Ядерные технологии могут эффективно применяться при производстве водорода

17.10.20 10:00

"Почти 95% текущей потребности в водороде удовлетворяется за счет использования углеродоемких производственных процессов, таких как паровой реформинг метана. Это неприемлемо в свете глобального перехода к чистой энергии, особенно учитывая, что спрос уже достаточно высок и продолжает расти”, - сказал Ибрагим Хамис, старший инженер-ядерщик МАГАТЭ. 

 

Водород используется в промышленных процессах, начиная от производства синтетического топлива и нефтехимии до производства полупроводников и питания электромобилей на топливных элементах. Чтобы снизить воздействие на окружающую среду ежегодного производства более 70 миллионов тонн водорода, некоторые страны обращаются к атомной энергетике.

 

“Если бы, например, только 4% текущего производства водорода было переведено на производство электроэнергии, вырабатываемой ядерными источниками, это привело бы к сокращению выбросов углекислого газа на 60 миллионов тонн в год, - сказал Хамис. - И если весь водород будет производиться с использованием атомной энергии, то речь идет об устранении более 500 миллионов тонн выбросов углекислого газа ежегодно”.

 

Диспетчерский пункт реактора HTR-10 в университете Цинхуа в Пекине (фото: P. Pavlicek/IAEA)

 

Ядерные энергетические реакторы могут быть соединены с установкой по производству водорода, чтобы эффективно производить как энергию, так и водород в качестве когенерационной системы. Для производства водорода когенерационная система оснащена компонентами для электролиза или термохимических процессов. Электролиз - это процесс индукции расщепления молекул воды с помощью постоянного электрического тока, производящего как водород, так и кислород. Электролиз воды работает при относительно низких температурах от 80°С до 120°С, в то время как паровой электролиз работает при гораздо более высоких температурах и поэтому более эффективен. Паровой электролиз может идеально подходит для интеграции с передовыми высокотемпературными атомными электростанциями, так как этот процесс требует ввода тепла при температуре от 700°C до 950°C.

 

Термохимические процессы могут производить водород, вызывая химические реакции с определенными соединениями при высоких температурах для расщепления молекул воды. Современные ядерные реакторы, способные работать при очень высоких температурах, также могут быть использованы для производства тепла для этих процессов.

 

"Производство водорода с использованием серно-йодного цикла, в частности, имеет большой потенциал для расширения масштабов устойчивой и долгосрочной эксплуатации", - сказал Хамис. - Разработка этого метода с использованием японской конструкции реактора HTTR и Китайской конструкции HTR-PM 600 и HTR-10 является очень перспективной, и другие исследовательские инициативы продолжают добиваться отличного прогресса”.

 

В настоящее время несколько стран внедряют или изучают производство водорода с использованием атомных электростанций, чтобы помочь декарбонизировать энергетический, промышленный и транспортный секторы. Этот способ помогает увеличить рентабельность АЭС.

 

Международное энергетическое агентство оказывает поддержку странам, заинтересованным в производстве водорода, посредством инициатив, включая скоординированные исследовательские проекты и технические совещания. Разработана программа экономической оценки водорода (HEEP), инструмент для оценки экономики крупномасштабного производства водорода с помощью ядерной энергии. МАГАТЭ также выпустило электронный учебный курс по производству водорода с помощью ядерной когенерации в начале 2020 года.

 

"Производство водорода с использованием атомных электростанций имеет большой потенциал для содействия усилиям по декарбонизации, но есть ряд проблем, которые необходимо решить в первую очередь, таких как определение экономической целесообразности включения производства водорода в более широкую энергетическую стратегию”, - сказал Хамис. 

 

"Производство водорода с помощью термохимических процессов расщепления воды требует инновационных реакторов, работающих при очень высоких температурах, и эти реакторы остаются на расстоянии нескольких лет от развертывания. Аналогичным образом, серно–йодный процесс все еще требует дополнительных лет исследований и разработок, чтобы достичь коммерческого масштаба. Лицензирование ядерных энергетических систем, включающих неэлектрические приложения, также может быть сложной задачей", - добавил он.

