I.1.8. Перспективные энергоносители

Значительный рост мирового энергопотребления является неизбежным в XXI веке, особенно в развивающихся странах. Потребление энергии, по всей видимости, удвоится к середине века, даже если исходить из низких темпов роста. Этот рост зависит от развития мировой экономики, увеличения населения и стремления к более справедливому и равномерному распределению энергии по регионам мира.

Глобальное обострение ресурсных, экономических, экологических и политических проблем, порождаемых современным способом производства энергии, настоятельно требует поиска принципиально новых источников энергии. Углеводородное топливо будет продолжать служить главным источником энергии в ближайшие десятилетия. До 2020 г. его доля в потреблении первичных ресурсов останется на уровне 90 %, потому что на него ориентирована инфраструктура современного производства и потребления энергии. Однако напряженность на рынке нефти и газа возрастает, освоенные месторождения углеводородного топлива исчерпываются, а введение в оборот новых запасов требует все больших инвестиционных затрат. Следствием этого должны стать постепенные изменения в инфраструктуре энергопроизводства, обусловленные как экономическими (изменением цен), так и природоохранными факторами, а также дальнейшим развитием новых источников энергии.

Энергетическая безопасность останется одним из ключевых факторов, определяющих политику многих стран, особенно имеющих небольшие запасы ископаемых видов топлива. Использование природного газа-энергоносителя, который во многих странах выбран в качестве основного на ближайшую перспективу, вероятно, буде связано с увеличением роли геополитического фактора в формировании баланса предложения и спроса по мере роста потребности в производстве электроэнергии.

В последнее десятилетие большое внимание в международных дискуссиях уделялось экологическим последствиям использования ископаемого топлива. И электроэнергетика, и транспорт характеризуются существенными атмосферными выбросами, которые приводят к локальной, региональной и глобальной деградации окружающей среды и ухудшению здоровья людей. Введение глобальных ограничений на выбросы парниковых газов и региональные ограничения на другие загрязнители атмосферы серьезно повлияют на структуру мировой энергетики.

Решение этих проблем не возможно без атомной энергетики. В мире имеется достаточное количество ядерных материалов для обеспечения потребностей атомной энергетики в топливе на многие десятилетия, однако, в дальнейшем при крупномасштабном развитии она столкнется с ограниченностью ресурсов дешевого урана. В связи с этим придется неминуемо реализовать способность ядерной энергии к расширенному воспроизводству топлива при использовании в качестве сырья урана и тория. Расширенное воспроизводство и замыкание ядерного топливного цикла с повторным использованием воспроизводимого топлива практически неограниченно увеличивает ресурсы ядерного топлива. В настоящее время атомная энергетика прочно занимает свою нишу в сфере производителей энергии.

Роль и место высокотемпературных

реакторов в атомной энергетике

Ресурсные и экологические ограничения будут неизбежно стимулировать ускоренное развитие атомной энергетики в текущем столетии. Кроме уже освоенной ею сферы производства электроэнергии, атомная энергетика может также поставлять высокопотенциальное технологическое тепло для промышленности и производства водорода из природного газа, а, в конечном счете, из воды. Ожидаемые масштабы неэлектрического использования ядерных реакторов будут определяться стратегией решения проблемы исчерпания основных наиболее дешевых запасов природных углеводородов, необходимостью сокращения эмиссии парниковых газов и успешностью разработок соответствующих реакторных технологий для замещения углеводородов в неэлектрических секторах энергопотребления, на транспорте и крупнотоннажных отраслях промышленных технологий. На роль ядерного энергоисточника, способного обеспечить развивающееся человеческое общество экологически чистой и высокопотенциальной энергией, реально претендует высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР), обладающий уникальными свойствами:

- возможностью достижения уровня температур теплоносителя на выходе из реактора до 1000 °С;

- возможностью достижения высоких КПД при использовании прямого газотурбинного цикла и, следовательно, снижения теплового и радиационного воздействия на окружающую среду;

- принципиальными преимуществами в отношении обеспечения безопасности;

- возможностью перехода ВТГР с одного топливного цикла на другие с использованием разных типов топлива (U, Pu, Th, MOX) без изменения конструкции активной зоны и основных компонентов установки;

- возможностью модульного исполнения блока с широким диапазоном мощности модуля (от малого до среднего уровня) и варьированием мощности атомной станции набором модулей;

- возможностью сжигания долгоживущих актинидов.

Проектные проработки, выполненные в нашей стране, и анализ зарубежного опыта показывают, что возможность снабжения промышленности высокотемпературным теплом с температурой на уровне 750 – 1000 ^оС, вместо сжигания органического топлива, может быть решена за счет использования ВТГР. Области применения таких реакторов в качестве источников теплоты в технологических процессах показаны на рис. I.13.

