CC BY
23энергетика и низкие температуры
Валерий Костюк,
действительный член и вице-президент Российской академии наук, Россия kostyuk@pran.ru
Аннотация: В данной публикации рассматривается вопросы исследований поведения различных энергетических систем в условиях низких температур, разработки технологий использования низкотемпературных газов и жидкостей для производственных процессов и энергетики, дается классификация температурных диапазонов существующих технологических систем, рассказывается о криогенной технике и области применения криогенных технологий.
Ключевые слова: энергетические системы в условиях низких температур, низкотемпературные газы и жидкости, криогенная техника, криогенные технологии, криогенные компоненты топлива, сверхпроводимость, водородная энергетика.
АНО «Международный центр устойчивого энергетического развития» под эгидой ЮНЕСКО (МЦУЭР) и Некоммерческое партнерство по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия» (НП «Глобальная энергия») решили объединить свои усилия в создании благоприятных условий для лучшего понимания в современном обществе научно-технических и социально-экономи-
ческих проблем, стоящих перед мировой энергетикой и путей их преодоления. Для этой цели журнал «Энергетический вестник» (ЭВ) будет регулярно представлять свои страницы лауреатам премии «Глобальная энергия», учрежденной и ежегодно присуждаемой видным учёным и инженерам, внесшим существенный вклад в развитие мировой энергетики. Мы надеемся, что лауреаты этой престижной международной премии по просьбе МЦУЭР и НП «Глобальной энергии» найдут возможность и время для подготовки и представления в журнал материалов, касающихся путей развития энергетики в 21-м веке и связанных с этим процессом научно-технических проблем.
Серию таких публикаций в этом номере «Энергетического вестника» открывает беседа с профессором Валерием Викторовичем Костюком, действительным членом (академиком) Российской академии наук (РАН), вице-президентом РАН, которому была присуждена премия «Глобальная энергия» в 2012 году за «разработку новых процессов и оборудования для производства газов и криогенных жидкостей, а также за разработку технологий их применения для производства электроэнегии и в энергетических системах». Более чем пятидесятилетняя научная деятельность академика В.В. Костю-ка связана с данной проблематикой, которая становится всё более и более актуальной, так как низкотемпературные и криогенные технологии находят широкое применение в энергетике и в других областях деятельности современного общества. Важность работ В.В. Костюка признана в Российской Федерации и за её пределами и отмечена многими правительственными наградами и премиями. Он является автором многочисленных публикаций, включая монографию «Refrigeration and Environment» («Холодильные системы и окружающая среда») и курса лекций «Introduction to Cryogenics» («Введение в криогенику»), предназначенных для студентов инженерных ВУЗов, опубликованных ЮНЕСКО в 1990-х годах.
Редакция журнала «Энергетический вестник» обратилась с просьбой к академику В.В. Костюку ответить на ряд вопросов, касающихся использования в энергетике и смежных областях низко-тепературных технологий, которые, безусловно, вносят свой вклад в достижение условий устойчивого энергетического развития.
«Энергетический вестник» (ЭВ): Валерий Викторович, традиционно энергетика была связана с высокими температурами и, практически, все усилия научно-технического энергетического сообщества в течение двух столетий были направлены на повышение температурных режимов энергопроизводящего и энергопотребляющего оборудования, так как в соответствии с законами термодинамики коэффициент полезного действия всего многообразия энергетических устройств зависит от температуры использования источника энергии, то есть температур, получаемых при сжигании различных топлив в камерах сгорания, топках, печах, двигателях внутреннего сгорания и т.д. Исторически в сознании людей понятие «энергетика» ассоциировалась с получением тепла для обогрева жилищ, приготовления пищи, обработки продуктов питания для длительного хранения, соблюдения гигиены и санитарных норм, обеспечения многочисленных производственных процессов, а также генерации электроэнергии и приведение в действие движителей транспортных средств. Однако за последние два-три десятилетия сформировалось другое не менее важное предназначение энергетики, а именно - производство энергии для получения низких температур, в которых нуждаются многие технологические процессы современной промышленности, транспорт, медицина, наука, повседневная жизнь человека, а также сама энергетика. Не могли бы вы, как ученый, посвятивший свою творческую деятельность исследованию
поведения различных энергетических систем в условиях низких температур и разработке технологий использования низкотемпературных газов и жидкостей для производственных процессов и энергетики, дать некоторую классификацию температурных диапазонов существующих технологических систем, обратив при этом большее внимание на криогенику?
