ПЕРСПЕКТИВЫ "ГОЛУБОГО" ВОДОРОДА В РОССИИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК УДК 546.11: 339.564 DO110.46920/2409-5516_2021_3157_34

Перспективы «голубого» водорода в России

Horizons for the production of blue hydrogen in Russia

Дауддин ДАУДИ

Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени

И.М.Губкина

e-mail: daud.99@mail.ru

Григорий РОЖНЯТОВСКИЙ Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина

e-mail: grinef_delo@mail.ru

D. DAUDI

Student, Gubkin Russian State University

of Oil and Gas

e-mail: daud.99@mail.ru

G. ROZHIATOVSKII

Student, Gubkin Russian State University

of Oil and Gas

e-mail: grinef_delo@mail.ru

Адель ИШМУРЗИН

Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина

e-mail: ishmurzin.adel@gmail.com

A. ISHMURZIN

Student, Gubkin Russian State University of Oil and Gas

e-mail: ishmurzin.adel@gmail.com

Никита КОДРЯНУ

Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина

e-mail: kodryanu.n@yandex.ru

N. KODRYANU

Student, Gubkin Russian State University of Oil and Gas

e-mail: kodryanu.n@yandex.ru

о

СЦ <

Наталия ПОПАДЬКО Доцент кафедры стратегического управления ТЭК, к. т. н. e-mail: popadko.n@gubkin.ru

N. POPADKO

Senior lecturer, C.T.Sc., Gubkin Russian State University of Oil and Gas e-mail: popadko.n@gubkin.ru

Аннотация. В работе была проведена сравнительная характеристика различных видов водорода в качестве энергоносителя и на основе данного анализа была рассмотрена перспектива российского водорода на мировом энергетическом рынке. Была исследована возможность получения водорода методом паровой конверсии метана, с разделением полученного синтез-газа мембранным способом и утилизацией монооксида углерода (CSS) с использованием программы Aspen Hysys.

Ключевые слова: газохимия, водород, энергетика, Aspen Hysys, моделирование, паровая конверсия метана, декарбонизация, мембранное разделение.

Abstract. In the article were carried out the comparative characteristics of various types of hydrogen as an energy carrier. Based on this analysis, the horizons of Russian hydrogen in the global energy market were considered. The possibility of producing hydrogen by steam conversion of methane, with the separation of the produced synthesis gas by the membrane method and the utilization of carbon monoxide (CSS) using the Aspen Hysys program, was Investigated. Keywords: gas chemistry, hydrogen, power economy, Aspen Hysys, modeling, methane steam reforming, decarbonization, membrane separation.

u

На сегодняшний день в России есть возможность наладить производство любого из известных типов водорода по экологической классификации

Мировая энергетика использует множество способов производства и хранения энергии, полученной из различных энергоносителей. К традиционным видам топлива относят углеводороды: уголь, нефть и природный газ. Однако, инициированный Евросоюзом процесс декарбонизации энергетики заставляет искать источники энергии с минимальными выбросами оксидов углерода. Наиболее обсуждаемой заменой традиционным энергоносителям является водород. Основные его преимущества как источника энергии - это обеспечение энергетической и экологической безопасности (в процессе сгорания образуется вода); высокая теплотворная способность по сравнению суглеродными энергоносителями (см. таблица 1) и высокий КПД водородных топливных элементов.

Процесс производства водорода Источник: sunhome.ru

На сегодняшний день водород используется в различных отраслях промышленности, в первую очередь в химической (см. рис. 1).

При анализе структуры потребления Н2 можно сделать вывод, что водород используется, в основном, как сырьё для производства других продуктов. В качестве топлива его применение ограничено из-за повышенных требований к условиям производства и хранения. Однако Япония, Великобритания, страны Евросоюза приняли Энергетические стратегии, соглашения и иные документы, в которых планируют

Топливо, кг Теплотворная способность, МДж/кг

Каменный уголь 30,05

Нефть 46,6

Бензин 47

Природный газ 56

Водород 120,7

го <

Таблица 1. Теплотворная способность энергоносителей

полный отказ от традиционного топлива к 2050 г. [2]. В качестве основного альтернативного энергоносителя эти стратегические документы рассматривают водород. Растет количество соглашений о наращивании производства водорода в различных странах мира. Данный тренд позволяет говорить об увеличении мирового спроса на водород в кратко- и среднесрочной перспективе.

Российский ТЭК может использовать данное окно возможностей для повышения своих конкурентных преимуществ на мировом энергетическом рынке.

Экономика

На сегодняшний день в России возможно реализовать производство любого из известных типов водорода по экологической классификации, в первую очередь: «серого», «голубого» и «жёлтого». Каждый из этих видов водорода отличается ме-

тодом производства. «Серый» водород производят из угля (без применения эффективной технологии улавливания или захоронения углекислого газа, который образуется в ходе производства), «голубой» водород получают путём конверсии (при условии применения технологий улавливания и захоронения С02) или пиролиза метана (на текущее время данный способ не нашел широкого применения, но представляется перспективным процессом промышленного производства водорода). «Жёлтый» и «зелёный» водород получают путём электролиза воды, однако, в случае с «жёлтым» водородом в качестве источника энергии используется атомная энергия, а в случае с «зелёным» - энергия, получаемая из возобновляемых источников энергии (ВИЗ).

Производство «зелёного» водорода в России в статье не рассматривается из-за слабо развитого сектора возобновляемой энергетики и больших возможностях в других типах производства. Россия яв-

Рис. 1. Структура потребления водорода

Источник: [1]

о

СЦ <

ляется лидером по запасам природного газа, а также обладает развитой атомной энергетикой, в связи с этим, мы предлагаем сравнить: «голубой», «серый» и «жёлтый» водороды. Сравнительная оценка будет проводиться по таким экономико-техническим показателям как стоимость производства и оценка спроса.

Основной показатель, определяющий экономическую целесообразность проекта - это стоимость производства. Экспертная оценка разных типов водорода следующая:

1. «Голубой» водород - от 1,5$/кг ДО 2$/кг [1];

2. «Серый» водород - 1,1$/кг [2].

«Голубой» и «серый» водород оцениваются одними и теми же формулами, поскольку имеют похожий компонентный состав. Цена на газ для их производства будет равняться 5,9 руб./м3

Конечная стоимость «жёлтого» водорода, на сегодняшний день, не оценена, потому что технология его производства ещё не утверждена. Для получения данных была проведена собственная оценка стоимости каждого типа водорода, в основе сравнения лежали производственные компоненты, результаты исследования представлены в таблице 2.

Средняя стоимость 1 кг продукции состоит из суммарных затрат на производственные компоненты, в данном блоке будут приведены способы расчёта компонентов для каждого типа водорода.

«Голубой» и «серый» водороды оцениваются по одним и тем же формулам, поскольку имеют похожий компонентный состав. Для начала предлагается оценить стоимость природного газа

И-

Ц.факт = -

Ц*0 р.факт.

7900ккал / м31 33080

м3 ) , где: Ц. факт - цена природного газа; 0Р, - фактическая объемная теплота

факт ~

сгорания в ккал/м3 (кДж/м3);

0рфект - 98 % * 35 826 кДж/м3 + 0, 5 % * 63 750 кДж/м3[4];

Ц - оптовая цена на газ, которая на данный момент составляет 5,56 руб./ м3 (в данном случае цифра берётся, исходя из среднерыночных цен на рынке).

о с

СЦ <

п <

По результатам подсчёта, цена на газ будет равняться 5,9 руб./м3.

Следующим важным фактором в формировании стоимости «серого» и «голубого» водорода является водяной пар. Однако, показатели будут разные для разных типов водорода, стоимость считается по формуле:

Се(Ьэ - Ь^ш) = Сэ, где: Се - Стоимость энергии (руб./кВт-ч) -5,17 р. за кВт-ч [5];

Сэ - Удельная стоимость пара (руб./т) -11236,2 (р./т)

Нэ - Энтальпия пара при давлении в котле (кДж/кг) -11660 кДж/кг;

Ь^ш - Энтальпия питательной воды (кДж/кг) -15340 кДж/кг.

Таким образом, стоимость пара соответствует значению 11,2 руб./кг.

Для производства «жёлтого» водорода используется деионизированная вода, её стоимость 5 руб./кг (данные о стоимости деионизированной воды основываются на среднерыночной оптовой цене).

«Серый» водород будет производиться ещё какое-то время, если технологии утилизации оксидов углерода не будут экономически оправданы и тренд на экологичность окажется слабым

Молекула водорода Источник:сап(оге(погтапё1е.(г

Исходя из нашей оценки можно сделать вывод, что наиболее привлекательным для потребителей по ценовому фактору будет являться «серый» тип водорода, так как он дешевле. А вот «жёлтый» водород вряд ли будет пользоваться спросом на международных рынках, поскольку его цена намного выше конкурентной. Однако, формирование спроса будет зависеть не только от ценового фактора, но и от текущих мировых тенденций, в том числе уровень «экологичности» конечного продукта. Был проведён анализ по количеству выбросов при производстве каждого типа производства. Исходя из этого был получен коэффициент понижения или повышения спроса на каждый тип водорода, данный коэффициент представлен в таблице 3.