В ВТГР уже достигнут уровень температур на выходе из активной зоны около 950 °С, при котором оказывается возможным применение тепловой энергии ядерного реактора для различных высокотемпературных процессов в металлургии, нефтепереработке, химии и других отраслях народного хозяйства. В промышленности, в зависимости от конкретного технологического процесса, температура потребляемого тепла лежит в достаточно широком диапазоне: от 150 - 200 ^оС до 1000 ^оС и выше.

Рис. I.13. Потенциальные возможности ВТГР

в качестве источников теплоты

Для целей снабжения промышленной сферы и транспорта, исходя из данных по энергопотреблению, доля ВТГР в общем балансе могла бы составить ~ 25 %, что соответствует потенциальным потребностям в нескольких сотнях установок мощностью 200 и 600 МВт. Потребности промышленности в тепловой энергии характеризуются соотношениями:

- черная металлургия 19 %;

- цветная металлургия 5 %;

- производство синтетического топлива 9 %;

- химическая промышленность 15 %;

- нефтедобыча 9 %;

- нефтехимическая и нефтепереработка 8,5 %;

- другие отрасли промышленности 36 %.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что по своим технологическим возможностям высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем могут иметь свою нишу в структуре крупномасштабной ядерной энергетики.

Изучение путей обеспечения энергетической безопасности и улучшения экологической ситуации развивающегося мира показывает, что кардинальное решение этой глобальной проблемы необходимо связывать с разработкой и осуществлением концепции, предусматривающей крупномасштабное производство на базе ядерной энергетики не только электроэнергии и тепла, но и водорода с последующим его использованием для разнообразных нужд человека.

Разработка технологии ВТГР открывает новый сектор рынка для атомной энергетики в сфере неэлектрического применения и в частности в водородной энергетике.

Атомно-водородная энергетика

Внимание к атомно-водородной энергетике вызвано, прежде всего, тем, что водород – наиболее перспективный энергоноситель, обладающий универсальностью, высокой энергоемкостью и идеальной экологичностью – единственным продуктом его сгорания является водяной пар. Водород рассматривается сегодня и как самый перспективный вид моторного топлива, в первую очередь – для автотранспорта, доминирующего в структуре потребления жидкого топлива промышленно развитых стран.

Анализ рыночного потенциала водорода показал, что структура потребления водорода в странах с развитой экономикой примерно идентична. Наиболее крупными потребителями водорода (до 90% общего объема его производства) в настоящее время являются химическая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности. Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений (получение аммиака). Определяющее значение имеет использование водорода в многочисленных процессах органического синтеза, как в виде метанола, так и непосредственно реагента. Особое место водород занимает в нефтепереработке (гидрокрекинг, гидроочистка), способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов – углеводородных топлив с повышенной теплотворной способностью и уменьшенными вредными выбросами от их сжигания. Потребность нефтепереработки в водороде на 1998 год составляла около 1 % от объема перерабатываемой сырой нефти, причем имеет место тенденция неуклонного увеличения указанной доли [18]. Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья. Косвенное использование остальной части в энергетических целях главным образом относится к обеспечению нагрева для проведения технологических процессов, как правило, с одновременным участием водорода в химических реакциях.

Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика. Комбинация «жидкий водород (топливо) – жидкий кислород (окислитель)» обеспечивает максимальное выделение энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений.

Масштабы и структура мирового рынка водорода в XXI веке показаны на рис. I.14 [19, 20].

Рис. I.14. Масштабы и структура мирового рынка

водорода в XXI веке

Разработанная в нашей стране в начале 70-х годов ХХ века концепция широкого использования производимого из воды с помощью ядерных реакторов водорода как энергоносителя в промышленности, энергетике, на транспорте и в быту получила название атомно-водородной энергетики [20].

Ядерная энергетика обладает неограниченными ресурсами топлива. При производстве электричества, тепла и водорода она оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду. К этим преимуществам добавляются такие особенности водорода, как:

- неограниченные запасы сырья (воды) для получения;

- удобства использования и транспортировки в качестве энергоносителя;

- отсутствие загрязнения окружающей среды при использовании для получения энергии;

- широкие масштабы промышленного потребления как химического реагента;

- возможность аккумулировать энергию при использовании в качестве энергоносителя.

Водород – наиболее распространенный элемент во вселенной. Он химически активен, редко присутствует как несвязанный элемент, обычно существует в комбинации с другими, например, с кислородом в воде, углеродом в метане и других органических соединениях. Как топливо он имеет высокое содержание энергии на единицу массы: 120,7 ГДж/т – выше любого органического топлива. При соединении водорода с кислородом в электрохимическом генераторе происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия.