Академик Валерий Костюк (В.К.): Термин низкие температуры определяет диапазон температур от 0 до 120 К или от -273.15 до -153.15 °С. Можно условно классифицировать технологии и технические устройства по следующим диапазонам используемых температур:
- температуры ниже 120 К (-153.16 °С) относятся к криогенным температурам,
- диапазон температур от 120 К (-153.16 °С) до 293 К (+20 °С) используется в холодильных технологиях,
- далее следуют температуры нормальные для природной окружающей среды и высокие температуры, о которых упоминалось в предисловии этого вопроса.
Рисунок 1 наглядно представляет условное деление технологий на температурной шкале.
В более узком смысле термины «криогенные технологии», «криогенная техника» означают технологии и оборудование, работающее при криогенных температурах.
Криогенная техника к концу ХХ столетия получила повсеместное распространение. Безусловное первенство по объёму использования криогенных технологий принадлежит ракетно-космической отрасли. Однако физика высоких энергий и энергетика, электроника, криобиология, криомедицина и многие другие отрасли промышленности и науки активно используют и создают современные криогенные технологии.
Рис. 1. Температурная шкала существующих технологий.
В ENERGY BULLETIN
^^ Ракетно-космическая техника
Авиационная техника
сбЬ Физика высоких энергий НуР и энергетика
Электроника
Машиностроение
^ Химия
Металлургия
а Криобиология и криомедицина
1[ф| Пищевая промышленность
^РЪ Повторное использование материалов
Рис. 2. Области использования криогенных технологий и сред.
ЭВ: Не могли бы вы дать более детальное представление криогеники или криогенной техники, учитывая, что она представляет относительно молодую область науки и техники, которая, как Вы отметили, только в конце прошлого столетия получила широкое распространение?
В.К.: Рассмотрим некоторые области применения криогенных технологий. На рисунке 2 приводятся основные области использования криогенных технологий и криогенных сред, которым ниже я дам краткие описания.
Применение в ракетно-космической технике криогенных компонентов топлива: водорода, метана, кислорода - обеспечивает получение максимальных величин удельного импульса (отношения тяги двигателя к массовому расходу топлива) - основного показателя энергоэффективности двигателя.
В ракетно-космической технике по широте и объёму использования на первом месте стоит
жидкий кислород, применяемый в качестве окислителя в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) уже более полувека.
С 1926 года для создания жидкостных ракетных двигателей используется в качестве окислителя жидкий кислород. Первоначально в качестве горючего использовался керосин или бензин, однако с 60-х годов XX века для вторых и третьих ступеней ракет используется и жидкий водород, а с 90-х годов - и жидкий метан.
Топливные композиции: жидкий кислород плюс керосин и жидкий кислород плюс жидкий водород - в настоящее время являются главными экологически чистыми топливами, причем на первой композиции создан высокоэффективный класс ЖРД для мирного использования космического пространства.
Использование кислорода с водородом позволяет при отсутствии загрязнения окружающей среды обеспечить высокие энергетические характеристики топлива при горении в камерах сгорания двигателей - высокий удельный импульс, то есть тягу создаваемую единицей массового расхода топлива.
В авиации с середины 60-х годов ХХ века были разработаны воздушно-реактивные двигатели на жидком водороде, а 90-х годов ХХ века и жидком метане. Испытания двигателей проводились на специально созданных летающих лабораториях (ТУ-155). Использование водорода позволяет при отсутствии загрязнения окружающей среды обеспечить высокие энергетические характеристики топлива и создать новые двигатели для гиперзвуковых самолётов - авиации XXI века. В качестве альтернативы авиационному керосину также рассматривается применение жидкого метана, что актуально, в первую очередь для полётов на территориях расположения газоконденсатных месторождений.
В физике высоких энергий с середины 60-х годов ХХ века в больших объёмах жидкий водород стал применяться в водородных пузырьковых камерах для исследования частиц высоких энергий на больших ускорителях элементарных частиц.
Специальные контуры криостатирования на жидком азоте и гелии используются для обеспечения функционирования систем криостатирования низкотемпературных силовых сверхпроводящих кабелей и обмоток магнитов. Сверхпроводящие магниты создают магнитные поля в магнитоги-
дродинамических (МГД) установках и ускорителях. После открытия в 1986 году «высокотемпературной» сверхпроводимости (ВТСП) жидкий азот применяется в качестве теплоносителя для систем криостатирования ВТСП силовых кабелей, ВТСП трансформаторов, ВТСП токоограничителей, ВТСП линейных двигателей транспортных систем, ВТСП электродвигателей. Жидкие азот и гелий используются для обеспечения работы криостатов физических установок с целью создания высокого вакуума.
Наибольший интерес контуры криостатиро-вания привлекают для создания современных энергетических систем транспортировки энергии XXI века. Традиционные способы передачи и распределения энергии практически достигли свое-
го теоретического предела. Особо острыми являются проблемы передачи значительной энергии на сравнительно малые расстояния для энергоснабжения мегаполисов в связи с непрерывно возрастающими объемами энергопотребления.
Дальнейшее увеличение мощности распределительных сетей в 3-5 раз может быть достигнуто путем замены обычных силовых кабелей для распределительного напряжения в 20 кВ на сверхпроводящие с использованием жидкого азота. Основные преимущества сверхпроводящих силовых кабелей заключаются в минимальных потерях электрической энергии в сверхпроводнике, экологической чистоте (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высоким уровнем пожарной
о ПРЕМИИ «ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ»
Международная энергетическая премия «Глобальная энергия» - это независимая награда за выдающиеся научные исследования и научно-технические разработки в области энергетики, которые содействуют повышению эффективности использования и экологической безопасности источников энергии на Земле в интересах всего человечества.
Премия учреждена в России Некоммерческим партнерством «Глобальная энергия» при поддержке ведущих российских энергетических компаний ПАО «Газпром», ОАО «Сургутнефтегаз» и ПАО «ФСК ЕЭС». В соответствии с положением о премии, награды лауреатам вручает президент России.
Премия «Глобальная энергия» стимулирует развитие энергетики как важнейшей отрасли экономики» и демонстрирует важность связанного с ней международного научно-технического сотрудничества, а также государственных и частных инвестиций в сферы энергообеспечения, энергосбережения и энергобезопасности на планете. Достижения науки и технологии должны служить долгосрочным интересам развития человечества, улучшать социальную защищенность и повышать уровень жизни людей во всех странах.
По словам президента Российской Федерации Владимира Путина, «За время своего существования «Глобальная энергия» стала одной из самых престижных международных наград, объединив вокруг единых целей и задач творческое сообщество талантливых учёных, исследователей, специалистов в области энергетики из России и многих зарубежных стран. С каждым годом премия укрепляет свой авторитет, а церемония её вручения славится неповторимой атмосферой созидания, открытости и научного товарищества».
С 2003 года лауреатами премии стали 33 ученых из 10 стран: Великобритании, Германии, Исландии, Канады, России, США, Украины, Франции, Швеции и Японии. В 2015 году премиальный фонд составил 33 миллиона рублей.
Список имеющих право номинировать на премию состоит из более чем 3000 ученых из 83 государств мира и ежегодно обновляется. Среди них лауреаты Нобелевской премии по физике и химии, а также лауреаты премий Киото, Макса Планка, Вульфа, Бальцана и премии «Глобальная энергия» прошлых лет. Решение по выбору лауреатов премии принимает Международный комитет по присуждению премии «Глобальная энергия», в состав которого входят 20 авторитетных ученых из 13 стран.
Информация предоставлена Некоммерческим партнерством «Глобальная энергия»
В ENERGY BULLETIN
безопасности. Эти кабели гораздо компактнее, что существенно облегчает их прокладку в условиях насыщенной городской и пригородной инфраструктуры. При передаче большой мощности на низком (генераторном) напряжении не требуется промежуточных подстанций, что дает значительную экономию земли и капитальных затрат.
Большим резервом увеличения плотности энергопотоков между потребителями и производителями энергии на большие расстояния является использование сжиженных газов (водород, метан) и электрической энергии с использованием высокотемпературных сверхпроводников - гибридный способ передачи энергии. В этом случае жидкий водород или сжиженный газ являются источниками химической энергии и, одновременно, обеспечивают поддержание температуры высокотемпературного сверхпроводникового кабеля на уровне 20-39 К.
Системы криостатирования используются в датчиках ракет и спутников, в радиоастрономии для прослушивания далеких галактик и в системах дальней космической связи. Они обеспечивают функционирование мазеров - чувствительных микроволновых усилителей - за счёт снижения температуры до уровня, когда тепловые колебания атомов элемента усилителя не изменяются при адсорбции и эмиссии микроволновой энергии.
Низкие криогенные температуры обеспечивают работу сверхпроводящих элементов БОиЮБ в сверхчувствительных цифровых магнитометрах и вольтметрах.
В машиностроении были созданы подшипники практически с нулевым трением, в которых магнитное поле обеспечивает гарантированный зазор на основе эффекта Мейснера, связанного со сверхпроводимостью.
Высокотемпературные сверхпроводники используются для создания компактных мощных судовых электродвигателей, гироскопов с чрезвычайно малым дрейфом, силовых кабелей и т.п.
Для достижения и поддержания явления сверхпроводимости используются системы крио-обеспечения на жидком гелии и жидком азоте, а также с использованием компактных криокуле-ров с газовыми теплоносителями.
Разработаны технологические процессы, увеличивающие предел текучести материала до 400500% после обработки жидким азотом.
В металлургии кислород в больших объёмах, впервые, начал использоваться для выплавки стали. Были созданы производства получения кислорода на металлургических предприятиях стали.
В криомедицине и криобиологии, в основном, используется жидкий азот. Современные направления криомедицины:
- криохирургия;
- криотерапия;
- криоконсервация крови, спермы, тканей,
костного мозга и т.п.;
- крионика.
Криохирургические методы имеют преимущества по сравнению с традиционными хирургическими методами (удаление опухолей, миндалин и т.п.).
Широко используется криоконсервация крови, тканей, органов (в охлаждаемых жидким азотом контейнерах) используется для долговременного сохранения крови, тканей, костного мозга и спермы животных.
Методы криотерапии обеспечивают излечение органов дыхания и т.п.
В пищевой промышленности, в основном, используется жидкий азот. Так для замораживания продуктов в картонных упаковках используется конвейер, который движется сквозь ванну с жидким азотом или охлаждаемый газообразным азотом тоннель. При первоначальном контакте с жидким азотом замораживаются все открытые поверхности, что обеспечивает сохранение вкуса и аромата продуктов. Криообработка занимает около 7 минут по сравнению с 30-40 минутами при обычных методах замораживания.
Созданы высокоэкологичные заводы для утилизации резинотехнических изделий (автомобильных покрышек и т.п.). С этой целью используется метод низкотемпературного дробления «остекленевшей» в жидком азоте или воздухе резины.
ЭВ: Вы упомянули о получении широкого использования криогеникой только в конце ХХ столетия. Однако, как и всякая область науки и техники, она, видимо, развивалась поэтапно, накапливая знания и практический опыт и создавая их «критическую массу» для технологического прорыва, который и состоялся сравнительно недавно. Не могли бы вы обозначить основные этапы развития криогеники?
Таблица 1 . Основные этапы развития криогенной техники.
Год Событие
1877 Л.-П. Кайете (Франция) и Р.-П. Пикте (Швейцария) впервые получили жидкие кислород и азот соответственно.
1892 В Англии Дж. Дьюар создал сосуд с вакуумной изоляцией для хранения криожидкостей.
1895 В Германии К. Фон Линде создал первую воздухоожижительную машину.
1908 Х.-К. Оннес (Нидерланды) получил жидкий гелий.
1911 Х.-К. Оннес открыл явление сверхпроводимости. Нобелевская премия 1913 года.
1926 Запуск первой ракеты на криогенном топливе в США.
1933 Магнитное охлаждение, использованное для поддержания температур ниже 1 К.
1942 В Германии проведены огневые испытания ракеты У-2.
1961 В США проведены огневые испытания двигателя ракеты «Сатурн».
1969 Сконструирован сверхпроводящий электродвигатель постоянного тока мощностью 0.24 МВт.
1980 Создание мощных ракет-носителей на жидком водороде и кислороде в СССР и США (БИаШе и «Энергия»).
1986 К. Мюллер и Дж. Беднорц (Швейцария) получили переход в сверхпроводящее состояние при рекордно высокой температуре (35 К) - открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Нобелевская премия 1987 года.
1994 Первый ВТСП электродвигатель с азотным охлаждением, Россия.
2001 Открытие сверхпроводника диборида магния МдВ2.
2001 Первый демонстрационный проект ВТСП кабеля (Бо^Ьтге США).
2003-2012 Разработка и эксплуатация ВТСП кабелей (США, Дания, Япония, Китай, Россия, Корея).
В.К.: Для ответа на этот вопрос наилучшим образом подходит Таблица 1, в которой обозначены, на мой взгляд, все основные этапы развития криогеники.
ЭВ: Хотелось бы услышать от вас поподробнее о применении криогенных систем в энергетике и о перспективах развития этого направления использования криогеники.
В.К.: Большинство объектов возобновляемой энергетики большой мощности, как правило, располагается на специально выбранных участках большой площади и чаще всего вдали от плотно заселенных областей. Для доставки энергии к потребителю требуется разработка транспортных энергетических систем высокой мощности, способных передать большие потоки энергии на дальние расстояния.
Наиболее перспективным решением проблемы передачи больших потоков энергии (десятки и сотни ГВт) на дальние расстояния (тысячи километров)
являются «гибридные» водородные энергетические магистрали, в которых в сочетании с транспортом жидкого водорода по криогенной магистрали осуществляется передача электроэнергии по сверхпроводящим кабелям постоянного тока.
Привлекательность водорода как энергоносителя - очевидна, в нем запасено около 120 Дж/кг тепловой энергии - больше, чем в любом другом виде топлива. Отходами сгоревшего водорода является обыкновенная вода. Как и любой другой энергоноситель, водород необходимо передавать как на короткие, так и на дальние расстояния. Причем чем выше плотность водорода, тем выше эффективность передачи энергии. В предельном случае, самой высокой эффективностью будет перекачка сжиженного водорода при температуре около 20-26 К (~-253...-259 °С). Перекачка жидкого водорода на короткие расстояния была решена в космической отрасли для заправки жидкостных ракет-носителей, например, таких как американский «Шаттл», российский «Буран-Энергия» или французская ракета «Ариан-5».
Известно, что водород относится к самым эффективным энергоносителям, который имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлив и обладает хорошими охлаждающими свойствами в жидком состоянии. «Бесплатный» холод в потоке водорода позволяет использовать сверхпроводящие кабели в криогенных магистралях для дополнительной передачи электричества, что значительно увеличивает плотность передачи потока энергии. Помимо этого, данное решение является наиболее перспективным также с позиции решения экологических проблем, относящихся к важнейшим приоритетам социальной стратегии современного этапа развития общества.
В ведущих странах с развитым научно-техническим потенциалом в рамках поиска альтернативных сверхпроводящих материалов весьма интенсивно ведутся работы по исследованию перспективного для приложений в сильноточной энергетике новых сверхпроводящих соединений, в частности, диборида магния (МдВ2). В США разрабатывается проект суперкабеля с использованием жидкого водорода и ВТСП МдВ2 для передачи электрической мощности 50 ГВт.
Использование гибридных энергетических магистралей для комплексной транспортировки больших потоков энергии с использованием явления сверхпроводимости может принципиально изменить работу энергетических сетей и используемого электрооборудования, внести качественные изменения в их структуру и назначение, а также в самом режиме передаваемой электроэнергии. Переход на передачу электроэнергии в режиме постоянного тока, при котором максимально реализуется преимущество кабелей на основе дешевых сверхпроводящих материалов, сулит качественными преобразованиями в энергетики в целом. Сверхпроводники на основе МдВ2 появились на рынке сравнительно недавно, но уже продемонстрировали достаточно высокие потребительские свойства при водородных температурах. Они обладают рекордно-высокими значениями критических параметров - плотностью критического тока (3-4^107 А/см2) и критического поля (свыше 60 Тл), при этом имеют самый низкий уровень цены из известных в крупномасштабных применениях сверхпроводящих проводов порядка 5 долларов за 1 кА/м.
Сверхпроводящие кабели на основе диборида магния могут стать одним из ключевых элементов при внедрении эффективных технологий интеллек-
туальных электроэнергетических сетей (Smart Grids). Это связано еще с тем обстоятельством, что такие энергетические магистрали могут легко интегрироваться с другими перспективными средствами эффективного управления режимами энергоснабжения, основанными на применении водородных и сверхпроводниковых технологий. К ним относятся силовые сверхпроводниковые электрические машины (генераторы) и водородные энергетические турбоустановки. Они отличаются высокой маневренностью, высокой удельной мощностью, меньшей материалоемкостью, низкой удельной стоимости оборудования, и в сочетании с гибридными энергетическими магистралями могут обеспечить создание весьма эффективных решений замыкания баланса мощностей, повышения эффективности и надежности системы энергообеспечения страны, энергетической и экологической безопасности.
В настоящее время практически во всех развитых странах реализуются различные пилотные проекты по использованию силовых сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии (Таблица 2). Крупнейшим на сегодняшний день проектом является ВТСП кабель переменного тока с расчетной мощностью 574 МВА, напряжением 138 кВ и длиной 600 метров созданный в США. В 2014 году в РФ успешно завершились ресурсные испытания в ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» силовой электрической линии для распределительных сетей на основе трёхфазного высокотемпературного сверхпроводникового кабеля (ВТСП КЛ) напряжением 20 кВ и номинальным током 1500 А (ВТСПК-20/1500-01). Кабель создан в содружестве ОАО «ЭНИН», ОАО «ВНИИКП» и НИЦ НТ МАИ*.
В 2014 году были опубликованы результаты успешных испытаний макета «гибридной» энергетической магистрали (Рис. 3) на основе диборида магния длиной 30 м на жидком водороде, созданной РАН, которые подтвердили всю правильность заложенных технических решений. В частности были решены проблемы создания кабеля, токов-водов и теплоизоляции для этого макета.
ЭВ: Совсем недавно мы наблюдали весьма активное обсуждение в научно-техническом энергетическом сообществе и среди экономистов концепцию создания водородной энергетики, как основной энергетической отрасли, позволяющей
Полные названия данных организаций приводятся в конце статьи.
*
Таблица 2. Некоторые проекты по разработке силовых сверхпроводящих кабелей.
Проект, исполнитель Год Длина, м Напряжение, кВ Ток, кА Мощность, МВА
LIPA (USA) - AMSC, Nexans 2006 660 138 2.4 330
Albany (USA) - Super Power, Sumitomo, BOC 2005-2007 350 34.5 0.8 28
Ohio (USA) - Ultera, Oak Ridge Nat. Lan 2006 200 13.2 3 69
Tepco (Japan), Sumitomo 2002 100 66 1 66
KEPRY (Korea), Sumitomo 100 229 1 230
NKT (Denmark) 2003 30 30 2 60
NKT (Denmark) Проект 6000 150 1.7 250
NKT (Denmark) Проект 1000...300000 110 5.4 600
Korea - проект электроснабжения Сеула 2010...2020 2 кольца 23 и 154
решать многие проблемы, включая экологические, стоящие перед человечеством. Существовало мнение, что она может стать «стержнем» устойчивого энергетического развития. Однако эти обсуждения постепенно затихли, а то и вовсе сошли на нет. Вы только что представили одну из важнейших технологий использования водорода, а именно «гибридные» энергетические магистрали, в которых он выступает и как креоагент, и как транспортируемый энергоноситель. Не могли бы вы рассказать нашим читателям о других применениях водорода в энергетике и возможностях создания водородной энергетики в ближайшей перспективе?
В.К.: Совершенно верно. Ажиотаж, который наблюдался вокруг водородной тематики в конце прошлого и начале текущего столетия, сменился спокойной и более деловой обстановкой вокруг этой важнейшей научно-технической и социально-экономической проблемы. Наметились очевидные «прорывы» в вопросах энергетического применения водорода, сократилось значительно время, затрачиваемое на реализацию научных идей и доведения их до конкретных технологий и применения на практике. Хочу отметить, что впервые идея создания «гибридных» энергетических магистралей была высказана в 2002-2003 годах, а через всего десять лет опытные образцы таких систем успешно прошли испытания в РАН, а также в ряде исследовательских центров других стран. В настоящее время вообще наблюдается
ускорение научно-тезнического прогресса в целом, а в энергетике особенно. Этот процесс ускорения захватил и такие инновационные области как криогеника, включая водородные технологии, формируя при этом новые области знаний и научных дисциплин. Таким образом, следует ожидать, что в течение первой половины текущего столетия из уже существующих и будущих водородных технологий будет сформирована водородная энергетика. Пользуясь случаем, хочу отметить междисциплинарность и интердисци-плинарность научных исследований, технологических и инженерно-конструкторских разработок, связанных с водородной тематикой, которые приводят к появлению качественно новых знаний и технологий, использование которых и является ключевым фактором ускорения научно-технического прогресса. Кстати сказать, результатом такого подхода в проведении исследований явилось формирование криогеники, как новой научно-технологической дисциплины.
А теперь мне бы хотелось продемонстрировать некоторые области применения водорода и сопутствующих технологий в энергетике. Так, например, выполненный комплекс исследований и разработок исследовательскими организациями РАН позволяет на основе сверхпроводниковых и водородных технологий создать опытные образцы мегаватного класса мощности для производства, транспортировки и аккумулирования с высокими тактико-техническими характеристиками. Уникальные свойства водорода как энергоносителя
В ENERGY BULLETIN
Рис. 3. Гибридная транспортная энергетическая магистраль на испытательном стенде.
