Чем согреют безуглеродный мир: водород против атома

Если спросить человека на улице, какой вид энергии больше всего потребляет человечество, то самый частый ответ будет — «электрическую». Казалось бы, логично: именно от нее работают станки, компьютеры, лампочки, а в последнее время еще и миллионы электромобилей.

Однако это неправильный ответ: мир потребляет 162 триллиона киловатт-часов первичной энергии, и только 26 триллионов из них — «электрические». Первичной энергией называют ту, что не подвергалась преобразованию человеком: например, тепло, полученное при сгорании топлива или от распада ядер урана в атомном реакторе. Вторичная — это та, что получена из первичной путем преобразования человеком (скажем, электроэнергия).

При мощи и размахе электроэнергетики на нее приходится лишь одна шестая от первичного потребления энергии. Даже транспорт, на который уходит почти треть всей первичной энергии, потребляемой нашей цивилизацией, не стоит на первом месте. Его занимает тепло.

Пятьдесят процентов от всей первичной энергии, потребляемой человечеством, идет на получение тепла — то есть это куда большая потребность, чем любая другая. Половину его забирает промышленность: без энергии сложно получить цемент, удобрения, сталь и многое другое. Остальная «половина от половины» нужна для отопления зданий, домов, нагрева горячей воды и приготовления пищи. В сумме на выработку тепла приходится 40% от мировых выбросов углекислого газа.

Лишь 10% от этой «тепловой» половины первичного энергопотребления человечество получает из возобновляемых источников. Подавляющее большинство от этих 10% — дрова, жом сахарного тростника и иные виды топлива, смертельно опасные для проживающих рядом с местами их регулярного горения. Напомним: при сжигании биотоплива людей на единицу выработанной энергии гибнет в 2,4 раза больше, чем при сжигании угля, и в шесть раз больше, чем при сжигании газа.

Получается, пока даже эти десять возобновляемых процентов надо выводить из оборота. И чем быстрее, тем лучше: они банально слишком вредны для человека. По мере того как бедные страны богатеют, это и происходит: дров там жгут все меньше. Но это усугубляет другую проблему: генерация тепла в итоге становится более мощным источником углекислого газа. Ведь на смену дровам приходит сжигание как раз ископаемого топлива.

Очевидно, что с этим надо покончить. Даже тем, кто не считает глобальное потепление злом, ясно, что от горения угля и газа людей умирает хоть и меньше, чем от дров, но все равно недопустимо много — сотни тысяч в год по всей планете.

Итак, тепло — главный потребитель энергии в нашей цивилизации, и нынешняя его выработка сжиганием ископаемого топлива недопустима. Чем же мы заменим углерод и его соединения?

Чем станут отапливаться безуглеродные Европа и мир

В октябре 2020 года Европарламент проголосовал за снижение выбросов СО2 в ЕС на 60% от уровня 1990 года. Даже сегодня, посреди жесткой просадки европейской экономики из-за коронавирусной пандемии, спад относительно 1990 года — всего 40%. В 2018 году — уровень «мирного», доэпидемического времени — на 25% ниже, чем в 1990-м. То есть, рассуждая реалистично, Евросоюзу предстоит снизить выбросы углекислого газа почти вдвое от значения «до эпидемии».

Сделать это будет чрезвычайно сложно. Возьмем страну, которая до выхода из ЕС была самой успешной из его членов по сокращению выбросов углекислого газа, — Великобританию. В 2016 году 37% от созданного там техногенного СО2 пришлось на производство тепла. На отопление помещений ушло 17%, 14% потребили производственные процессы в промышленности, 4% потратили на получение горячей воды, еще 2% — на приготовление пищи.

Как все это сделать без выбросов углекислого газа? Ведь 80% домов в Англии топится газом. Поднять цены на него, чтобы местные стали лучше утепляться и меньше топить? Вряд ли из этого что-то выйдет: местное население и так топит предельно экономно, потому что газ там дорогой. Чтобы старики не замерзали от своей экономности в своих недоотопленных домах (такие случаи бывали и в XXI веке), британское правительство ввело специальные субсидии для пожилых людей (winter fuel), которые можно потратить только на отопление.