Таблица 2. Подсчёт себестоимости производства 1 кг водорода по известным качественным показателям

с;

о

сц <

Тип водорода Необходимое сырьё на 1 кг продукции Количество необходимой энергии на 1 кг продукции, кВтч Средняя стоимость 1 кг водорода, $/кг

«Голубой» природный газ (4,15 м3/ч) (98,5 % метана состав газа); водяной пар (7,47 м3/ч) 16,719 2.041

«Серый» Природный газ (4,15 м3/ч) (98,5 % метана состав газа); водяной пар (7,47 м3/ч) 13,719 1,8

«Жёлтый» Деионизированная вода-10 кг 58,41 4,72

(ЦЛ„)/р + сз*а о *ц

+0 *Ц =Ц „ где: Р - плотность

энерг^ энерг ^ сред! п

+ П *Ц =ц

энерг^ энерг ^ средЗ

Тип водорода Коэффициент спроса Стоимость на единицу продукции после учёта коэффициента

«Голубой» 1 2,04

«Серый» Коэф. пониж. 0,6 3

«Жёлтый» Коэф. повыш. 1,4 2,9

Таблица 3. Оценочный коэффициент понижения спроса и его учёт в стоимость на единицу продукции

Таким образом, при учёте трендов (в том числе экологического воздействия на окружающая среду), мы видим уже явное преимущество «голубого» водорода по отношению к конкурентам. Также важно отметить, что мы анализируем именно стоимость производства, на самом же деле продаваться водород потребителям будет по более дорогой цене, чтобы проект был рентабелен. На данный момент не существует данных о приблизительном спросе на каждый из типов водорода, однако, по нашей оценке, процентное соотношение рынка будет выглядеть, как представлено на рис. 2.

Наиболее привлекательным для потребителей по цене является «серый» Н2, так как он дешевле. А вот «жёлтый» водород вряд ли будет пользоваться спросом на рынках из-за неконкурентной цены

Для получения данных по производству «серого» и «голубого» водорода была смоделирована технология паровой конверсии природного газа с разделением оксидов углерода в программе Aspen Hysys [б], так как в нашем примере отличие «серого» и «голубого» водорода заключается только в использовании технологии утилизации оксидов углерода.

Моделирование установки парового риформинга метана с выделением водорода

Моделирование технологической схемы установки паровой каталитической конверсии проводилось нами в профильном программном обеспечении Aspen HYSYS при помощи термодинамического пакета Peng-Robinson и соответствующего набора химических реакций. В модели задавался состав исходной газовой смеси, представленный в таблице, наборы конверсионных реакций и расход сырьевого потока -14500 м3/ч, поток перегретого водяного пара для паровой конверсии с расходом 26090 м3/ч. Соотношения материальных потоков (пара к сырью 2:1) регулируются с помощью оператора SET. Для удовлетворения температурным требованиям про-

Рис. 2. Процентное соотношение спроса на водород

■ «Зелёный» водород «Жёлтый» водород ■ «Серый» водород ■ «Голубой» водород

Компонент % моль

Азот - Ы2 0,0087

Диоксид углерода - С02 0

Метан-СН4 0,9872

Этан - С,Н6 2 6 0,004

Пропан - С3Н8 0,0001

и-Бутан - ¡-С4Н10 0

н-Бутан - п-С4Н10 0

и-Пентан - ¡-СсН,, 5 12 0

н-Пентан - п-СсН,, 5 12 0

Угарный газ - СО 0

Водород -Н2 0

Вода - Н20 0

Таблица 4. Исходные данные по составу компонентной смеси

цесса в модели были созданы нагреватели потоков пара и газа, после которых данные потоки смешиваются и идут в конвекционную зону. Данные части модели представлены на рис. Зи4.

Производство «зелёного» водорода в России не рассматривается из-за слабо развитого сектора возобновляемой энергетики и больших экономических возможностях других типов производства Н2

После, газ проходит через блок разделения водорода от оксидов углерода и непрореагировавших компонентов, представленный на рис. б. Данный блок состоит из сепарации, абсорбции и мембранного разделения прореагировавшей смеси. Мембранное разделение было сделано и с использованием аппарата Component Splitter, где был задан перепад давления на мембране 0,4 МПа.