обеспечивают возможность создания компактных парогенерирующих устройств с удельной материалоемкостью в 1000 раз меньшей, чем традиционные парогенераторы и с КПД не менее 98%.
Водородно-кислородные парогенераторы высокого давления (7 МПа) мощностью до 25-30 МВт по динамическим характеристикам не имеют конкурентов, характерное время их выхода на основной режим при ступенчатом запуске из холодного состояния составляет менее 10 секунд и может быть сокращено в три раза.
Водородное аккумулирование электроэнергии для большой энергетики на основе атомных
электростанций (АЭС) и угольных тепловых электростанций (ТЭС) рассматривается как наиболее эффективное в сравнении с другими системами. В этом случае водород и кислород производятся электролизом воды в часы провала графика нагрузки, поступают в хранилища и используются для дополнительного получения и перегрева пара, поступающего в турбину электростанции (ЭС), увеличивая её мощность на 10-15%, что допускается используемыми сегодня типами турбоагрегатов и турбогенераторов ЭС. Дополнительный перегрев пара осуществляется путем смешения продуктов сгорания водорода в кислороде при
В ENERGY
BULLETIN № 20, 2015
стехиометрическом составе с основным расходом пара из парогенератора АЭС или ТЭС, поступающим в турбину. При работе 300-500 часов в году для производства электроэнергии в пиковой и маневренной части графика нагрузки, капиталовложения в создание таких систем составляют от 500 до 700 долл./кВт по оценкам различных авторов, что в 2,5-3 раза меньше, чем в создание систем аккумулирования электроэнергии на основе гидро-аккумулирующих электростанций (ГАЭС) на равнинных территориях. Перспективные масштабы использования водородной технологии аккумулирования электроэнергии в европейской части РФ по оценкам могли бы составить до 10 ГВт.
Использование систем водородного аккумулирования электроэнергии на ЭС с парогазовыми установками (ПГУ) с целью их эффективного участия в нормированном первичном и общем регулировании частоты в сетях электроснабжения является другой перспективной областью применения водорода.
Перспективы развития электроэнергетики в европейской части страны предполагают широкое внедрение энергоблоков на основе ПГУ, элементами которых являются газотурбинная установка (ГТУ), котел-утилизатор (КУ) и паротурбинная установка (ПТУ). Динамические характеристики этих устройств (скорость набора нагрузки) существенно различаются. Наиболее инерционный агрегат - КУ. Маневренные характеристики КУ могут быть существенно улучшены при его дополнении водородо-кислородными парогенераторами перед турбиной, чем обеспечивается производство пиковых мощностей от паротурбинной части цикла по графику, согласованному с графиком ГТУ. В этом случае за счет повышения маневренности ПГУ на начальных стадиях переходных процессов обеспечивается их эффективное участие в общем первичном регулировании частоты (ОПРЧ) и нормированном первичном регулировании частоты (НПРЧ) как в пределах нормального, так и аварийного резерва. Планируется к 2012 году ввод мощностей ПГУ около 20 ГВт. Этим определяется возможный рыночный потенциал технологии, обеспечивающей возрастание мощности ПГУ на 10% от номинальной за первые 10 сек. и выполнение стандарта НПРЧ. По оценкам увеличение капвложений в ПГУ при создании водородных систем обеспечения участия в ПГУ в ОПРЧ и НПРЧ составит не более 1-2%.
Необходимо создание автономных водородных паротурбинных энергоустановок для энергообеспечения предприятий, имеющих водород в качестве побочного продукта.
На многих предприятиях нефтехимической, коксохимической, хлорной и других отраслей водород получается в качестве побочного продукта и в основном сжигается в факелах для обеспечения безопасности. Например, в 2010 году только на хлорных предприятиях России произведено более 26 тыс. тонн чистого водорода, из которых на производство соляной кислоты использовано 2,8 тыс. тонн. Остальной водород сожжен в факелах, что соответствует потерям около 865 млн. кВт-ч тепловой энергии. При преобразовании её в автономных паротурбинных и парогазовых энергоустановках может быть произведено более 300 млн. кВт-ч электроэнергии. Характерные мощности автономных водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок составляют 2-5 МВт(э) при использовании побочного водорода на отдельных предприятиях. Использование побочного водорода в системах автономного энергообеспечения предприятий позволит повысить энергоэффективность ряда отраслей.