Возникает естественное желание решить вопрос в лоб. Пусть солнечные и ветровые электростанции будут вырабатывать электричество, а население и промышленность будут им топить. Но тут есть пара нюансов: Великобритания и так тратит 0,33 триллиона киловатт-часов электроэнергии в год, а местные цены на электричество для населения стартуют от 0,2 доллара за киловатт-час.

Топить электричеством заметно дороже, чем газом, и может получиться так, что далеко не все местное население сможет себе позволить поддерживать плюс 18 градусов в домах, как оно делает это зимой сегодня. Как бы не пришлось возвращаться к уровню температуры в помещениях, что были в Британии еще в 60-х, — плюс 12 в зимнее время года.

Вторая проблема: на графике ниже видно, что усредненное потребление тепла зимой в этой стране в четыре раза превосходит потребление электроэнергии. Если мы хотим топить электричеством от ветряков (СЭС мы здесь даже не берем в расчет, поскольку зимой их выработка низка), то надо понастроить столько ветряков, чтобы они по генерации превосходили всю нынешнюю британскую энергетику в четыре раза.

Технически здесь нет ничего невозможного. Стоимость электричества от ветряков сейчас близка к такой же от ТЭС. К тому же, если все дома перевести на отопление воздушными тепловыми насосами, электричества потребуется в два раза меньше, чем если использовать простые электроотопители.

Но если построить ветровую энергетику в четыре раза мощнее всей остальной — пусть даже в два, если везде поставить тепловые насосы, — то заплатить за нее придется в два-четыре раза больше, чем за всю текущую электроэнергетику. Не факт, что население и бизнес к этому морально готовы. Ведь тогда электричество поднимется в цене с 20 центов за киловатт-час до как минимум 40 центов.

И потом, а что будет делать такая переразмеренная экономика летом, когда топить не надо? Получать водород из воды электролизом? Увы, по мнению британских правительственных экспертов, этот метод слишком дорог, чтобы он мог иметь экономический смысл. Такой водород будет стоить от 2,5 доллара за килограмм, а четыре кубометра ископаемого метана дадут столько же тепла, но стоить будут от 0,4 доллара. Очевидно, что впятеро более дорогое топливо не сможет заменить метан ни в отоплении, ни — после перехода на природный газ самолетов и кораблей — в авиации или на море.

Третья проблема еще хуже второй и первой. Дело в том, что в Англии (да и везде, на самом деле) зимой бывают периоды — до десятка дней в месяц — антициклонов, когда ветра или нет, или он очень слабый. В такие момент выработка от ВЭС падает в несколько раз — и чем тогда топить? Даже в антициклоны зимой солнечного света на этой широте слишком мало.

Запасать энергию от ветреных дней за разумные деньги тоже не получится: аккумуляторы даже на десять дней отопления стоят слишком дорого, водородное запасание — тоже. Выходит, перейти полностью на ВЭС и СЭС в той же стране-примере — Великобритании — можно, но цена будет слишком велика.

Если верить британской же прессе там и так бывают годы, когда от дороговизны отопления погибает по пятнадцать тысяч человек (в основном старики). Они просто не могут себе позволить протопить свои дома — а сердечно-сосудистая система человека воспринимает холод как сильнейший стресс, отчего зимняя смертность от инфарктов и инсультов всегда максимальна. Сколько же умрет при в пару раз более дорогом отоплении?

Мы не просто так выбрали как пример Англию: в Лондоне средняя годовая температура такая же, как в Астрахани, и куда выше, чем в Киеве. Достаточно очевидно, что для более холодных зон попытки перехода на водородное отопление закончатся еще хуже,

Первый промежуточный вывод: топить от СЭС и ВЭС в умеренном климате не получится. Что же делать?

Водород — будущее мирового тепла?

Все те же британские правительственные эксперты озвучили такой выход: чтобы не топить природным газом, они предлагают обдавать этот самый природный газ водяным паром, за счет чего из молекул СН4 и Н2О получать водород (Н2) и углекислый газ (СО2). Последний можно немедленно сепарировать от более легкого водорода, а затем по трубам отводить в море, на глубину до километра. Закон Генри, который мы наблюдаем при каждом открытии бутылки с минералкой, гласит, что при более низкой температуре растворимость газов растет. В холодную морскую глубину можно спрятать немало СО2, обнадеживают нас эксперты.

Правда, они скромно умалчивают об одном: рано или поздно все тайное становится явным, и углекислый газ из морских глубин поднимется на поверхность. Возможно, специалистов это не очень интересует, поскольку случится это минимум через десятки лет. Но мы не поставили бы деньги на то, что условная Грета Тунберг не заметит этой маленькой детали и не потребует настоящего связывания СО2 в рамках подобных проектов.

Впрочем, не будем о грустном. Предположим, из природного газа сделали водород. Но разве он не взрывоопаснее метана, разве он не утекает через стальные трубы? Что ж, да, ему проще дать взрыв при смешивании с воздухом, но вопрос можно решить, просто аккуратнее относясь к утечкам газа. Через новые пластиковые трубы водород утекает весьма умеренно, поэтому для его распределения, уверены специалисты, можно использовать текущие газораспределительные сети жилых домов.

Выход видится неплохим, если не вникать в детали. Если мы сжигаем метан, не переделывая его сперва в водород, то нам не надо брать тепло, чтобы генерировать горячий водяной пар, которым обдаем метан, чтобы получить из него водород. То есть схема по снижению углеродного следа типичной западной экономики потребует увеличения сжигания ископаемого топлива — и довольно большого. Да и сам комплекс для такого риформинга стоит денег. То есть отопление водородом, полученным из метана, будет стоит дороже, чем самим метаном.

Кстати, водород подобным образом получают и сегодня, но нигде он не стоит дешевле доллара за килограмм. Средняя его цена — 1,0-1,8 доллара (усредненно — 1,4 доллара) Один кубометр природного газа дает вчетверо меньше тепла, чем килограмм водорода, но он и стоит от 0,1 доллара — в пересчете на единицу тепла, в пару раз меньше.

Понятно, что водород можно держать в газохранилищах, поэтому такой вариант лучше (постояннее), чем отопление электричеством от ВЭС и СЭС (в безветренные ночи они работают не слишком интенсивно). Но и водород в два раза дороже метана — и никакие попытки подсластить пилюлю не сработают.

Кстати, западные исследователи, обсчитывавшие переход на водород, дают оценки еще жестче наших: по их мнению, из-за нужды в отводе СО2 в морские глубины цена «водородного» отопления будет выше, чем у ископаемого топлива не в два, а сразу в три раза.

Атомная котельная: альтернатива или утопия?

Все, описанное выше, далеко не ново. Еще брежневское руководство СССР хотело заменить отопление ископаемым топливом чем-то, что ничего бы не сжигало. И доля теплоснабжения в общем потреблении энергии всех видов у Советского Союза была 40% — не так уж далеко от современной Британии. Даже в современной России, где эта доля ниже, «тепловых» киловатт-часов вырабатывают 1,5 триллиона в год, а «электрических» — лишь 1,0-1,1 триллиона. То есть замена источников тепловой энергии с ископаемых на возобновляемые (а атомная энергия технически именно такая) была актуальна еще при СССР.

Аргументы, правда, были иные: от идущего из XIX века «сжигать нефть — все равно что топить ассигнациями» до улучшения экологической обстановки в городах (как ни странно, в ту эпоху об этом тоже думали). Поэтому с 1982 года в стране шло строительство уникальных и не имеющих аналогов — как бы отрицательно мы не относились к этому словосочетанию — в мировой истории систем: АСТ-500.

Атомная станция теплоснабжения на 500 мегаватт (тепловых) — вот что кроется за этой аббревиатурой. Она вообще не должна была производить электричество, и вот почему.

Дело в том, что политическое руководство поставило перед атомной отраслью задачу создать совершенно безопасные реакторы, такие, которые можно было бы спокойно размещать в городской черте и в ближних пригородах, не опасаясь никакой аварии. Поэтому конструкция реактора для АСТ-500 необычна.

Для максимальной безопасности реактор сделан с очень низким давлением в активной зоне и тремя контурами охлаждения. Если в типичном атомном реакторе температура в районе плюс 330 и давление — 160 атмосфер, то в первом контуре реактора АСТ-500 температура всего плюс 200 и давление — 16 атмосфер или в десять раз ниже (при аналогичных конструкционных материалах). Это само по себе резко снижало угрозу потери герметичности реактора. Плюс за счет низкого давления и температуры вода циркулировала по активной зоне со стержнями тепловыделяющих элементов сама, без задействования насосов, как в обычном водо-водяном реакторе (где без насосов она могла бы перегреться).

Это устраняло одну из важнейших причин возможной аварии — «фукусимский» сценарий. То есть «провал» снабжения электричеством по причине внешнего сбоя — землетрясения, цунами, да хоть падения астероида — не мог нарушить охлаждение реактора за счет сбоя в работе насосов: ведь их в такой схеме нет.

Для дополнительного повышения безопасности вокруг корпуса реактора возвели еще один — страховочный. Если бы вдруг первая оболочка разрушалась мгновенно, вторая приняла бы на себя все давление. Чтобы надежно исключить попадание воды из первого контура в отопительную систему города, давление во втором контуре было 12 атмосфер, а в третьем — который и нес тепло в городскую систему отопления — опять 16 атмосфер. То есть в случае любой негерметичности между вторым и третьим контурами вода из второго никак не могла попасть в третий.

Судьба АСТ-500 понятна: в 1986 году в стране резко обострились подозрения в отношении атомных объектов. Да, на АСТ авария чернобыльского или фукусимского типа была нереальна, но кто об этом знал? Население не было в курсе, что авария на Чернобыльской АЭС убила меньше людей, чем тепловая энергетика убивала в СССР в год — и на порядок меньше того, чем она ежегодно убивает в США в XXI веке.

Кто виноват в этом незнании? Как ни странно, не само население, которое, честно говоря, не в силах быть в курсе всех сфер жизни человечества — от угольной до атомной. Виноваты в основном СМИ, которые немало лили масла в огонь радиофобии, но не спешили рассказывать гражданам, что радиационное загрязненные от ТЭС выше, чем от АЭС, или что единственная атомная авария с жертвами убивает меньше людей, чем безаварийная работа ТЭС за месяц убивает в Штатах.

Такой процесс избавления от иррациональной радиофобии уже можно наблюдать в Китае. Там знают, что загрязнение воздуха ископаемым топливом убивает более миллиона китайцев в год и стоит не менее 7% ВВП. В 2017 году в КНР испытали бассейновый реактор для отопления зданий и убедились, что уровень радиации там, где топят водой от реактора, не выше фоновых 1,2 микрозиверта в час — то есть такой же, как там, где топят обычным газом.

Китайская «атомная котельная» DHR-400 — бассейновый подземный реактор на 400 мегаватт, греющий воду лишь до плюс 90 градусов. Низкая температура и атмосферное давление (в 16 раз ниже АСТ), со слов разработчиков, должны обеспечить низкую стоимость станции и ядерного тепла. В КНР рассчитывают строить DHR-400 по 230 миллионов долларов — и тогда он должен давать от 1,7 до 2,2 цента за «тепловой» киловатт-час. Такая же цена типична для китайской угольной котельной, утверждает местная пресса.

Есть ли лучшее решение?

На вид АСТ и DHR — хороший вариант декарбонизации тепла. Это простые реакторы, специализирующие только на теплофикационной задаче. И все же они далеко не идеальное решение проблемы безуглеродного отопления без вреда здоровью. И причин здесь три.

Первая: низкая температура в активной зоне реактора означает, что он должен быть намного больше, чем равный по тепловой мощности реактор типа ВВЭР. Больше размеры — выше цена, а именно на цену строительства приходится 75-80% стоимости атомной энергии. Разумеется, на АСТ-500 и DHR-400 не предусмотрена часть сложного оборудования обычной АЭС: турбины для выработки электроэнергии, ряд насосов и так далее. Но даже при этом стоимость «теплового киловатта» мощности там не может быть ниже, чем у ВВЭР.

