Дешевый водород

Существенная часть того, чем занимаются прикладные науки и инженерия, — решение проблем. Источников проблем два — природа сама по себе и предшествующие человеческие действия. Поэтому всегда можно ожидать, что наши действия по решению какой-либо проблемы вызовут возникновение новой проблемы. Тем более ценны те редкие случаи, когда удается найти одно решение для каких-либо двух проблем. В этом случае мы создаем себе некий экзистенциальный кредит, защиту от неожиданностей, запас прочности. Именно это удалось сделать авторам данной работы.

Посреди четвертого перехода

Структура мировой энергетики на наших глазах изменяется, и темп изменений увеличивается. Наиболее серьезный анализ перспективных направлений и подходов к развитию современной мировой энергетики предложил чешско-канадский ученый Вацлав Смил.

Именно он придумал термин «энергетический переход», который стали активно использовать. Это переход к качественно новой схеме построения энергетических систем, в частности — к замене основного источника энергии. Первый энергетический переход — это замена дров на уголь. В период с 1840 года по 1900-й доля угля в общем объеме потребления энергоресурсов увеличилась с 5% до 50%, уголь стал основным источником энергии. Второй переход — на нефть, ее доля в мировом энергобалансе с 1915 года до 1975-го увеличилась с 3% до 45%. Третий переход привел к широкому использованию природного газа. Его доля за счет частичного вытеснения угля и нефти с 1930 года по 2020-й выросла с 3% до 23%. Похоже, что этот переход не закончился, но тут подоспел следующий.

Четвертый энергетический переход происходит прямо сейчас, его лозунг — «Рост благосостояния без угля, нефти и урана». Эта идея была сформулирована в 1980 году, в немецком Институте прикладной экологии. Она привлекла к себе внимание отчасти в результате аварий на Чернобыльской АЭС и на «Фукусиме». Элементом идеологии стало развитие мировой экономики без ущерба для экологии.

Всемирная Парижская конференция 2015 года по климату предложила цель — ограничить рост температуры на планете к 2050 году в пределах 2°С. Считается, что для этого необходимо к 2050 году сократить использование имеющихся запасов углеводородных топлив до 10% от современного. Это означает, что примерно 80% разведанных мировых запасов угля, 50% природного газа и 30% нефти должны будут к тому моменту остаться неиспользованными.

Не все специалисты поддерживают теорию антропогенного влияния на изменения климата на Земле, но значительная часть стран, в том числе и Российская Федерация, ратифицировали решения Парижской конференции, поскольку все они — лишь рекомендации. В том числе — по сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу путем перехода к «зеленой» энергетике с использованием возобновляемых источников энергии. Для выполнения таких рекомендаций нужно не только более активно использовать существующие технологии, но и разрабатывать новые.

Электростанция в подвале

В мировой энергетике с середины семидесятых годов началось движение в сторону распределенного энергоснабжения. Это ситуация, когда источник энергии располагается неподалеку от потребителя. Подобная схема позволяет значительно экономить энергоресурсы, и вот почему.

При централизованном энергоснабжении невозможно на электростанции осуществить так называемую «когенерационную» схему получения энергии — когда производится и тепло, и электричество. То есть энергетики были бы рады это делать, но электрическую энергию можно передавать на значительные расстояния, а тепловую не далее 20–25 км, и то с большими потерями.

Чтобы было понятно, какова «цена вопроса», — две цифры. При когенерационной схеме коэффициент использования топлива составляет 0,8–0,85, а если производится только электрическая энергия, что обычно реализуется при централизованных системах, то лишь 0,4–0,45.

При централизованном энергоснабжении, при больших мощностях турбин и генераторов топливо доставляется в больших объемах от крупных месторождений. При распределенном энергоснабжении надо использовать местные ресурсы — торф, древесные и сельскохозяйственные отходы, отходы человеческой жизнедеятельности. Возить их дальше 50 км экономически не целесообразно.

Использование отходов интересно и само по себе. Прогресс в любой области связан с созданием новых технологий, а они — с возникновением отходов, которые могут плохо влиять на экологию. А иногда проблемой может стать и нечто известное и традиционное. К примеру — навоз.