 

Атомная электростанция Дэвис-Бесс в Огайо будет производить водород с использованием ядерной энергии (фото: B. Rayburn/Davis-Besse Nuclear Power Station)

 

Изучение и тестирование проекта

 

Инициатива H2-@ - Scale, запущенная в начале 2020 года Министерством энергетики США (DOE), изучает возможность разработки ядерных энергетических систем, которые производят водород в тандеме с низкоуглеродистой электроэнергией. Среди десятков проектов, финансируемых в рамках этой инициативы, Один будет реализован тремя коммерческими электроэнергетическими компаниями США в сотрудничестве с Национальной лабораторией Министерства энергетики штата Айдахо. Проект будет включать в себя технико-экономические оценки, а также экспериментальные демонстрации производства водорода на нескольких атомных электростанциях по всей территории США.

 

Одна из компаний, участвующих в проекте, Exelon, крупнейший производитель низкоуглеродистой энергии в США, в настоящее время предпринимает шаги по установке на одной из своих атомных электростанций мембранного электролиза с полимерным электролитом мощностью в один мегаватт и соответствующей инфраструктуры. Эта система, которая может быть введена в эксплуатацию к 2023 году, будет использоваться для демонстрации экономической жизнеспособности электролитически производимого водорода для удовлетворения местных потребностей систем, связанных с производством электроэнергии, а также будущих возможностей масштабирования.

 

"Этот проект сыграет важную роль в том, чтобы помочь нам определить перспективы ядерного производства водорода, включая то, как финансовые соображения могут повлиять на любое долгосрочное крупномасштабное производство водорода, - сказал Скотт Гринли, старший вице-президент по инженерным и техническим услугам Exelon Generation. - Внедрение производства водорода с помощью ядерной энергетики может значительно повысить устойчивость ядерной энергетики, поскольку мы планируем низкоуглеродное будущее”.

 

Оценки проводятся также в Великобритании. Некоммерческая инициатива в Великобритании моделирует всю энергетическую систему и теперь включает в себя возможность использования передовых ядерных технологий для производства водорода. Это позволяет взглянуть на потенциально самый дешевый энергетический баланс, который может обеспечить чистый нулевой выброс парниковых газов к 2050 году, и результаты показывают, что передовые ядерные технологии могут играть определенную роль в производстве водорода наряду с другими технологиями.

 

"Хотя точную роль водорода в Соединенном Королевстве еще предстоит определить, анализ, проведенный комитетом по изменению климата и Департаментом деловой, энергетической и промышленной стратегии, показывает, что к 2050 году нам, возможно, потребуется развернуть около 270 тераватт-часов низкоуглеродистого водорода, хотя объем может значительно увеличиться в зависимости от того, для каких применений в тепловом, энергетическом и транспортном секторах в конечном итоге используется водород”, - сказал Филип Роджерс, старший стратегический и экономический советник Консультативного совета по ядерным инновациям и исследованиям Соединенного Королевства.

 

Новая программа

 

В 2019 году Россия запустила свою первую инициативу по производству ядерного водорода. В рамках программы, реализуемой государственной корпорацией по атомной энергии “Росатом”, будет использоваться ядерный электролиз, а также термохимическая генерация с использованием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Цель состоит в том, чтобы ежегодно производить большое количество водорода и отказаться от углеродоемких методов производства, таких как паровой риформинг метана.

 

Водород будет использоваться для внутреннего потребления и экспорта. В настоящее время проводится технико-экономическая оценка экспорта части водорода в Японию.

 

"Поскольку спрос на водород продолжает расти, отчасти благодаря расширению таких отраслей, как металлообработка, производство водорода с помощью атомной энергетики дает возможность резко сократить выбросы углекислого газа, а также повысить прибыльность атомной энергетики”, - говорит Антон Москвин, вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса Rusatom Overseas.

 

Автор: Мэтью Фишер
Перевод: Владимир Алексеев, Enegyland.info

Читайте также: