Водородные процедуры: как работает первый в России стенд по отработке технологий получения метана

Научный дивизион «Росатома» в конце прошлого года ввел в эксплуатацию ОДУ‑150 — первую в России опытно-демонстрационную установку (стенд) для отработки технологий парокислородной конверсии метана. Перспективы неэлектрического применения атомной энергии в промышленности обсудили 13 января в протвинском филиале НИИ НПО «Луч», где расположен стенд.

Контекст

Водородная энергетика вошла в перечень приоритетных направлений научно-технологического развития «Росатома» в конце 2018 года. Научным руководителем направления стал академик Николай Пономарев-Степной. С 2021 года комплексная разработка ключевых решений в сфере водородной энергетики развернута в рамках инвестиционной программы «Росэнергоатома».

В соответствии с утвержденной Правительством России в августе 2021 года концепцией развития водородной энергетики наиболее эффективные методы производства водорода с низким углеродным следом — это электролиз воды с помощью электроэнергии от АЭС и возобновляемых источников и паровая конверсия природного газа с помощью тепловой энергии атомной энерготехнологической станции (АЭТС) с улавливанием углекислого газа.

В «Росатоме» разрабатывают технологии и оборудование для локального производства водорода на АЭС, его транспортировки и потребления. Это электролизные установки, компактные электрохимические энергоустановки на водороде, композитные баллоны высокого давления. Также разрабатываются технологии крупнотоннажного производства с использованием тепла АЭТС — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР), микросферическое топливо для него и химико-технологическая часть (ХТЧ) для производства водорода и водородосодержащих продуктов (прежде всего аммиака) методом парокислородной конверсии метана.

«Водород востребован в ряде индустриальных технологических процессов в химии, производстве удобрений, металлургии, транспорте. Спрос будет расти, потому что этим отраслям нужен дешевый чистый водород, выпущенный в полностью импортозамещенном технологическом цикле», — заявил на встрече в протвинском филиале «Луча» гендиректор «Росатома» Алексей Лихачев.

Исследовательская и испытательная база

Технология получения водорода из природного газа в мире давно известна. В российской газохимической промышленности в последние десятилетия применялись зарубежные решения. Последняя отечественная установка для производства аммиака была введена в эксплуатацию в середине 1980-х. «Росатом», поставив задачу выстроить атомный энерготехнологический комплекс для промышленности, вынужден был заняться не только ВТГР и топливом для него, но и ХТЧ.

Работы по ХТЧ в рамках инвестиционной программы «Росэнергоатома» начались с создания лабораторной установки. На ней исследуют катализаторы, обкатывают сорбционные процессы, проверяют расчеты.

ОДУ‑150 — следующий шаг в создании ХТЧ и использовании атомного тепла в промышленности. Это прототип промышленной установки в масштабе 1 : 1000. Его технологические модули — блок газоподготовки, котельная, воздухоразделительная установка, блок конверсии метана водяным паром (адиабатический риформер, парокислородный риформер, высокотемпературный рекуператор), блок средне- и низкотемпературной конверсии монооксида углерода, блок короткоцикловой адсорбции. Природный газ подается на стенд от передвижных автомобильных газовых станций. Конверсионный газ и водород подаются на свечу и рассеиваются в атмосфере.

На стенде испытывают критически важные компоненты установки, катализаторы и технологические процессы; на больших, чем в лаборатории, масштабах проверяют математические модели оборудования и техпроцессов.

Характеристики катализаторов, как объяснил научный руководитель научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по химико-технологическим процессам АЭТС, директор Института нефтехимического синтеза им. Топчиева РАН академик Антон Максимов, влияют на параметры товарной продукции и экономику техпроцесса: сколько потребуется пара, сколько — энергии, чтобы получить его.

Компоненты установки и программное обеспечение, которое управляет техпроцессами и накапливает информацию, спроектированы и изготовлены российскими организациями, в том числе отраслевыми.

Планы

В 2026–2028 годах разработчики планируют продолжать испытания, а также дополнить стенд модулями для отработки горения, аминовой очистки и оборудованием для производства аммиака.

Следующим этапом проекта может быть создание опытно-промышленной установки по заказу индустриального партнера, выразившего к ней интерес.

Параллельно с отработкой химико-технологических решений до конца 2028 года должны идти НИОКР по прочим направлениям АЭТС с ВТГР. После можно взяться за полноценное обоснование инвестиций и к 2030 году принять решение о переходе к инвестиционной фазе проекта АЭТС.

Промышленности могут пригодиться не только химико-технологические решения, но и другие разработки для АЭТС. Так, кроме высокотемпературного пара ВТГР может производить электроэнергию с рекордным, до 50 %, КПД при высоком уровне пассивной безопасности. Твэлы на основе микросфер (TRISO) в мире рассматривают как топливо для инновационных реакторных установок различного типа (с водо-водяным, жидкосолевым, газовым или иными теплоносителями) и назначения, включая малые модульные и транспортабельные. Предварительно аттестованные материалы и конструкторские решения (изотропный конструкционный реакторный графит, углерод-углеродный композиционный материал, жаропрочный высоконикелевый сплав, обеспечивающие высокий класс герметичности металлические уплотнения и проч.) могут быть востребованы в отраслевых проектах.