ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
FJ
HYDROGEN ECONOMY
Статья поступила в редакцию 05.03.11. Ред. рег. № 952 The article has entered in publishing office 05.03.11. Ed. reg. No. 952
К 50-летию ОИВТ РАН
УДК 620.97; 620.92; 536.7; 547.2
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ОИВТ РАН В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С.П. Малышенко
ОИВТ РАН 125412 Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2 E-mail: h2lab@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 25.03.11 Заключение совета экспертов: 10.04.11 Принято к публикации: 15.04.11
Приведен обзор исследований и разработок ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики, подготовленный в связи с 50-летием Объединенного института высоких температур РАН.
Ключевые слова: водородная энергетика, энергоэффективность, аккумулирование энергии, покрытие неравномерностей графика нагрузки, водородо-кислородный парогенератор, металлогидриды, хранение водорода, очистка водорода, водородная безопасность.
JIHT RAS RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE FIELD OF HYDROGEN ENERGY TECHNOLOGIES
S.P. Malyshenko
Joint Institute of High Temperatures RAS 13/2 Izhorskaya st., Moscow, 125412, Russia E-mail: h2lab@mail.ru
Referred: 25.03.11 Expertise: 10.04.11 Accepted: 15.04.11
The review on research and development of hydrogen energy technologies carried out in Joint Institute of High Temperatures of Russian Academy of Sciences is dedicated to the 50-years anniversary of the Institute.
Keywords: hydrogen energy, energy efficiency, energy accumulation, peak load management, hydrogen-oxygen steam generator, metal hydrides, hydrogen storage, hydrogen purification, hydrogen safety.
Введение
Проблема использования водорода как перспективного экологически чистого и универсального энергоносителя и аккумулятора энергии в различных отраслях народного хозяйства была сформулирована в начале 70-х годов прошлого столетия после первого нефтяного топливного кризиса. Стало ясно, что необходима разработка новых экологически приемлемых энергетических технологий, основанных на использовании возобновляемых энергоисточников, атомной энергии, угля и универсальных экологически чистых энергоносителей, способных заменить
невозобновляемые энергоресурсы по мере их истощения и удорожания. В 1974 г. была создана Международная ассоциация водородной энергетики, задачей которой стало объединение и координация усилий ученых и специалистов различных областей науки и техники разных стран в развитии этого нового направления.
В 1975 г. правительством страны было поручено Академии наук СССР подготовить заключение о целесообразности развития в нашей стране НИОКР по водородной энергетике. В этой связи при Отделении физико-технических проблем энергетики АН СССР по инициативе академика А.Е. Шейндлина была соз-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
дана временная рабочая группа по водородной энергетике под руководством академика М.А. Стырико-вича, задачами которой являлись комплексное изучение проблемы и определение главных направлений исследований и разработок для условий нашей страны. Базовым институтом рабочей группы стал ИВТАН. В течение 1976-1977 гг. членами рабочей группы и возглавляемыми ими коллективами в академических и отраслевых институтах и вузах были выполнены аналитические, технико-экономические и экспериментальные исследования, подготовлены материалы к докладу по проблемам водородной энергетики и проведено их широкое обсуждение. В 1977 г. на основе рабочей группы была образована Комиссия АН СССР по водородной энергетике, на которую была возложена функция межведомственного координатора НИОКР по проблеме. В 1978 г. был подготовлен и издан доклад Комиссии «Основные проблемы водородной энергетики» [1]. В нем была сформулирована концепция развития водородной энергетики в нашей стране и основные задачи НИОКР на близкую и отдаленную перспективу. В течение следующих 14 лет Комиссия осуществляла эффективную координацию работ в области водородной энергетики в масштабах страны, поскольку в состав Комиссии входили практически все руководители разработок водородных технологий в стране, в том числе по ведомственным программам (в выполнении координационных планов НИОКР участвовало более 50 организаций). Руководили работой Комиссии М.А. Стырикович, В.А. Легасов и Э.Э. Шпильрайн, базовыми институтами, обеспечивающими ее эффективную работу, стали ИАЭ им. И.В. Курчатова и ИВТАН.
