, а также разработало Программу экономической оценки водорода, позволяющую определить технико-экономическую целесообразность крупномасштабного производства водорода с использованием ядерной энергии. Кроме того, в 2022 году МАГАТЭ выступило с инициативой по разработке дорожной карты коммерческого внедрения производства водорода с использованием ядерной энергии и запустило электронный учебный курс, посвященный производству водорода с помощью ядерной когенерации.

«В ряде стран мира исследуются и испытываются варианты использования ядерной энергии для производства экологически чистого водорода, в том числе и для целей сталелитейной отрасли», — говорит директор Отдела ядерной энергетики МАГАТЭ Алин де Клуазо. — Учитывая появление новых и более эффективных технологий электролизеров, а также внедрение в будущем технологий усовершенствованных реакторов, таких как высокотемпературные реакторы, ядерная энергия вполне может внести важнейший вклад в производство экологически чистого водорода и декарбонизацию производства стали и других отраслей промышленности».