Концепция атомно-водородной энергетики

Разработанная в нашей стране в начале 70-х годов XX века концепция широкого использования производимого из воды с помощью ядерных реакторов водорода как энергоносителя в промышленности, в энергетике, на транспорте и в быту получила название «атомно-водородная энергетика» (АВЭ). Ядерная энергия обладает практически неограниченными ресурсами топлива. При производстве электричества, тепла и водорода ядерная энергетика оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду в сравнении с использованием углеродных ресурсов.

Кроме того, по мере увеличения стоимости природных углеводородов, определяющей выбор технологии производства водорода, будет расти и доля альтернативных, в первую очередь, ядерных технологий в водородной энергетике.

При сжигании водорода в чистом кислороде единственными продуктами являются высокопотенциальное тепло и вода, а при горении водорода в воздухе образуется существенно меньшее количество загрязнителей воздуха, чем при сжигании минерального топлива.

Сегодня существует три основных способа производства водорода, не связанные напрямую с неизбежными значительными выбросами двуокиси углерода, и так оцененные за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:

• — воздействие на природный газ с помощью пара, что позволяет связывать содержащийся в нем углерод для последующего хранения, себестоимость —1,72 долл.;
• — воздействие пара и кислорода на угольный порошок, что опять же позволяет связывать углерод — 1,45 долл.;
• — электролиз воды — 3,93 долл.

Первые два способа, т. е. риформинг природного газа и угля, требуют для дальнейшего применения водорода потребления из атмосферы кислорода и, тем самым, делают атмосферное природопользование в энергетике неизбежным. Поэтому такие технологии являются экологически неприемлемыми.

Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1,24 В. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других элементов электролизёра. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизёра ~ 70−80%, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900 °С), делая процесс более эффективным.

Важно также отметить, что молекулярный кислород имеет сугубо биогенное происхождение. В результате эволюционных динамических процессов в биосфере Земли были сформированы определенные условия (в том числе и поддержание определенного количества молекулярного кислорода в атмосфере) для саморегуляции, называемое гомеостазом, постоянство которых во времени требуется для нормального функционирования всех живых организмов, составляющих сегодняшнюю биосферу. Следовательно, необходимо и сбалансированное производство растениями атмосферного кислорода и его потребления природой, животными и человеком.

При увеличении добычи и сжигания органического топлива до 20 млрд т условного топлива в год, в том числе и водорода, промышленное потребление кислорода из атмосферы составит примерно 50 млрд т, что в совокупности с естественным потреблением превысит нижнюю границу его воспроизводства в природе. Во многих промышленно развитых странах эта граница давно уже пройдена.

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется в мире в основном путем паровой конверсии природного газа-метана. В этом случае около половины исходного газа расходуется на проведение эндотермического процесса паровой конверсии. Кроме того, сжигание природного газа приводит к загрязнению окружающей среды продуктами его сгорания. С целью экономии газа и снижения нагрузки на окружающую среду была разработана технологическая схема паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора. Ядерная технологическая часть комплекса при проведении паровой конверсии метана аккумулирует тепло, получаемое от высокотемпературного реактора, синтез-газ транспортируется к централизованному потребителю тепла, где в метанаторе проводится обратная реакция с выделением тепла. Это тепло передается распределенному потребителю в виде горячей воды и/или пара.

При использовании паровой конверсии метана в сочетании с ВТГР требуемая тепловая мощность ВТГР составляет в расчете на 5 млн т водорода около 6,5 ГВт. В перспективе, когда стоимость природного газа будет повышаться, доля водорода, производимого из воды, может быть доведена до 100% за счет замыкания цикла восстановлением метана из промежуточного продукта — метанола, с использованием электроэнергии.

В тепловых реакторах ВТГР могут быть применены как замкнутые, так и открытые топливные циклы с использованием урана, плутония и тория. Для будущей крупномасштабной ядерной энергетики, когда потребуется расширенное воспроизводство ядерного горючего, уникальные возможности воспроизводства предоставляют быстрые гелиевые бридеры. Сочетание высокотемпературных реакторов с гелиевым теплоносителем как на тепловых (ВТГР), так и на быстрых (БГР) нейтронах удачно решает задачи ядерной энергетики будущего, как по ресурсу топлива, так и по расширению областей использования ядерной энергии. Общий КПД для варианта «термохимия + ВТГР» может достигать 45−48%, в то время как КПД варианта с традиционными реакторами «электролиз + ЛВР» не превышает 25%.

Преимущество термохимических процессов обусловлено наряду с указанным выше переходом с экстенсивных поверхностных систем разложения воды на электродах к интенсивным объемным процессам в химических реакторах. Одним из существенных ограничений крупномасштабного электролизного производства водорода является потребность в драгоценных металлах (платина, родий, палладий) для катализаторов, которая пропорциональна мощности и, следовательно, поверхности электродов. Например, для производства 5 млн т/год водорода необходимо создать электролизёры суммарной электрической мощностью более 30 ГВт, для их изготовления потребовалась бы вся производимая сегодня в мире платина.

По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием природного газа будут основными.

В то же время изучение путей экологически чистого обеспечения развивающегося человеческого общества энергией показывает, что кардинальное решение этой глобальной проблемы необходимо связывать с разработкой и осуществлением концепции, предусматривающей крупномасштабное производство на базе атомной энергетики не только электроэнергии и тепла, но и водорода и последующее его использование для разнообразных нужд человека.

Атомно-водородная энергетика нацелена на расширение использования ядерной энергии в энергоемких отраслях химической, металлургической, строительной, топливной промышленности, а также на транспорте. К ним можно также отнести производство пресной воды и энергоснабжение распределенных потребителей. Такая энергетика сохранит нефть и газ для неэнергетических производств и обезопасит атмосферу от вредных выбросов продуктов сгорания. Важно, что развитие атомно-водородной концепции будет способствовать снижению риска распространения ядерных материалов, благодаря возможности поставок энергоресурсов в виде водорода и его производных вместо ядерных реакторов и ядерных материалов.

Тогда концепцию атомно-водородной энергетики (АВЭ) можно определить как «вода на входе + чистая ядерная энергия = > водород = > кислород = чистая энергия + вода на выходе».

В далекой перспективе, возможно, к концу столетия, развитие водородной экономики может потребовать до половины мощностей ядерной энергетики, что, по одному из прогнозов, составляет более 2000 ГВт.

Темпы и структура развития ядерной энергетики должны отслеживать эти требования. Становление атомно-водородной энергетики потребует развития специальных инновационных технологий. Среди них — высокотемпературные реакторы, агрегаты для эффективного производства водорода из воды, водородный топливный элемент, хемотермические преобразователи. Учитывая топливные потребности ядерной энергетики таких масштабов, необходимым условием является внедрение реакторов-бридеров и замкнутого топливного цикла с расширенным воспроизводством ядерного горючего.

При освоении атомно-водородной энергетики должны быть решены проблемы водородной безопасности на всех звеньях обращения с водородом: при его производстве, хранении, транспортировке, использовании.