В дореволюционной России существовал баланс между отходами сельского хозяйства (навозом скота и птиц) и потребностью в удобрениях. Эта пара «балансировала» при урожайности 15–16 центнеров зерновых с гектара, то есть весь образующийся навоз использовали в виде удобрений. С тех пор урожайность возросла до 40–60 центнеров с гектара. Потребление мяса на душу населения возросло в два раза, и в разы увеличились объемы образующихся отходов животноводства. Кроме того, создана химическая индустрия, которая производит более удобные в использовании удобрения. Баланс между площадями пахотных земель, урожайностью и количеством отходов жизнедеятельности нарушен.

Навоз в качестве удобрения сегодня используется в значительно меньших объемах, тогда как его огромные запасы, расположенные практически повсеместно, никак не утилизируются, представляя собой серьезную опасность для окружающей среды. Как только сказано «повсеместно», возникает вопрос — нельзя ли его использовать как топливо для распределенной энергетики? Кстати, кизяк как топливо используется вполне традиционно.

Однако человечество создает много разных отходов, не только этот.

Гимн повсеместности

Одно из возможных решений задачи переработки отходов, — которые в этом случае приобретают гордое имя «ресурсы», — использовать их в качестве топлива для объектов местной распределенной энергетики. Тогда мы можем использовать когенерационные схемы получения энергии с увеличением КПД чуть ли не вдвое (цифры приведены выше). Биомасса привлекательна с точки зрения зеленой энергетики. Растения поглощают диоксид углерода, который в том же количестве выделяется при гниении и горении биомассы. Таким образом, при утилизации биомассы любого происхождения нет негативной нагрузки на окружающую среду. В России сосредоточено порядка 46–48% мировых запасов торфа, около 25% древесины, и существенную часть всего этого можно использовать.

Но есть и другой ресурс. В прошлом году в России собрано около 145 млн тонн зерновых культур — это примерно 250 млн тонн соломы. Минимум половину этого сжигают. По теплотворной способности это примерно трехлетняя добыча Канско-Ачинского угольного бассейна. Но этот уголь надо возить на большие расстояния к местам, где он будет использоваться, а топливо из соломы вполне годится для местной распределенной энергетики непосредственно в тех местах, где эта солома образуется. При этом мы экономим на перевозках.

Согласно нашим оценкам, энергетическая утилизация различных видов биомассы, в том числе различного вида отходов, образующихся ежегодно, позволит производить примерно 70–80% потребляемой энергии, одновременно снижая уровень загрязнения окружающей среды биомусором.

Итак, необходимо разрабатывать новые технологии, обеспечивающие энергетическую утилизацию отходов различных видов. При этом было бы особенно соблазнительно получать… да, именно водород.

Вернемся к водороду

Последние два столетия основные научные и инженерные изыскания в энергетике — это попытки улучшить использование ископаемого топлива. Исследования в области энергетического использования местных топливно-энергетических ресурсов почти не проводились.

Известны две технологии получения энергетического газа при термической переработке биомассы: пиролиз и газификация. Основные принципы этих процессов известны более 150 лет, широкого промышленного использования нет. При пиролизе, то есть нагреве перерабатываемого материала без доступа окислителя, продукты реакции состоят из твердой, жидкой и газообразной фаз. Однако в одном горелочном устройстве трудно одновременно использовать твердое, жидкое и газообразное, а разделять фракции сложно. С приемлемыми экономическими показателями эта задача не решена. При пиролизе можно получить энергетический газ с теплотворной способностью до 5 000 ккал/м³. Однако теплота сгорания газообразной фазы не превышает 25% от энергии, аккумулированной в перерабатываемой биомассе.

Что касается газификации, то мы получаем то, что называется «синтез-газ», но его теплотворная способность не выше 1 300 ккал/м³, а адиабатическая температура горения — 1 400°С. Он не больше чем на 30–40% состоит из горючих компонентов, в основном водорода и оксида углерода, остальное — азот. Использование газа с низкой теплотворной способностью в современных энергетических агрегатах, рассчитанных на высокие тепловые нагрузки, нерационально.

