82

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬСПЕЦВЫПУСК № 1 | 750 | 2017 г.

ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

Изменение климата – тема, в последние годы активно обсуж-даемая в самых широких кругах, в том числе на политической арене. Для решения задач со-хранения климата 13 ведущих энергетических, транспортных и промышленных компаний – ENGIE, Royal Dutch Shell, Total, Alstom, Linde Group, Toyota, BMW GROUP, Daimler, Honda, Hyundai Motor, Kawasaki, Air Liquide, Anglo American – объединили усилия для запуска новой энергетиче-ской модели на основе водорода. С этой целью 17 января 2017 г. в Давосе был учрежден Водород-ный совет (Hydrogen Council) [1]. Данная инициатива заключает-ся в инвестировании дополни-тельных средств в ускоренное

В статье рассмотрены технология производства и перспективы применения высокоэффективных водородсодержащих энергоносителей, производимых из природного газа. Сформулированы инновационные направления экономии природного газа и охраны окружающей среды, позволяющие на базе отработанных промышленных процессов и катализаторов создать эффективную технологию по производству метано-водородных смесей (МВС) с содержанием водорода до 40–48 %.Уникальные свойства водорода обеспечивают возможность повышения КПД тепловых двигателей, причем реальный цикл двигателя при работе на водороде существенно ближе к теоретическому, чем на любом углеводородном топливе. Применение метано-водородного топлива способствует снижению токсичности выбросов, объема выбросов парниковых газов, эксплуатационного расхода топлива и повышению эксплуатационной экономичности промышленных процессов. Рассмотрены преимущества использования энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для получения водорода из природного газа и использования в дальнейшем МВС.

УДК 662.76

О.Е. Аксютин, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ)

А.Г. Ишков, ПАО «Газпром»

К.В. Романов, ПАО «Газпром»

Р.В. Тетеревлев, ПАО «Газпром», R.Teterevlev@adm.gazprom.ru

В.Г. Хлопцов, ООО «Газпром геотехнологии» (Москва, РФ)

В.А. Казарян, ООО «Газпром геотехнологии»

А.Я. Столяревский, НИЦ «Курчатовский институт» (Москва, РФ)

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВОДОРОД, МЕТАНО-ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО, МЕТАНО-ВОДОРОДНАЯ СМЕСЬ, ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ, НИЗКОУГЛЕРОДНАЯ ЭКОНОМИКА,

АДИАБАТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МЕТАНА, ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА, ТОКСИЧНЫЕ ВЫБРОСЫ.

ПОТЕНЦИАЛ МЕТАНО-ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К НИЗКОУГЛЕРОДНОЙ ЭКОНОМИКЕ

развитие и коммерциализацию водородных технологий (рис. 1). В настоящее время ежегодные инвестиции перечисленных ком-

паний в водородные технологии составляют 1,4 млрд евро в год и будут значительно увеличены в ближайшее время.

Выпуск на рынок и ввод в эксплуатацию

НИОКР

Члены Совета по водородным технологиям в течение ближайших 5 лет планируют инвестировать в эти технологии по меньшей мере 1,9 млрд евро/год

Капиталовложения в освоение рынка и вывод на рынок новой продукции постоянно растут, способствуя ускорению коммерциализации

В прошлом

2005–2014

В будущем

2018–2022

В настоящем

2016–2017

1,4

1,9

1,1

Рис. 1. Объемы планируемых капиталовложений участников Совета по водородным технологиям, млрд евро/год

83

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬСПЕЦВЫПУСК № 1 | 750 | 2017 г.

Водород является надежным и универсальным источником чи-стой энергии, обладает большим потенциалом как инструмент ре-ализации перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике.

На сегодняшний день в мире распространено несколько про-мышленных способов получения водорода, наиболее доступным и дешевым из которых считается паровая конверсия метана. Одна-ко разработанная в России новая технология адиабатической кон-версии метана существенно упро-щает промышленный процесс получения МВС, поскольку не требует производства кислоро-да, энерго- и капиталозатратного электролиза воды, происходит при более низких температурах (до 680 °С) и построена на отра-ботанных в крупнотоннажной хи-мии технологических решениях, режимах и катализаторах.

Наиболее перспективным рын-ком использования МВС является топливно-энергетический ком-плекс. Стимулом для развития данного направления может стать применение МВС для внутренних нужд газовой промышленности в целях повышения эффективно-сти как добычи, так и транспор-тировки природного газа.

В настоящее время применение технологий получения МВС на про-мыслах может рассматриваться прежде всего в целях нормализа-ции газового сырья и повышения эффективности использования на месторождениях так называемых жирных газов (газа стабилизации, попутного газа с малодебитных, труднодоступных и низконапорных месторождений), транспортиров-ка которых оказывается нерента-бельной.

