Водородный ветер

В журнале "Проблемы современной науки и образования" №1 за 2014 год вышла моя статья "Бессетевая энергологистика - идеи в энергетическую стратегию Азиатско-Тихоокеанского региона"

Материалу 3 года. Предполагалось сделать публикацию ещё до проведения саммита АТЭС во Владвисотке. Но, как говорится, "Быстро сказка сказывается, да не быстро дело делается". Впрочем, в России , даже сказка не быстро )))
Ну да, ладно. Статья есть.  Так что выкладываю её текст полностью.

К концу 1970-х — после открытия газовых месторождений в Сибири — была принята концепция так называемой «газовой паузы»:  переходного периода, во время которого  экономисты и ученые  должны были найти решение двух задач.  Первая из них —  обеспечить опережающий рост энергетики  по сравнению с промышленностью,  причем этот рост должен был состояться за счет генерации, работающей на газе. Ведь удельные капиталовложения в генерирующие мощности на этом виде топлива существенно ниже, чем в мощности на угле или ядерном топливе.  Вторая задача — разработать и внедрить новые  экологически чистые технологии  сжигания угля и начать строительство современных безопасных АЭС.  Срок действия этой программы определялся в 15-20 лет. Однако ни одна из этих задач поныне не решена.
Энергетика – основа развития человеческой цивилизации. В настоящее время суммарное потребление энергии в мире составляет около 460 млн. ТДж в год и продолжает расти. Основными видами первичных энергоресурсов продолжают оставаться нефть, природный газ, уголь. В меньшей степени для получения электроэнергии используют  гидроресурсы  и уран. Запасы ископаемых энергоносителей, в первую очередь нефти, ограничены. Кроме того, использование углеводородов является причиной нарастающего экологического кризиса, в том числе глобальных климатических изменений. Контроль над источниками углеводородов остаётся болезненной точкой раздражения геополитики. К началу нынешнего века фактически сложилось новое Глобальное энергетическое противоречие, условно разделяющее земной шар по 75-му меридиану. Западнее этой линии находятся почти все запасы ископаемых энергоресурсов, и мировые финансы, вкладываемые в их разработку. Восточнее -  «мировая мастерская»  - Китай, и другие станы, где в совокупности проживает почти половина населения планеты, и в перспективе будет производиться большая часть промышленной продукции. Но ископаемого энергетического сырья здесь почти нет. Текущий объём энергопотребления здесь удваивается каждые 10-12 лет.  К 2025 году  энергетические потребности региона  составят 10 000 млрд. квт*час. (включая моторное топливо в пересчёте на электрический эквивалент).  Перспектива стабильности и процветания АТР прямо зависит от того, насколько быстро будет найдено решение «энергетического противоречия».
Помимо задачи поиска ресурсов,  не менее сложной является проблема доставки электроэнергии потребителям — энергологистика. Традиционные методы — строительство сетей —  сопряжены с выбытием из оборота значительных территорий: сети занимают «полосы отчуждения», площадь которых на порядок превышает  площади занимаемые генерациями. В густонаселённых районах, где цены на землю высоки —  это приводит к удорожанию электроэнергии. В районах  мало обжитых — обслуживание таких сетей становится трудноразрешимой задачей. Ответ новому вызову  лежит в освоении технологий «бессетевой энергологистики».
Авария на АЭС «Фукусима» в Японии заставила пересмотреть господствующие энергетические стратегии ряда государств и региона в целом. В число альтернатив на период «ядерной паузы»  выдвинулся водород.  Для получения электролитического водорода оптимально подходят  возобновляемые источники энергии. Однако в настоящее время широкомасштабное производство водорода из воды ограничивается отсутствием необходимых свободных и дешевых энергетических мощностей. Например, для замены во всех странах моторного топлива водородом потребовалось бы 20 - 30 триллионов кВт*час. электроэнергии, в то время как мировая выработка ее составляет примерно 15 триллионов кВт*час.

В 2009-м году странами АТР  было произведено 5,8 трлн. Квт. часов электроэнергии (не считая США, Канаду и Россию). Более половины выработал Китай, который испытывает значительный дефицит не только энергоресурсов, но и свободных площадей для размещения генераций и инфраструктуры энергологистики.

 

Не меньшие трудности испытывают и островные государства региона, прежде всего: Япония и Тайвань.

Складывающаяся ситуация объективно подталкивает страны АТР к освоению энергетических ресурсов мирового океана, и в частности, такого доступного, как энергии ветра.
Совокупный прирост выработки электроэнергии в странах АТР  (не считая США, Канаду и Россию) составит к 2020 году примерно 3,8 трлн. КВт.*час Большая его часть по прежнему будет создана традиционными генерациями. Однако доля возобновляемых источников будет так же расти.

За счёт возобновляемых источников мобильного морского базирования понадобится выработать не менее 577 млрд. квт. часов электроэнергии. Для этого потребуется ввести дополнительных генерирующих мощностей в количестве 366 000 МВт.  Это весьма значительная величина, освоение которой требует принципиально новых идей.  России, в период своего председательствования в ТЭС представился замечательный шанс выдвинуть собственные инициативы в области освоения энергоресурсов океана этого региона.

В системе без-сетевой энергологистики АТР  предстоит выполнить серию исследований, по нескольким направлениям:
- Макроэкономическое стратегическое моделирование системы, с учётом анализа тенденций стоимости и динамики региональных рынков энергии.
- Перспективы России, как регионального поставщика энергоресурсов из возобновляемых источников.- Моделирование подсистем генерации и логистики водорода.
- Перспективы развития судостроения ДВ России, для удовлетворения спроса в области без-сетевой энергологистики.
- Эвристические модели возникновения новых кластеров  энерго-потребителей на территории Российского ДВ.

Ядром этих исследований является  подсистема генераций и логистики водорода. Так например, если ориентировать на  обозначенную выше цифру ежегодной выработки электроэнергии средствами морского базирования,  то для доставки этого водорода к береговым хранилищам понадобится  построить газовозный флот, способный обслуживать грузооборот  на уровне 18 000 000 т. в год.

В зависимости от районов выработки это могут быт суда различного класса: «магистральные» — для организации доставки водорода со станций удалённых на расстояние 4 и более тысячи морских миль, и «каботажный» — для доставок с близкого расстояния.

На «Магистральных» линиях потребуется 12 газовозов вместимость по 50 000 т каждый, на «каботажных» потребуется 19 судов такого же класса, вместимостью по 5 000 тонн.

Задача выбора мест размещения морских ветро-водородных станций решается в условиях климатических и экономических ограничений, а так же с учётом требований международного морского права.

 Однако в любом случае, размещение этих станций на акваториях, где преобладают значительные глубины исключает саму возможность строить их как стационарные объекты. Это будут мобильные  ветро-электро-станции. К тому же мобильные станции могут обеспечить максимальное использование энергии океанских ветров, оперативно перемещаясь в зоны с наибольшим потенциалом.Возможный вариант конструктивного исполнения тай мобильной ветро-водородной станции /платформы (МВС) представлен на рисунке 5.

Платформа МВС представляет собой парусное судно полупогружённого типа, приводимое в движение энергией ветра. Конструктивное решение платформы, как судна с частично погружённым под воду корпусом, представляется оптимальным, для достижения характеристик остойчивости  и минимизации энергозатрат на хранение жидкого водорода. Судно оборудовано вертикальной гидротурбиной, вращаемой набегающим во время движения потоком воды.

 

Энергия, вырабатываемая турбиной, преобразуется в электричество   и аккумулируется путём электролиза водорода из морской воды. Водород в сжатом и охлаждённом виде хранится в резервуарах, размещённых в подводной части корпуса платформы. После наполнения резервуаров, водород перекачивается с платформы на газовоз.

Основным рабочим органом платформы является турбоагрегат, представляющий собой низкооборотную вертикальную гидротурбину, которая приводит  во вращение электрогенераторы. Такая конструкция позволяет использовать агрегат в дух режимах:- основном – генераторном,- вспомогательном, как движитель, когда генераторы переключаются в двигательный режим, что позволяет платформе маневрировать и самостоятельно перемещаться к району промысла водорода.


Технологические возможности современного судостроения позволяют осуществить проект строительства серии мобильных ветро-водородных платформ уже в текущем десятилетии. Это будут высокотехнологичные суда, созданные для эксплуатации в полностью автоматическом режиме без экипажа. Флотилии платформ будут работать под контролем удалённых (береговых или плавучих) диспетчерских центров. Находясь в границах районов, расположенных в стороне от мест оживлённого судоходства, эти платформы не буту представлять опасности для мореплавания. По определению такие районы  характеризуются сильными ветрами, их и сейчас обходят стороной маршруты торгового флота.

Конечно, создание таких платформ потребует решения ряда научно-практических задач. Потребуется разработать конструкции высоконадёжных электрических машин большой мощности, работающих в режим сверхпроводимости обмоток,  создать турбины, с рабочими колёсами из коррозионно-стойких композитных материалов,  отработать технологии компактного хранения водорода.  Эффективная работа МВС платформ будет также во многом зависеть от надёжности и достоверности метеопрогнозов над акваторией Тихого Океана. Предстоит решить и целый ряд других задач.

К 2025 году в акватории Тихого океана может быть развёрнуто до 60 энерго-промысловых районов. Мощность энерго-промысловго района составляет 6,0-8,0 тыс. МВт . Занимаемая им площадь морской акватории  примерно 200 квадратных километров. На нём  работает 50-80 мобильных ветро-водородных платформ, 2-3 судна обслуживания и управления. Перевозки водорода выполняет 3-4 газовоза на линии. На платформах нет постоянного экипажа (они функционируют  автоматически). Штатный персонал района состоит из экипажа диспетчерских судов и газовозов - около 300 человек.  Типовая схема организации такого района показана на рисунке 8.

Предварительные расчёты основных экономических показателей работы мобильных ветро-водородных станций дают основание прогнозировать существенное снижение себестоимости электроэнергии по сравнению с традиционными источниками.

Так, если сейчас в основных экономках АТР приняты цены на уровне US$ 0.17-0.22 за 1 кВт*час, то из сети мобильных МВС можно будет закупать электроэнергию по цене не выше US$ 0.1 за 1 кВт*час. При этом в расчётах учитывались не только расходы на строительство самих платформ, а так же судов обслуживания, диспетчерских центров, газовозов и береговой базы. Кроме того в модель были заложены бюджеты на финансирование расходов по эксплуатации этих комплексов в течении 30 лет, их обслуживанию, модернизации и капитальному ремонту,  и даже утилизации после выработки своего ресурса.  Но даже с учётом всех этих затрат, при цене в 10 центов за киловатт-час  дисконтированная норма доходности инвестиций  системы МВС остаётся на уровне не ниже 15%. Иначе говоря, такая система не будет нуждаться в финансовой поддержке/дотировании со стороны государства.Однако вопрос совместной эксплуатации энергоресурсов  океана будет требовать урегулирования на международном уровне.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.    Азиатско-Тихоокеанское экономическое сотрудничество: вчера, сегодня, завтра : монография / В.И Курилов, И.И. Миламед, Е.А. Терентьева, А.Л.Абрамов, А.Л. Лукин. – Владивосток: Издательство  Дальневост. федерал. ун-та, 2010.
2.    Энергетическая кооперация с АТР как фактор обеспечения экономических и геополитических интересов России в мире: предпосылки, стратегические ориентиры, проекты : монография/[А.Г. Коржубав, И.И. Миламед, И.В. Филимонова и др.]; под ред. А.Г. Коржубаева, И.И.Миламеда. – Владивосток :  Изд-во Дальневост. федерал. ун-та. 2011.