Использование водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок при создании активно-адаптивных сетей энергообеспечения (Smart Grids) является другой не менее важной областью применения водорода.
Одной из основных проблем при создании Smart Grids является создание систем крупномасштабного аккумулирования электроэнергии и резервных и аварийных мощностей с минимальными характерными временами выхода на основной режим. Российские и зарубежные технико-экономические исследования, выполненные в последние годы, в частности в ОИВТ РАН и NREL (США), показывают, что этим требованиям соответствуют системы с использованием водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок при мощностях выше 50 МВт и энергоемкости хранилища 200-300 МВт-ч. При этом для систем водородного аккумулирования электроэнергии эффекты разрядки систем аккумулирования при длительном хранении отсутствуют.
Широкое использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и создание на этой основе возобновляемой энергетики (ВЭ) будет неразрывно связано с разработкой и внедрением
В ENERGY BULLETIN
надёжных и эффективных систем аккумуляции, хранения и транспортировки электроэнергии. Здесь и должны найти своё достойное место водородные технологии, наилучшим образом подходящие для этих целей. Производство водорода, его сжижение и дальнейшее хранение является, пожалуй, наиболее вероятным способом аккумуляции избыточной энергии, а в некоторых случаях и всей производимой энергии, как, например, в энергоустановках, использующих различные виды ВИЭ морей и океанов. Дальнейшая транспортировка водорода к потребителю может осуществляться по «гибридным» энергомагистралям или в специальных для этих целей ёмкостях. В РФ, где положение с использованием ВИЭ оставляет желать лучшего, в среднесрочной перспективе предусматривается увеличение доли ВИЭ в энергобалансе страны.
В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030, общая мощность энергоустановок, использующих ВИЭ, к 2030 году должна составить более 20 ГВт, что потребует создания энергоэффективных систем аккумулирования электроэнергии, произведенной за счет ВИЭ в суточном и недельном графиках. При мегаваттном уровне мощностей энергоустановок на основе ВИЭ и их включении в региональные сети вполне приемлемыми также являются системы водородного аккумулирования электроэнергии с использованием водородных паротурбинных установок (ВПТУ). При этом коэффициент рекуперации электроэнергии может достигать 35-40%.
Другим весьма перспективным способом энергетического использования водорода являются интегрированные системы производства электроэнергии из водорода.
Так, например, в Энергетической стратегии России ставится задача повышения глубины переработки и увеличения доли нефтепродуктов высокого качества для внутреннего потребления и экспорта. Для этой цели (процессы гидрокрекинга и гидроочистки) на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) необходима дополнительная поставка водорода (или его производство на специальных установках из природного газа) в объемах около 4 млн. тонн в год. Оценки возможности производства водорода за счет использования «провальной» электроэнергии от АЭС и угольных ТЭС показывают, что производство и реализация водорода, в т.ч. жидкого, может оказаться полез-
ным для повышения экономической эффективности ряда предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК). При этом АЭС и угольные ТЭС могут работать в базисном режиме с максимальным коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) и минимальными выбросами, а покрытие неравномерностей графиков нагрузки осуществляется с использованием Н2/О2-пароге-нераторов. При этом появляется интересная возможность использовать совместный транспорт жидкого водорода (жН2) и электроэнергии для повышения эффективности таких систем. Стоит отметить, что особо чистый водород существенно дороже технического и его потребление в мире возрастает с темпами до 18% в год (обычного -3-3,5%) для высокотехнологичных производств (электроника, оптоволокно, фармацевтическая и пищевая промышленность), поэтому он имеет ещё и экспортную привлекательность.
Нужно отметить также использование водорода в качестве топлива в транспортных системах, которое представляет ещё одно перспективное направление развития водородных технологий, которые и не явятся частью водородной энергетики, однако, их будущее полностью зависит от успехов этой новой энергетической отрасли.
Заключая этот короткий экскурс в «энергетический парк» водородных технологий, хочу подчеркнуть ещё раз, что уже создана прочная основа формирования в скором времени водородной энергетики, которая явится наряду с ВИЭ неотъемлемой частью устойчивой энергетики.
Список сокращений, использованных в данной беседе:
НТЦ ФСК ЕЭС - ОАО «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы», Россия ОАО «ЭНИН» - ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского», Россия ОАО «ВНИИКП» - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт кабельной промышленности», Россия НИЦ НТ МАИ - Научно-исследовательский центр новых технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Россия NREL - National Renewable Energy Laboratory, USA
