Водородная энергетика. Транспортировка водорода по композитным трубопроводам природного газа

ВОДОРОД | HYDROGEN

ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Водород самый распространенный элемент во Вселенной. Он применяется для различных целей в различных отраслях промышленности.

Водород в газовых горелках начали использовать на 60 лет раньше керосина, утверждают историки. Освещение газовыми фонарями улиц Лондона приписывают к 1798 году. В то время 30–40% газа приходилось на водород (остальное – метан и другие газы), получаемый в процессе высокотемпературного горения угля.

С середины XX века водород был интегрирован в технологии нефтепереработки, производства удобрений из природного газа (80%) и генерации электроэнергии (20%). Значительная часть водорода и сейчас используется для повышения качества удобрений (53%), нефтепродуктов (31%) и стали (8%) – в процессе гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов,  охлаждения генераторов на электростанциях, и конечно же – в водородной энергетике.

Водород, который в настоящее время используется, производится из ископаемого топлива, и с ним связано значительное количество выбросов CO₂.

Принято разделять водород на «серый» – из угля, нефти и газа, на «голубой» – ПГУ ТЭС или АЭС с технологией CCS, и на «зеленый» – из воды (ВИЭ). Согласно исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода является «серым» и «голубым», создавая огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов СО₂ всей экономикой России, и только 1% водорода считается «зеленым».

Зеленый водород (green hydrogen), производимый из возобновляемых источников энергии, ядерного или ископаемого топлива с помощью CCUS, может помочь в декарбонизации различных секторов. Объявлено и инициировано несколько проектов по производству экологически чистого водорода в разных странах мира.

Философский камень энергетики

Седрик Нейке, исполнительный директор Siemens AG Smart Infrastructure, охарактеризовал на Азиатском саммите водород как «философский камень энергетики» – универсальную субстанцию, которая превращает электричество в любой химический продукт и сама превращается в электричество.

Количество инновационных проектов с использованием водорода в области большой и распределенной энергетики, накопления энергии и всех видов транспорта, от автомобилей до самолетов и морских судов, переходит в статус серийных.

Создается ощущение, что именно сейчас, в 2020 годах, в мире происходит электрическая водородная революция. Она может привести к смене уклада энергосистем и постепенному формированию общего мирового рынка энергетики, как это уже случилось после сланцевой революции на газовом и нефтяном рынках в 2008–2013 годах.

Сейчас эксперты обсуждают, какой именно энергоноситель водород заменит в первую очередь: нефть на транспорте или уголь и газ в генерации.

Исполнительный директор Bloomberg New Energy Finance (BNEF) Джон Мур прогнозирует, что еще до 2030 года «зеленый» водород ценой чуть выше $2/кг начнет конкурировать с углем и природным газом в качестве энергоносителя при производстве стали, а к 2050 году при цене $1/кг станет выгоднее газа на мировых рынках и сможет конкурировать с самым дешевым углем, сохраняя нулевую эмиссию СО₂. По его мнению, за счет водорода произойдет своего рода окончательная электрификация мировой промышленности.

Рынок будет глобальным, возникнут крупномасштабные перевозки водорода, аналогичные тем схемам, по которым сейчас торгуется СПГ.

.

В России, где цены на уголь и газ для потребителя традиционно составляют в среднем порядка 50% от мировых,  к реалистичности этих прогнозов относятся с осторожностью. Тем более что «зеленый» водород, по прогнозам международного агентства возобновляемой энергетики IRENA, к 2025 году будет стоить $4–6/кг с перспективой снижения цен до $2/кг к 2040 году.

Исполнительный директор Vestas Asia Pacific Клайва Туртона видит будущее водорода в развитии топливных элементов как системы накопления энергии (в аммиаке как удобной для хранения и транспортировки форме водорода), которые к 2030 году, судя по прогнозу на Азиатском саммите, сравняются со средней ценой дизеля в мире.

Одна из ключевых проблем, связанных с использованием зеленого водорода, - это транспортировка. Преобразование зеленого водорода в жидкий водород, хранение и транспортировка с использованием LOHC (Liquid organic hydrogen carriers ) и транспортировка путем смешивания с природным газом являются ключевыми методами транспортировки зеленого водорода. Ряд проектов реализуются с использованием этих методов. С этими методами связаны различные проблемы.  Смешивание зеленого водорода в трубопроводах природного газа опробуется различными компаниями.

СМЕШИВАНИЕ ЗЕЛЕНОГО ВОДОРОДА В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

Зеленый водород можно смешивать в большинстве газовых сетей в количестве 6% по объему. Это может произойти при отсутствии чувствительных конструкций или установок на территории заказчика. Смешивание зеленого водорода может покрыть расходы на строительство специализированных водородных трубопроводов на ранней стадии развития рынка. После нескольких объявлений об установке электролизеров мощностью 100 МВт ожидается, что транспортировка по трубопроводам природного газа будет играть важную роль.

В различных странах допускаются разные доли водорода в природном газе (метане) – от 0,1% (Бельгия, Новая Зеландия, Великобритания и США) до 10% в Германии и 12% в Нидерландах. Верхний предел определяется национальными технологическими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов и генерирующего оборудования электростанций. Для масштабной европейской газотранспортной системы подмешивание 20% водорода, по данным МЭА, снизило бы выбросы СО₂ на 60 млн тонн в год (7%).

Например, проект Ameland, Нидерланды, не обнаружил, что смешение водорода до 30% создает какие-либо трудности для бытовых устройств, таких как газовые плиты для приготовления пищи.

Есть несколько разработок, включая анонсы проектов, запуск пилотных проектов, финансирование исследований, которые проводятся для выполнения смешивания зеленого водорода в трубопроводах природного газа.

Проект HyDeploy - испытание водорода в Кильском университете, Великобритания.

Это первый в Великобритании пилотный проект по введению зеленого водорода в газовую сеть, который будет использоваться для таких приложений, как отопление домов и предприятий. Использование 20% зеленого водорода в газопроводах является самым высоким показателем в Европе. Он питает 100 домов и 30 факультетов. Это проект стоимостью 7 миллионов фунтов стерлингов возглавляет Cadent в партнерстве с Northern Gas Networks.

Использование 20% экологически чистого водорода в газопроводах по всей Великобритании может сэкономить до 6 миллионов тонн выбросов CO₂ в год.

Именно на этот вариант развития энергетики и рассчитывают в «Газпром экспорте», предпочтительно с поставкой метана до страны-потребителе. В этом случае от компании не потребуется никаких существенных изменений.

Grhyd Project

ENGIE испытывает закачку зеленого водорода в газораспределительную сеть Le Petit Village во Франции и заправочную станцию ​​NGV для автобусов, расположенную в городском сообществе Дюнкерка. При начальной смеси 6% будет опробован зеленый водород, который со временем будет увеличен до 20%. Природный газ, смешанный с экологически чистым водородом, будет использоваться для обслуживания парка из 50 автобусов.

ARENA Австралийская газовая сеть

ARENA предоставила финансирование в размере 1,28 миллиона долларов австралийской газовой сети для создания Австралийского водородного центра (AHC) для изучения возможности добавления 10% водорода в сети природного газа для выбранных региональных городов в Южной Австралии и Виктории. AGN также реализует флагманский проект, который будет запущен к середине 2020 года, когда 5% зеленого водорода будет добавлено в газовую сеть для 710 домашних хозяйств в Митчелл-парке.

Snam  увеличил содержание водорода до 10%.

Snam удвоила объем водородной смеси в своей газотранспортной сети в Contursi Terme (Салерно, Италия) с 5% до 10%. Это было сделано всего через несколько месяцев после того, как 5% водородная смесь была введена в сеть природного газа для непосредственного снабжения двух компаний в Contursi. 10% водорода в сети природного газа может означать, что ежегодно в сеть вводится 7 миллиардов кубометров зеленого водорода. Это соответствует годовому потреблению 3 миллионов домашних хозяйств и приведет к сокращению выбросов CO 2 на 5 миллионов тонн.