Применение технологии ади-абатической конверсии метана для получения МВС на промыс-лах позволит не только обеспе-чить вовлечение водорода в традиционную энергетику, но и в значительной мере избавит от необходимости предварительно-го отбензинивания и фракцио-

нирования природного газа на сложных и капиталозатратных установках, создать малотон-нажные производства метанола.

На рис. 2 представлена схема технологического процесса ади-абатической конверсии метана. После смешения природного газа с водяным паром образо-вавшаяся парогазовая смесь (ПГС) поступает на нагрев в вы-сокотемпературный технологи-ческий теплообменник (ВТТ), а затем с температурой 640–680 °С направляется в заполненный ка-тализатором двухсекционный адиабатический реактор и да-лее, с водяными парами, – в котел утилизатора для удаления влаги.

На выходе из котла утилизато-ра получается очищенная МВС. В ряде технологических примене-ний, например в описанной ниже схеме «Тандем», МВС с водяными парами без удаления влаги на-правляется в камеру сгорания газотурбинной установки [2].

В н а с т о я щ е е в р е м я в ПАО «Газпром» создана опытная установка по получению МВС производительностью 1000 нм3/ч (рис. 3). В этой установке темпе-ратура нагрева ПГС не превышает 700 °С, что позволяет получать МВС с высоким содержанием водорода.

Сконструированный блок по производству МВС превосхо-дит мировые аналоги подобных

Рис. 2. Технологическая схема адиабатической конверсии метана

Теплоноситель ВТТ Теплоноситель

2-я секция

Котел утилизатора

Вода

Выход МВСВвод природного газа

1-я секция

50 % расхода

ПГС

Рис. 3. Общий вид установки производства МВС

84

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬСПЕЦВЫПУСК № 1 | 750 | 2017 г.

ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

установок по всем основным по-казателям (производительность, содержание водорода в смеси, удельный расход энергоресур-сов, количество вредных выбро-сов). Разработка позволяет повы-сить степень конверсии метана, уменьшить тепловые затраты, продлить срок использования катализатора адиабатического реактора.

Проведенные в 2016 г. исследо-вания показали, что применение МВС, полученной на установке, позволит существенно улучшить эмиссионные показатели газо-турбинных установок с выходом при высоких значениях коэффи-циента избытка воздуха на низ-кие значения токсичных выбросов NOx (11 мг/м3) с одновременным резким снижением СО (20 мг/м3). При этом выбросы основного пар-никового газа СО2 снижаются на 30 %1. Наличие водорода в основ-ном контуре горелки существенно (приблизительно в 2 раза) расши-ряет диапазон устойчивой работы по скорости воздуха в горелке, а также по применению газа с отно-сительно высоким содержанием водяного пара.

Для тиражирования указанной технологии планируется изгото-вить объединенный эксперимен-тальный комплекс, состоящий из трехгорелочного отсека камеры сгорания газотурбинного двига-теля, соединенного с блоком по производству метано-водородно-го топлива, в целях проведения цикла исследований всех экс-плуатационных режимов камеры сгорания, приближенных к усло-виям перекачки природного газа по магистральным газопроводам.

Необходимо отметить, что при создании на компрессорных или электрических станциях блоков утилизации тепла к современным газотурбинным установкам, ра-

1 При использовании метана в каче-стве топливного газа ГПА (с нагнета-телем НЦ16-76/1.44) объем выбросов СО2 составит 6,2 т на 1 млн м3 перека-чиваемого газа, а при использовании МВС в качестве топливного газа ГПА (с нагнетателем НЦ16-76/1.44) – 4,4 т.

ботающим на основе адиабати-ческой конверсии метана (техно-логия «Тандем»), эффективность установок может быть повышена на 50 %, а при подключении те-пловых отопительных нагрузок по-лезное использование газа может быть доведено до 60–62 % при резком снижении эмиссионных показателей ниже 10 ppm по NOx.

Использование МВС в газохи-мии для получения различной продукции может оказаться пер-спективным в случае применения способа и установок адиабатиче-ской конверсии метана для про-изводства синтез-газа как осно-вы газохимических процессов. Особенно эффективен этот путь при создании централизованных сетей транспортировки МВС от источников с низкой себестои-мостью получения энергии.

На транспорте опытная эксплу-атация автомобилей на МВС пока-зала перспективность перевода автомобилей на метано-водород-ное топливо с содержанием во-дорода 5–10 % по массе (20–40 % по объему). При этом токсичность выбросов снижается более чем в 2–4 раза по сравнению с при-родным газом, эксплуатацион-ный расход топлива снижается на 35–40 %.