Еще одна проблема — наличие в получаемом газе высокомолекулярных соединений, то есть смол. В процессах газификации это около 200 мг/м³, а по нормам на газ для двигателей внутреннего сгорания надо не более 50 мг/м³. При более высоком содержании возможно образование углеродных отложений в устройствах.

Итак, для энергетического использования продуктов газификации биомассы нужна экологически безопасная технология, газ не должен содержать жидкую фазу, иметь высокую теплотворную способность и поменьше смол.

Знакомьтесь — это опытная установка конверсии биомассы. Она позволяет из 1 кг биомассы получить 1–1,5 м³ синтез-газа, на 90% состоящего из CO и H2. Опыт работы у нее уже есть. И все, что положено иметь хорошей установке — компьютер, контроль и регулирование параметров, защиты и блокировки

Что удалось

В Институте высоких температур РАН разработана новая технология термической конверсии биомассы с получением высококалорийного газового топлива. Она позволяет из 1 кг биомассы получить 1–1,5 м³ синтез-газа, на 90% состоящего из CO и H₂. Калорийность этого газа 2 500–3 000 ккал/м³, адиабатическая температура горения 1 900–2 000°С. Потребители сего продукта смотрят на такие цифры с большим удовлетворением. При этом соотношение объемных долей H₂/CO может изменяться обычно в пределах 1–3 в зависимости от вида сырья, его предварительной подготовки, а также режима переработки, а жидкой фазы получается не более 40 мг/м³.

Содержание водорода в получаемом газовом топливе зависит от перерабатываемой биомассы. Если это осадки сточных вод и кора деревьев, то соотношение H₂/CO оказывается 2–3. Таким синтез-газом с повышенным содержанием водорода можно заместить дорогостоящий водород, получаемый по традиционным технологиям. Из этого продукта можно делать и биобензин: из 1 кг осадков сточных вод — 154 г биобензина с октановым числом 92.

Важно, что все перечисленные процессы переработки биомассы не нарушают природного баланса по углероду и обеспечивают полную углеродную нейтральность.

Синтез-газ, получаемый по нашей технологии, может быть топливом для когенерационных газопоршневых установок, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. Промышленного производства газопоршневых установок на топливе с высоким содержанием водорода пока нет ни у нас в стране, ни за рубежом. Их разрабатывают во многих исследовательских центрах мира. Здесь две главные проблемы — возникновение детонационных режимов и так называемое водородное охрупчивание металлов, работающих в атмосфере водорода при повышенных температурах. Первую проблему мы решили, над второй работаем. Одно из возможных решений — использование водород-метановых смесей.

Что касается денег, то дело обстоит так. При использовании паровой каталитической конверсии природного газа себестоимость получаемого водорода в России — 1,7 долл./кг; в странах Европейского Союза (ЕС) — 2,5–3,0 долл./кг; в странах Азиатского тихоокеанского региона (АТР) — 3,2–3,7 долл./кг. Но конверсия дает не только водород, но еще и большое количество СО₂. Если учесть затраты на его улавливание и захоронение, то себестоимость водорода увеличивается, ориентировочно, в 1,5 раза, то есть в РФ — до 2,6 долл./кг.

При использовании другой технологии — газификации каменного угля — себестоимость водорода в России составляет 2,6 долл./кг, в странах ЕС — 4–6 долл./кг.

А вот себестоимость синтез-газа, получаемого по нашей технологии, равна 15,4 руб./кг, или, при курсе доллара (на момент написания статьи) 70 руб./долл., — 0,22 долл./кг.

В заключение напомним: использовать биомассу в виде топлива экономически оправданно только для распределенной энергетики, потому что местные топливно-энергетические ресурсы нерационально возить на расстояния больше 50 км. В этом случае затраты на перевозку нивелируют выгоды от использования распределенных, то есть местных, энергетических систем.

Доктор технических наук
В.М. Зайченко

Ограниченный объем статьи не позволил о многом рассказать. Контакты с автором и разработчиками: Зайченко Виктор Михайлович, zaitch@oivtran.ru