Есть несколько других проектов, включая инициирование ATCO начала смешивания зеленого водорода в сети природного газа в Janadakot, Австралия, план Турции по тестированию впрыска зеленого водорода с 2021 года, проект зеленого водорода Westküste100 и австралийский проект HyPSA, которые являются пионерами в этом секторе..

ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЗЕЛЕНОГО ВОДОРОДА В ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

Низкая плотность энергии

Плотность энергии водорода составляет около 33% от плотности энергии природного газа, и поэтому 3% -ная смесь водорода в трубопроводе природного газа снизила бы содержание энергии, транспортируемой по трубопроводу, примерно на 2%. Это приведет к использованию конечными потребителями больших объемов газа для удовлетворения заданных потребностей в энергии.

Некоторые отрасли промышленности зависят от углерода, содержащегося в природном газе, им придется использовать большее количество природного газа.

Влияние на качество продукции

Изменчивость объема водорода, смешанного с потоком природного газа, может повлиять на работу оборудования, предназначенного для работы только с узким диапазоном газовых смесей. Оборудование с более низким допуском на использование газовой смеси будет определять допуск всей сети передачи. Ожидается, что одно из самых серьезных препятствий будет в промышленном секторе, где большая часть промышленного оборудования не оценивалась на предмет смешения водорода.

Гармонизация пределов смешивания для разных стран

В разных странах действуют разные пределы смешивания. Во Франции предел смешения водорода составляет 6%, в Великобритании - 0,5%, но для конкретного проекта HyDeploy он был увеличен до 20%. Для таких стран, как Австрия и Испания, предел смешивания варьируется от 4% до 6%. Поскольку торговля природным газом ведется на международном уровне, согласование лимитов на смешение в разных странах является важным аспектом для бесперебойной транспортировки.

Опасность распространения пламени

Водород горит быстрее, чем газообразный метан, и пламя во время горения не такое яркое, что может создать определенные трудности для обычных потребителей, и привести к риску распространения пламени.

Изменения требований к трубопроводам

Транспортировка водорода по стальным газовым трубопроводам потребует повышения качества очистки природного газа из-за усиления коррозийных процессов, и в дальнейшем, перехода на использование неметаллических композитных трубопроводов.

.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Успех различных текущих проектов по смешиванию водорода в сети природного газа может оказаться важным шагом на пути к развитию водородной экономики, поскольку смешивание позволяет избежать значительных капитальных затрат, связанных с разработкой новых технических решений для отдельной инфраструктуры передачи и распределения для водорода.

Согласно отчету МЭА (IEA) , в мире насчитывается почти 3 миллиона километров трубопроводов для транспортировки природного газа и почти 400 миллиардов кубометров подземных хранилищ, и если часть этой инфраструктуры может быть использована для транспортировки водорода, это может стать серьезным стимулом для разработка зеленого водорода.

В отчете МЭА также говорится, что транспортировка водорода путем смешивания его с трубопроводом природного газа, как правило, является более дешевым вариантом при транспортировке водород на расстояние менее 1500 км. А применение для транспортировки гибких композитных трубопроводов (металло-гибридных HFP и композитных  TCP-DGB с неметаллическим газовым барьером )  позволяет снизить затраты на инсталляцию по меньшей мере на 30%.

Это потребует изменение политики и нормативных актов, направленных на обеспечение более высоких уровней смешения. Это также должно включать стратегию замены (адаптации) оборудования в домах, офисах и на фабриках, которая помогут в дальнейшем использовании природного газа, смешанного с экологически чистым водородом.

Транспортировка водорода путем смешивания его с трубопроводом природного газа так же добавит ускорения развития композитной индустрии, особенно применению композитов с  газобарьерными свойствами.

В России  с водородам пока  могут работать только большие корпорации – окупаемость здесь не так важна, если будет возможность занять у государства на приемлемых условиях. Аналитики  полагают, что источниками производства водорода могли бы быть Кольская и Ленинградская АЭС, работающие не на полную мощность. Росатом активно проводит маркетинговые исследования. Тем более что у корпорации есть и дочерняя структура по ветрогенерации, и исследовательские институты по разработке энергоблоков малой мощности.