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

Итак, можно определить концепцию атомно-водородной энергетики как

«вода на входе + чистая атомная энергия Þ водород Þ

Þ водород + кислород = чистая энергия + вода на выходе».

При реализации концепции атомно-водородной энергетики существенно возрастают возможности решения существующих проблем производства и потребления энергии в обществе. Концепция атомно-водородной энергетики предусматривает расширение использования ядерной энергии для энергоемких отраслей химической, металлургической, строительной, топливной промышленности и как следствие на транспорте.

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 энергетическим рынком в развивающие страны с неустойчивым режимом энергоресурсов в виде водорода и его производных вместо ядерных реакторов и ядерных материалов.

Развитие атомно-водородной энергетики потребует значительных усилий по изучению и разработке многих специальных для этого направления инновационных технологий, одной из которых являются высокотемпературные газовые реакторы. При освоении атомно-водородной энергетики должны быть решены проблемы водородной безопасности на всех звеньях обращения с водородом: при его производстве, хранении, транспорте, использовании.

Методы производства водорода

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов в основном осуществляется в мире из природных органических топлив. Основной технологией является паровая конверсия природного газа – метана (ПКМ) [21]. По данной технологии получают около 85 % производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой (более 80 %) эффективностью процесса, его реализацией на уровне крупномасштабного производства, сравнительно невысокой (на настоящий момент) стоимостью и отлаженной инфраструктурой транспортировки исходного сырья. Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане требуются пар и тепловая энергия при температурах 750-850 ⁰С, эти процессы происходят в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается до половины исходного газа. Сжигание природного газа приводит к загрязнению окружающей среды продуктами его сгорания. С целью экономии природного газа и снижения нагрузки на окружающую среду в России, США и Японии проводились и продолжаются разработки технологии паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора. Создание тандема (ВТГР+ПКМ) открывает путь широкого применения ядерной энергии в производстве водорода, а также другой продукции в энергоемких отраслях промышленности: крупнотоннажной химии и металлургии. Синтез-газ (СО+хН₂), получаемый на таком комплексе, может поставляться на производство аммиака, метанола, нефтепереработку, прямое восстановление железа. Территориальная модель такого комплекса (ядерно-конверсионного центра) состоит из ядерно-технологической части, вырабатывающей синтез – газ, который транспортируется к химико-технологической части производства, где этот газ используется для выработки конечной продукции. Масштабы подобных производств по теплоэнергопотреблению соизмеримы с достигнутыми в атомной энергетике мощностями энергоисточников.

Сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку и применение промышленных процессов с использованием воды в качестве исходного сырья для производства водорода. Среди способов получения водорода из воды с помощью ядерной энергии наибольший интерес представляют высокотемпературный электролиз, термохимические циклы или комбинированные термо-электрохимические циклы.

Термохимический процесс получения водорода с КПД до 50 % использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, например, в серно-йодном цикле, и требует подвода тепла при температуре на уровне 1000 ⁰С. В ведущих странах мира: США, Японии, Франции, Республике Корея и др. этому процессу уделяется особое внимание как потенциально эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Источником тепла при термохимическом разложении воды служит высокотемпературный газоохлаждаемый реактор. На отдельных стадиях процесса такого типа наряду с термическим воздействием для отщепления водорода может использоваться электролиз участвующих в процессе химических реагентов. В случае комбинации термохимии с электролизом или при электролизе, в том числе высокотемпературном, ядерный реактор служит источником и высокотемпературного тепла и электроэнергии.

Высокотемпературный электролиз это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара, делая процесс более эффективным. Для температур ниже 900 ⁰С разработана концепция стыковки ВТГР с высокотемпературными электролизерами, позволяющая иметь суммарный к.п.д. производства водорода из воды до 50 %.

Из разработанных и рассматриваемых на перспективу методов получения водорода только термохимические (включая ПКМ) и высокотемпературные электрохимические технологии обеспечивают эффективность на уровне до 50 % (в случае ПКМ – практически до 100 %), что и определяет их возможный отрыв по конкурентоспособности в сравнении с альтернативами.

Из анализа технологий производства водорода следует, что эффективность производства водорода зависит от эффективности производства потребляемой энергии и уровня температур используемой теплоты. При производстве водорода необходимо также обеспечить приемлемо низкий уровень радиоактивного загрязнения получаемого продукта. Технические решения такого энергокомплекса должны сводить к минимуму или исключить взаимодействия его ядерной и водородной частей. Это требование должно обеспечиваться внутренне присущими свойствами реактора, соответствующим выбором схемы передачи тепловой энергии, конструкцией комплекса и архитектурно-строительными решениями. Приоритетное внимание должно уделяться также достижению более низкой стоимости водорода по сравнению с традиционными способами.

