Водородный вклад в экономику будущего

Мир готовится к переходу на низкоуглеродную экономику. Крыловский ГНЦ работает над развитием судовых систем электродвижения на основе водородной энергетики - созданы опытные образцы и разработаны технологии, позволяющие применить эти наработки для энергообеспечения Арктической инфраструктуры.

Низкоуглеродная экономика – это образ будущего мировой экономики. Пока не ясно, какие технологии получат наибольшее распространение. Однако, очевидно, что водород становится фаворитом среди новых глобальных энергоносителей, и вскоре начнет конкурировать с углем, нефтью и газом. В последние годы в мире резко возрос интерес к водороду как к горючему и энергоносителю. Прежде всего, из-за  того, что  среди прочих видов топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду. Кроме этого, водород – универсальный вид энергоресурса, который может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях. Помимо этого при использовании водорода возможна аккумуляция электроэнергии. Поэтому интерес к этому источнику энергии возродился.

Наряду с другими странами, Россия включилась в высокотехнологичную водородную гонку. В июле 2020 года Минэнерго разработало и направило в правительство «дорожную карту» «Развитие водородной энергетики в России» на 2020–2024 годы, рассказал РБК представитель министерства. В соответствии с документом Россия планирует производить и экспортировать водород – в связи с мировым трендом на отказ от углеводородной энергетики из-за ее негативного влияния на климат и экологическую ситуацию.

«Дорожная карта» предусматривает совершенствование нормативной базы и техрегулирования производства, транспортировки, хранения и использования водорода, а также поддержку реализации пилотных проектов в области производства водорода. По данным издания, в конце года чиновники разработают концепцию развития водородной энергетики, а также меры поддержки пилотных проектов по производству водорода.

В начале 2021 года должны появиться стимулы для экспортеров и покупателей водорода на внутреннем рынке. Конкретные меры поддержки для водорода правительство пока не обсуждает,  говорят два участника совещаний на эту тему.

Водородный задел

Попытки использовать водород в качестве энергоносителя ведутся уже давно, в том числе и в России. В стране есть научно-технический задел для того чтобы конкурировать с мировыми разработками в этой сфере. Так, направление водородной энергетики (НВЭ) филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» было создано в 1978 году в составе «Специального конструкторского бюро котлостроения». Работа велась под контролем и при поддержке Военно-промышленной комиссии при Совете министров СССР. Это позволило в короткие сроки создать кооперацию из порядка 30 специализированных предприятий и к 1984 году разработать проекты энергоустановок для четырех различных морских объектов – «Кристалл-10», «Кристалл-20», «Кристалл-30» и «Кристалл-40», доведя их до разного уровня готовности, от эскизного проекта «Кристалл-30», до опытного образца «Кристалл-10». В 1985 году финансирование всех проектов, кроме «Кристалл-20», было прекращено. В сложных экономических условиях, скудного с задержкой финансирования в 1991 году была разработана, изготовлена и испытана первая отечественная энергоустановка на топливных элементах для штатной неатомной малой подводной лодки (МПЛ) «Пиранья» (рис. 1).

В 2000 году разработан технический проект более современной по сравнению с ЭУ «Кристалл-20» энергоустановки на топливных элементах с интерметаллидным хранением водорода и криогенным хранением кислорода, и в 2002 году создан действующий прототип ЭУ «Кристалл-27» (см. рис. 1).

Помимо этого, специалисты филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» разработали Концепцию развития воздухонезависимых энергоустановок (ВНЭУ) на топливных элементах для неатомных подводных лодок (НАПЛ). На основе этих разработок создана мощная всережимная ЭУ, работающая на конвертированном на борту НАПЛ жидком органическом топливе.





Рис. 1 – История разработок ВНЭУ для НАПЛ


В 2000-х годах начались опытно-конструкторские работы для стационарной и транспортной энергетики гражданского назначения (рис. 2 и 3). В итоге было разработано техническое предложение на ВНЭУ с генерацией водорода на борту и создан опытный образец водородно-кислородной батареи топливных элементов мощностью 50 кВт.







    
   Таким образом, филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» является единственной организацией в России, располагающей научно-техническим заделом по двум основным технологиям энергоустановок на топливных элементах:

- технологии генерации водорода из органического топлива;

- технологии создания батарей топливных элементов с твердополимерным электролитом для ЭУ киловаттного и мегаваттного классов (рис. 4).