Между тем сегодня электрический киловатт на новых реакторах ВВЭР стоит (оптовая цена) порядка 2,5 рубля. Если бы на них вырабатывали тепло, то тепловой киловатт-час стоил бы в три раза ниже, ведь тепловая мощность ВВЭР в три раза выше электрической (из-за КПД около 33-35%). Вывод: тепловой киловатт-час от аналога АСТ-500, построенного сегодня, стоил бы не ниже 0,8 рубля. Кстати, это даже чуть ниже китайского 1,7 цента за киловатт-час тепловой энергии от DHR-400.

И это не очень хорошие цифры. При сжигании одного кубометра газа тепловой энергии получают примерно девять киловатт, то есть «тепловой» киловатт-час от газа выходит сегодня порядка 0,7 рубля. Значит, атомные котельные хороши там, где газ дорогой (Китай), и плохи там, где он дешевый (США и Россия).

Причину, по которой недорогой газ дает тепло дешевле атома, понять тоже легко: она все в той же низкой температуре в активной зоне атомной котельной. Там всего плюс 200 (АСТ) или еще ниже (DHR-400), а газ в котельной сгорает как минимум при плюс 650 градусах. Чем выше температура в установке, греющей теплоноситель, тем меньше она будет по размерам при той же теплоотдаче. В итоге газовая котельная выходит компактной, а атомная — большой.

Вторая причина — это главная проблема, которая делает атомные котельные типа АСТ-500 или его китайского собрата не особо конкурентоспособными сегодня. Отопительный сезон длится пять месяцев. А в остальное время она может только снабжать потребителей горячей водой. Само собой, на нее уходит в разы меньше тепла — то есть основную часть года АСТ-500 в основном простаивали бы. Следовательно, отдача на вложенный капитал для них была бы много ниже, чем для АЭС. Фактически ее тепло было дороже, чем даже у газовых котельных. В сравнении с газовыми ТЭЦ оно было бы намного дороже: ведь там тепло — просто побочный продукт получения электроэнергии.

Третья причина, по которым такие ядерные котельные не лучшее решение, — изменяющаяся география современных городов. С прошлого года в России загородного постоянного жилья строят столько же, что и городского. В США тот же самое случилось 70 лет назад. Процесс «субурбанизации», когда люди покидают квартиры и въезжают в загородные дома, затрагивает все больше мест на планете — благо квадратный метр жилья за городом выходит дешевле.

Для таких мест атомные котельные не годятся: в «одноэтажной Америке» или «двухэтажной России» слишком низкая плотность застройки, чтобы имело смысл тянуть теплосети от крупных реакторов. Да, туда можно поставить воздушные тепловые насосы (на вид неотличимые от сплит-системы), чтобы снизить затраты на отопление. Но с ними таким местам понадобится куда больше электроэнергия. А ее котельные дать не могут — хоть урановые, хоть газовые.

Атомные «некотельные»

Из всего этого следует: лучшим путем обезуглероживания мирового производства первичной энергии было бы развертывание реакторов, в основном производящих электричество, но способных и греть воду, и в холодное время года отапливать городскую застройку.

Идея эта возникла не вчера: еще советские «военные реакторы» для наработки плутония были по факту двухцелевыми: хотя жители Томска не догадывались об этом, но для ряда районов города тепло батарей шло именно от такого реактора. Тем не менее масштабы такого теплоснабжения, конечно, были умеренными.

В России действующий реактор, способный давать и тепло, и электричество, работает на ПАТЭС, о которой Naked Science уже писал. Буква «Т» в названии означает как раз тепло — и вырабатывает его эта станция в Певеке. Такая мини-АЭС способна выдать от 58 до 169 «тепловых» мегаватт в береговые сети теплоснабжения — и это лучшее отопительное решение для небольших городов на удаленных территориях. Альтернатива в виде сжигания завозимого с Большой земли угля не только грязнее, но и по итогу дороже.