Реализация высокоэффективных технологий производства водорода возможна при создании адекватного по температурным возможностям ядерного энергоисточника с температурой нагрева теплоносителя до 1000 ^оС с высоким уровнем безопасности. Одним из наиболее перспективных источников тепловой энергии, способных обеспечить столь высокую температуру теплоотвода к технологии получения водорода из воды, является высокотемпературный ядерный реактор с гелиевым теплоносителем.

Опыт создания реакторов ВТГР

Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, ввиду уникальности их свойств, привлекли внимание разработчиков ядерных установок более 40 лет назад. Первые успехи в этой области приходятся на середину 1960-х годов, когда были созданы экспериментальные ВТГР небольшой мощности: Peach-Bottom (США) и AVR (Германия). Peach-Bottom проработал более 10 лет, AVR - более 20 лет, показав надежную работу, высокую надежность и безопасность, низкий уровень радиоактивного загрязнения первого контура, устойчивость в переходных режимах, способность длительно получать температуру гелия на выходе из реактора до 950 ^оС.

В 1970-е годы были построены и введены в эксплуатацию первые энергетические реакторы этого типа: FSV (США) и THTR-300 (Германия) электрической мощностью около 300 МВт. Эти реакторы находились в эксплуатации до второй половины 1980-х годов.

В Японии в 1998 г. введен в эксплуатацию экспериментальный реактор HTTR, на котором исследуются технологии применения реакторов этого типа для получения высокопотенциального тепла, промышленного теплоснабжения и испытаний блока генерации электроэнергии в газотурбинном цикле. Ведутся исследования технологий получения водорода из воды на основе серно-йодного цикла. К 2007 году предполагается соединение реактора HTTR и экспериментальной установки получения водорода в провинции Оараи. JAERI, Toshiba, Mitsubishi в рамках правительственной программы разрабатывают коммерческую установку GTHTR мощностью 300 МВт (эл.) с высокотемпературным реактором и газотурбинным циклом.

В Китае в 2003 г. начата эксплуатация экспериментального реактора HTR-10, на котором изучаются как реакторные технологии, так и возможности будущего их коммерческого использования. Реактор выведен на полную мощность 29 января 2003 г. Ведутся работы по подготовке исследований на этом реакторе прямого газотурбинного цикла с вертикальной турбомашиной (разработанного совместно с ОКБМ). Планируется установка этой системы преобразования энергии в 2007 г. Проводится разработка коммерческой АЭС с ВТГР (HTR-PM) c реактором с насыпной активной зоной мощностью около 450 МВт (т) и паровым циклом, предназначенной для производства электроэнергии и в перспективе водорода из воды и обессоливания морской воды в рамках консорциума с поддержкой НИОКР правительством Китая с вводом в эксплуатацию в 2011 г.

Компания ESKOM продолжает разработки установки с ВТГР – PBMR мощностью около 400 МВт. Пуск демонстрационной установки в Куберге с реактором PBMR тепловой мощностью планируется на 2011 год. В настоящее время размещены заказы на изготовление основных компонентов установки в Японии, Германии и Испании. Правительство ЮАР анонсировало свое согласие на строительство 10 - 12 модулей PBMR. В ближайшем будущем планируется начать лицензирование этой установки, как в ЮАР, так и в США.

В соответствии с государственной программой корейская республика к 2020 - 2030 году планирует обеспечить около 20 % нужд автомобильного транспорта страны водородом, вырабатываемым на атомных станциях с ВТГР. Для этого предполагается к 2019 году завершить программу ОКР и демонстрации технологий и ввести в эксплуатацию демонстрационную установку NHDD с пилотной установкой по производству водорода производительностью 10000 м³/ч. Бюджет корейской программы атомно-водородной энергетики на сегодняшний день составляет 1 млрд. долларов США.

Промышленная группа AREVA в кооперации с Комиссариатом по атомной энергии Франции (CEA) и Европейским Союзом ведет разработку сверхвысокотемпературного реактора ANTARES мощностью 600 МВт с газотурбинным циклом для производства электроэнергии и водорода из воды. В рамках данной программы создаются экспериментальные стенды и установки как лабораторного, так и демонстрационного масштаба.

В настоящее время в ведущих странах мира США, Японии, Франции, Республике Корея и др. внимание к ВТГР связывается, в первую очередь, с их возможностью выработки высокопотенциального тепла для промышленного производства водорода из воды.

В России работы по ВТГР были начаты в 60-х годах прошлого столетия. В ОКБМ начиная с 1973 г. под научным руководством РНЦ «Курчатовский институт» был разработан ряд проектов опытно-промышленных ВТГР. Основные характеристики разработанных отечественных проектов реакторных установок (РУ) с ВТГР представлены в табл. I.14 [22].

Т а б л и ц а I.14