Энергоустановки данного типа являются экологически чистыми и это особенно актуально в свете последних тенденций, направленных на сохранение экологического потенциала Арктики и очистку её территории от различного рода загрязнений. Энергоустановки на топливных элементах имеют огромный потенциал для применения в условиях Крайнего Севера, так как они могут эксплуатироваться до 12 месяцев в автономном режиме, обладают значительным ресурсом и высокой манёвренностью по мощности, надёжны.

Крыловским центром проведён ряд НИОКРов по созданию водородных энергоустановок киловаттного и мегаваттного классов, в результате которых были созданы опытные образцы и разработаны технологии, позволяющие применить эти наработки для энергообеспечения Арктической инфраструктуры.

Продолжается разработка энергоустановки на топливных элементах (ЭУТЭ)  для стационарных и транспортных применений. По оценкам специалистов, энергоустановки киловаттного класса оптимальны для применения при энергоснабжении вахтовых посёлков и геологических экспедиций, а также в качестве вспомогательных и резервных. Также данные ЭУ идеально подходят для автономного энергоснабжения навигационной инфраструктуры Арктического региона и для энергоснабжения газотрубопроводной инфраструктуры.

Сейчас предприятие в тесном взаимодействии с дочерней компанией ПАО «Газпром» разрабатывает такую энергоустановку для обеспечения объектов газовой отрасли. Помимо этого, прорабатывается возможность оснащения ЭУТЭ объектов навигационного контроля акватории Обской губы.

Энергоустановки на топливных элементах мегаваттного класса также найдут своё применение в Арктике. Они позволят обеспечить электроэнергией и теплом населённые пункты, находящиеся за Полярным кругом, которые не интегрированы в единую электроэнергетическую систему страны. Водородные энергоустановки обеспечивают наилучшее решение таких задач и имеют ряд преимуществ по сравнению с дизель-генераторными электростанциями, аккумуляторными источниками тока и газопоршневыми электростанциями.

Отдельное внимание уделяется разработкам водородных энергоустановок для транспорта, так как есть особенности, связанные с их безопасной эксплуатацией и условиями хранения водорода на борту транспорта. Однако такие решения были найдены, что подтверждают результаты опытной эксплуатации и тесты макетного образца  энергоустановки для рельсового транспорта, который был смонтирован в 2019 году в Санкт-Петербурге на одном из серийных трамваев. В перспективе такими установками могут быть оснащены грузовые машины, погрузочно-такелажная техника и рельсовый транспорт, задействованные в обслуживании портовой инфраструктуры. Для таких установок в 2015 году созданы водородно-воздушные батареи БТЭ-50К мощностью 50 кВт. На базе таких батарей можно сделать энергоустановку большой мощности для судов, работающих в условиях, требующих экологической чистоты, например, в городских акваториях, портах, в Арктике и Антарктике.

Также рассматривались варианты использования водорода на портовом буксире мощностью около 400 кВт,  прогулочном судне для городских рек и каналов. Опыт и компетенции специалистов позволяют приступить к созданию автономного функционального модуля мощностью в несколько сотен киловатт, который можно устанавливать на любом транспортном средстве - и на судне, и на троллейбусе либо на трамвае и автобусе. То есть создать  универсальную единицу для формирования энергоустановок с ТЭ кратной мощности.

На основе проведенных исследований и разработок филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» специалисты прогнозируют в ближайшие 3-5 лет создание в России в секторе гражданской морской техники двух типов энергоустановок с ТПТЭ по уровню мощности:

- ЭУ с ТПТЭ киловаттного класса с базовым модулем мощностью                10 кВт и возможностью создания ЭУ мощностью до 50 – 100 кВт;

- ЭУ с ТПТЭ мегаваттного класса с базовым модулем мощностью               250 кВт и возможностью создания ЭУ мощностью до 4 – 5 МВт.

Коммерческое использование ЭУ на основе твердооксидного топливного элемента (ЭУ на основе ТОТЭ) в России прогнозируется не ранее чем через 5-7 лет.

Разработанные в филиале «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» технологии топливных элементов и технологии эффективного получения водорода из углеводородного топлива имеют потенциал диверсификации в автономную распределенную стационарную электроэнергетику и электрификацию всех видов транспорта.

Материал подготовлен на основе информации, предоставленной ФГУП «КГНЦ»