Была получена модель паровой конверсии природного газа с блоком выделения водорода из синтеза-газа (состав синтез-газа показан в таблице 5), представленная на рис. 7. Данная модель позволяет получить материальный и тепловой балансы процесса, а также получение геометрических показателей аппаратов, использованных в модели.

После этого была смоделирована реакционная зона печи, состоящая из трёх последовательных реакторов конверсии с котлами-утилизаторами, представленными на рис. 5, через которые проходит поток.

Вывод

В результате выполнения данной работы с помощью модели была получена информация и был проведен сравни-

Рис. 3. Блок нагрева и смешения сырья с водяным паром

Рис. 4. Конвекционная камера реакционной печи

о

СЦ <

Рис. 5. Зона радиации печи каталитической конверсии метана

ШЫв

Рис. 6. Стадия сепарации, абсорбции и мембранного разделения синтез-газа

Hydgrogen

Membrana

СО

6ШП

Ii V"

}

ST-l

4-

«С

"ЛЙ1 rjifcM с i

к 1 Л , „jT.

т im —Jf wn i ■ im i щ

T1 -W | |

^ ¿1

fl-TII »nt ™ w

RinS ff CrtBfHö M*

R-1

Uli M * ji iew

Ai

HH | Pni У :*иы ам

Рис. 7. Технологическая схема паровой каталитической конверсии метана с конечным получением водорода

п <

тельный экономическим анализ разных типов водорода, благодаря чему был сделан прогноз структуры спроса на будущем мировом рынке водородного энергоносителя. По нашему прогнозу можно сказать, что «зелёный» водород вместе с «голубым» водородом займёт лидирующие позиции на мировом рынке, а большую долю спроса он будет составлять на европейском рынке.«Серый» водород будет производиться ещё какое-то время, если технологии утилизации оксидов углерода не будут экономически оправданы и тренд на эколо-гичность окажется слабым. «Голубой» водород будет сохранять в ближайшее время первые позиции за счёт менее энергоемкой технологии производства водорода методами конверсии и пиролиза углеводородов.

Мы считаем, что сценарий развития «голубого» водорода является наиболее перспективным для России за счет богатой сырьевой базы и значительного опыта предприятий в производстве синтез-газа методом паровой конверсии метана. Благодаря использованию данной технологии есть потенциал развития производства дешевого «голубого» водорода в больших количествах с использованием мембранной технологии отделения оксидов углерода от полученного водорода.

Таблица 5. Компонентный состав синтез-газа

^ Компонент % масс

X 1- Азот - Ы2 0,0175

X Диоксид углерода - С02 0,0001

о Метан-СН4 0,3487

СЦ Этан-С,Н6 2 6 0,0101

< Пропан - С3Н8 0,0002

о ш и-Бутан - ¡-С4Н10 0,0001

X X н-Бутан - п-С4Н10 0

1- ш и-Пентан - ¡-СсН„ 5 12 0

1_ IX н-Пентан - п-СсН,, 5 12 0

ш л Угарный газ - СО 0,1358

т Водород - Н2 0,4821

Вода - Н20 0,0055

Производство водорода из метана наиболее перспективно для РФ

Источник:

34651047_х1-2015 / Depositphotos.com

Использованные источники

Источник с нулевым выбросом. - URL: https:// rg.ru/2020/ll/25/rossiia-vyjdet-na-mirovoj-rynok-vodoroda. html

Что такое низкоуглеродная энергетика, сколько стоит водород и когда мировая экономика станет водородной? - URL: https://oiicapital.ru/article/general/10-09-2020/vodorod-epoha-vozrozhdeniya

Цены на газ для промышленных потребителей. - URL: http://gas-kostroma.ru/ciients/cprice.htmi

Экспериментальные и расчетные значения теплотворной способности. - URL: http://chemanaiytica.com/book/novyy_ spravochnik_khimika_i_tekhnologa/12_obshchie_svedeniya/6087 Россия обошла США и догоняет Европу по реальной стоимости электроэнергии. - URL: https://www.kommersant. ru/doc/4187282

Обзор систем моделирования и инженерных расчётов, применяемых в нефтегазовой отрасли. - URL: http://sfsamgtu. com/epa/docs/ITiOvNGO/4.2.pdf

п <

с; о с

СЦ <