Следует отметить, что водородная тематика не являлась для Института новой. В 1960-1970-е годы в Институте был выполнен значительный объем рас-четно-теоретических и экспериментальных работ по исследованиям теплофизических свойств водорода: термодинамических свойств в идеально-газовом состоянии, свойств диссоциирующего водорода и водородной плазмы, вязкости и теплопроводности газообразного водорода, уравнения состояния жидкого и газообразного нормального и пара-водорода и изотопных эффектов в свойствах молекулярного водорода. В результате этих работ были созданы таблицы и диаграммы теплофизических свойств водорода в широком диапазоне параметров состояния (от тройной точки до весьма высоких температур, соответствующих плазменному состоянию при давлениях до 50 МПа). В основном эти работы выполнялись Институтом в рамках хоздоговоров и по ряду причин их результаты были опубликованы в открытой печати лишь в относительно небольшой части [2-7]. В последующие годы исследования теплофизических свойств водорода и его изотопов в основном были посвящены свойствам низкотемпературной плазмы водорода и дейтерия при температурах до 30000 К [8], а также свойствам водорода в экстремальных
состояниях: при температурах ~ 1 К, соответствующих переходу в сверхтекучее состояние и при мега-барных давлениях [9, 10].
Исследования и разработки ИВТАН в области водородной энергетики в современном понимании проблемы были начаты в 1975 г. и проводились вначале в соответствии с решением ОФТПЭ АН СССР о подготовке доклада по проблеме, а в дальнейшем - в соответствии с координационными планами. На первом этапе до конца 80-х годов в Институте были выполнены расчетно-теоретические, экспериментальные и технико-экономические исследования перспективных технологий производства, хранения, транспортировки и использования водорода. Разработана общая термодинамическая теория термохимических циклов производства водорода из воды
[11], предложена и экспериментально обоснована новая технология паровой и углекислотной конверсии метана в трубах с чередующимися инертной и каталитической насадками, позволяющая осуществлять процесс с соотношением окислитель/метан 1,11,3 и избежать образования сажи в трубчатых печах
[12], выполнен анализ эффективности технологий производства и хранения водорода как вторичного энергоносителя в энергетике [13-15], разработана термодинамика различных циклов водородных энергоустановок [16-19]. В этот же период специалистами ИВТАН была написана первая на русском языке монография, охватывающая все аспекты водородной энергетики [20]. В результате этих работ были определены наиболее эффективные технологии использования водорода как вторичного энергоносителя и аккумулятора энергии в энергетике и сформулированы задачи создания нового оборудования для реализации этих технологий. После ликвидации Комиссии по водородной энергетике в Академии наук со второй половины 90-х годов работы ОИВТ РАН в этой области выполняются в рамках государственных (федеральных) целевых программ [21-23].
Современный этап работ ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики по программам Минобрнауки РФ ориентирован на решение задач развития ТЭК страны, сформулированных в Энергетической стратегии РФ и решениях Правительства РФ. В этих документах в перспективе до 2030 г. планируется увеличение доли АЭС и электростанций парогазового цикла (ПГУ) в Европейской части страны, строительство угольных ТЭС на суперсверх-критических параметрах (ССКП), увеличение доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергобалансе, развитие распределенной генерации на основе местных (в том числе возобновляемых) источников энергии. Одной из основных научно-технических проблем, возникающих при решении этих задач, является создание энергоэффективных технологий аккумулирования электроэнергии, обеспечивающих покрытие неравномерностей графика нагрузки и замыкание баланса мощности в системах энергообеспечения [24, 25]. Исследования и разра-
ботки новых технологий водородного аккумулирования энергии и создание экспериментальных образцов нового оборудования - одно из основных направлений работ Лаборатории водородных энергетических технологий (ЛВЭТ) ОИВТ РАН.
При водородном аккумулировании электроэнергии водород (и кислород) производится электролизом воды за счет избыточной электроэнергии от первичного источника в часы провала графика нагрузки, направляется в хранилище и по необходимости используется для производства дополнительной электрической мощности в турбоустановках или электрохимических генераторах (топливных элементах). При сжигании водорода в кислороде производство электроэнергии осуществляется в паротурбинных энергоустановках, при сжигании его в воздухе - в газотурбинных или парогазовых. Анализ термодинамической эффективности водородосжигающих энергоустановок [18-20, 26-28] показывает, что КПД использования водородного топлива при правильной организации процесса может достигать 60% и выше, т. е. оказывается близким к КПД топливных элементов. Поэтому сравнительная эффективность и области применения систем водородного аккумулирования энергии с использованием ЭХГ или турбоуста-новок определяются капиталовложениями в их создание, уровнем мощности и особенностями системной интеграции с источниками первичной энергии различного уровня мощности [28].
Эффективные уровни мощностей
электрохимических генераторов и турбоустановок
Преобразование эксергии водорода в электроэнергию может осуществляться различными методами: в результате электрохимических реакций в электрохимических генераторах, в термодинамических процессах в паротурбинных, газотурбинных и комбинированн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.