Очевидно, что для городов наиболее населенной части страны 169 «тепломегаватт» мало. Ведь в среднем в России на душу населения тратится ежегодно 10 тысяч «тепловых» киловатт-часов, то есть на город в 300 тысяч человек их требует три миллиарда.

Для таких случаев есть более крупные проекты — типа ВБЭР-300. Его тепловая мощность — 917 мегаватт. В «летнем» режиме работы реактор дает до 325 мегаватт электрической мощности, а в «зимнем» — около 215 мегаватт c отпуском тепла в виде горячей воды до 535 мегаватт. По сути, топит он как АСТ-500, но при этом способен выработать пару миллиардов киловатт-часов в год. С проектным сроком службы до 60 лет этот реактор, построенный на основе компактных ледокольных установок, имеет смысл для городов средних размеров.

Легко видеть, что такая конструкция не будет простаивать вне отопительного сезона, как АСТ-500. Вместо тепла летом она сможет вырабатывать больше электричества. Наконец, ВБЭР-300 сможет подавать электричество и в загородную застройку, чтобы работали воздушные тепловые насосы. То есть он позволит решать проблемы отопления не только в плотную городскую достройку, куда дойдут трубы контура отопления, но и там, где реакторы типа АСТ (чисто тепловые) бессильны. При этом реактор ВБЭР-300 еще и заметно компактнее АСТ — а значит, и материалов для них надо меньше.

Определенно, это не последнее слово, которое техника может сказать в области отопления. Во-первых, при росте размеров реактора удельная стоимость энергии от него может быть еще больше снижена. Во-вторых, реакторы на быстрых нейтронах часто используют более горячий теплоноситель, чем тот же ВБЭР-300, — не воду, нагретую до плюс 330 градусов, а жидкий металл, как БН-800, причем температура этого металла — плюс 550. Соответственно, КПД там выше: 39% против 33% у большинства реакторов на медленных нейтронах. Реакторы с теплоносителем на солях лития и бериллия могут иметь рабочую температуру и в 650 градусов — как в газовой горелке.

И вот тут выигрыш касается не только КПД таких установок, но и их возможности использовать отходящее тепло для теплоснабжения. Обычный реактор на воде способен давать много тепла потребителю, лишь если направит часть «не отработавшего» пара на нагрев воды в теплосетях. Но реактор на быстрых нейтронах с температурой теплоносителя от плюс 550 позволяет иметь высокий электрический КПД, в то же время отдавая немало тепловой энергии на отопление.

Следовательно, даже в обществах с сильной субурбанизацией атомные ТЭЦ смогут отапливать промышленные центры и городскую застройку и вместе с тем по не слишком высоким ценам поставлять электричество загородным жителям.

Неясным в этой схеме остается только один фактор: психологический. Когда радиофобия в западных странах проиграет войну борцам с глобальным потеплением? Сегодня может показаться, что ответ на этот вопрос — «никогда». И те, и другие не слишком вникают в технические детали работы реальной энергетики, поэтому пока уверены, что ветер и солнце смогут обеспечить полностью безуглеродный мир.

Чтобы понять, что это не так, западным зеленым потребуется пара десятков лет. Тогда ВЭС и СЭС, сегодня дающие 1,8 триллиона килотватт-часов электричества, во много раз увеличат выработку, и «внезапно окажется», что тепловая электрогенерация, которую они заместили, вовсе не была крупнейшим источником СО2.

Заметив, что инвестиции в СЭС и ВЭС идут, а выбросы СО2 снижаться перестали, Запад неизбежно встанет перед выбором: отказаться от декарбонизации и продолжать топить зимой в основном газом — или же начать внедрять атомные электростанции, в качестве побочного продукта дающих тепло.

Что из этого выберут — пока сказать трудно. Но это, вероятно, не так и важно: тот же Китай уже вырабатывает больше энергии, чем США и Европа, вместе взятые. Очевидно, будущее человечества зависит не столько от направления развития западных государств, сколько от того, куда двинутся остальные страны.