Учитывая современные тен-денции развития ВИЭ, газовая отрасль уже взяла на себя роль по обеспечению устойчивости энергообеспечения, нивелируя

неравномерность работы ВИЭ. Но природный газ также имеет дополнительные перспективы по «аккумулированию» электро-энергии, произведенной ВИЭ. Так, в последнее время в европейских странах, в частности в Германии, появились пилотные проекты по производству водорода путем электролиза воды за счет энер-гии ВИЭ с последующим добав-лением полученного водорода в газотранспортную сеть – Power- to-Gas. Разработаны нормати-вы безопасного использования водорода совместно с природ-ным газом, что также создает базу для развития водородной энергетики. Однако технология Power-to-Gas остается дорогой и нерентабельной и может быть оптимизирована за счет исполь-зования энергии ВИЭ для полу-чения водорода из природного газа. Данное решение позволит снизить энергоемкость процес-са получения водорода в 5 раз и, следовательно, представляет-ся как экономически, так и тех-нически более эффективным, позволит получить значимый си-нергетический эффект в целях устойчивого развития энергети-ческого сектора (рис. 4).

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать основ-ную концепцию развития но-вой энергетической модели на основе водорода следующим образом:

• использование в качестве топлива не чистого водорода, а МВС (что дешевле на порядок), производимой из природного газа;

• применение для производства МВС процесса адиабатической конверсии метана;

• обеспечение внедрения дан-ной технологии в качестве пилот-ного применения на объектах га-зовой отрасли;

• в целях повышения эффек-тивности транспортировки газа создание при газотурбинном при-воде установки компактно-блоч-ного исполнения по производству

85

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬСПЕЦВЫПУСК № 1 | 750 | 2017 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доклад Водородного совета (Hydrogen Council) «Роль водорода в переходе к новой энергетической модели», 2017 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://hydrogeneurope.eu/wp-content/uploads/2017/01/20170109-HYDROGEN-COUNCIL-Vision-document-FINAL-HR.pdf (дата обращения: 17.05.2017).

2. 2. Aksyutin O., Ishkov A., Romanov K., at al. New Methane-Hydrogen Fuel Technology and its Potential Application in the Gas Industry. Development and Innovation in Focus All Eyes Turn to Perth for LNG 18. Report of the International Gas Union, April–September 2016, P. 74–76 [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.igu.org/sites/default/files/igu_apr2016_layout_lo-res%20%281%29.pdf (дата обращения: 17.05.2017)

тройной смеси: «природный газ – водород – водяной пар»;

• использование энергии, про-изводимой ВИЭ, для получения МВС/водорода из природного газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕЧастичное замещение потреб-

ляемых в различных сферах де-ятельности углеводородов МВС в настоящее время является важным шагом в стратегической политике на пути перехода к во-дородной энергетике и низко-углеродной экономике. Исполь-зование МВС, в том числе на компрессорных станциях на про-мыслах газовых месторождений, в газохимии, а также в качестве высокотехнологического энерго-носителя для экспорта является перспективным направлением диверсификации и повышения эффективности использования природного газа.

В России разработана техно-логия адиабатической конверсии метана, производящая метано-во-дородное топливо с содержанием водорода до 48 %. Данная тех-нология существенно упрощает промышленный процесс получе-ния водорода, поскольку не тре-бует производства кислорода и происходит при более низких температурах (до 680 °С).

Интеграция технологий утили-зации теплоты уходящих газов и низкотемпературной адиабатиче-ской конверсии метана позволит создать газотурбинную установку нового типа с высокими энергети-ческими и экологическими пока-зателями (технология «Тандем»). В этом случае увеличение мощно-сти газотурбинной установки (по сравнению с традиционным об-разцом) может достигать 70–80 %, снижение расхода топлива соста-вит 35–40 % при одновременном резком снижении эмиссии NOx

(в 4–8 раз) и выбросов СО (до 10 раз), а объем выбросов СО2 снизится на 30 %.

Использование энергии, про-изводимой ВИЭ, для получения водорода из природного газа по-зволит уменьшить энергоемкость процесса получения водорода в 5 раз по сравнению с энерго- и капиталозатратным процессом электролиза воды.

Технология адиабатической конверсии метана является наи-более экономичным способом получения водорода и в буду-щем может стать базовой для новой энергетической модели на основе водорода. Кроме того, учитывая актуальность климати-ческой тематики в актуальной политической повестке дня, ме-тан может служить основой для перехода к низкоуглеродной эко-номике, т. е. с минимальным ко-личеством выбросов парниковых газов.

Рис. 4. Энергоемкость производства водорода при адиабатической конверсии метана в сравнении с электролизом

POWER-TО-GAS ЭЛЕКТРОПЕРЕГРЕВ ПАРА

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ

Э Н Е Р Г О Е М К О С Т Ьдля производства 1 м3 водорода

АДИАБАТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ МЕТАНА

БОЛЬШИЕ КАПИТАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ И СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПО ВОДОРОДУ В 4–5 РАЗ (НА 1 кВт·ч)

ГИБКОСТЬ ПОСТАВОК СЫРЬЯ (МЕТАНА)ВЫСОКИЕ МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