В России так же имеется большой ресурс научных разработок по топливным элементам (ТЭ), которые могут быть трансформированы в собственные технологии водородной энергетики.

В августе 2021 в России принята  Концепция развития водородной энергетики  до 2050 года. С  появлением первых реализованных проектов Россия вступит в клуб мировых технологических лидеров, а разработка отечественных аналогов или доработка технологий – это вопрос времени и инвестиций.

.

ЕВРОПЕЙСКИЙ ПЛАН СОЗДАНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА

Через неделю после того, как Европейская комиссия опубликовала свою Водородную стратегию Подчеркивая необходимость создания специализированной сети водородных трубопроводов, группа из 11 европейских газовых инфраструктурных компаний из девяти стран-членов ЕС объявила о плане создания специализированной водородной транспортной инфраструктуры.

В сотрудничестве с компаниями, занимающимися газовой инфраструктурой, Guidehouse запустила план European Hydrogen Backbone - отчет, в котором показано, как существующую европейскую газовую инфраструктуру можно модифицировать для транспортировки водорода по доступной цене. Отчет обсуждался на координационном веб-семинаре, который можно воспроизвести ниже.

Webinar Replay: Launch of the European Hydrogen Backbone

Отчет иллюстрирует постепенное появление сети водородных трубопроводов, которое ожидается к середине 2020-х годов. К 2040 году эксперты прогнозируют водородную сеть протяженностью 23 000 км, 75% которой будут состоять из переоборудованных газопроводов, соединенных новыми участками трубопроводов, на которые приходится оставшиеся 25%. Затраты оцениваются от 27 до 64 миллиардов евро, и ожидается, что в конечном итоге в рамках плана будут построены две параллельные газотранспортные сети: выделенная водородная сеть и выделенная (био) метановая сеть.

Консорциум состоит из Enagás, Энергинет, Fluxys Бельгия, Gasunie, GRTgaz, NET4GAS, НГЭ, ОНТРАС, Snam, Шведы, а также Terégaи предлагает другим европейским компаниям, занимающимся газовой инфраструктурой, помочь в дальнейшей разработке плана.

.

ДОКУМЕНТЫ
КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДО 2050 ГОДА. Распоряжение  Правительства РФ от 5 августа 2021 г.  № 2162-р.   Реализация национального потенциала  в области производства, экспорта, применения водорода и промышленной продукции для водородной энергетики ....
ВОДОРОДНАЯ СТРАТЕГИЯ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИ НЕЙТРАЛЬНОЙ ЕВРОПЫ. A HYDROGEN STRATEGY FOR A CLIMATE-NEUTRAL EUROPE Priority is to be given to green hydrogen, which is to be produced from renewable electricity; however, other production processes, e.g. using natural gas as a raw material or other fuels, should also be promoted on a transitional basis .....
ПЛАН ВОДОРОДНОЙ ПРОГРАММЫ МИНИСТЕРСТВА ЭНЕРГЕТИКИ США. HYDROGEN PROGRAM PLAN. US DEPARTMENT OF ENERGY (DOE) The programme is a coordinated DOE effort to advance the affordable production, transport, storage, and use of hydrogen across different sectors of the economy .....
ТРУБОПРОВОДЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА. HYDROGEN TRANSPORTATION PIPELINES IGC Doc 121/04/E, Globally harmonised document EIGA (European Industrial Gases Association)

По материалам International Journal of Hydrogen Energy 2021

Михаил Варзин

.

.

• Консультирование по вопросам создания производства композитных труб
• Разработка технических решений для производства TCP /RTP/TCP-DGB труб
• Эскизный и детальный инжиниринг оборудования для производства труб и фитингов
• Разработка бизнес-плана производства (завода) пластиковых труб и фитингов
• Проектирование трубного производства, завода
• Инжиниринг и организация поставки технологического оборудования, шеф-монтаж и ввод в эксплуатацию
• Технологическое и техническое сопровождение проектов
• Гарантийное и постгарантийное обслуживание
• Комплексная поставка завода для производства полимерно-композитных труб "под-ключ"

Консультации: +7 915 187-91-16, teo@teo.ru

.

.

.

.