Энергетический переход. Как уменьшить потребление углеводородов?

Предлагаю обсудить энергетический переход и отказ от углеводородов. На форуме много технических специалистов. Думаю тема может быть интересна. Заодно отвлечемся от тяжелых новостей.
Итак, начнем с газа.
Европа потребляет порядка 450 миллиардов кубометров газа в год. Из них треть приходит из России.
Пишут, что эти 450 Мм3 - вроде бы 22% потребления всей энергии в Европе. Я пока точно не могу это связать в полную картину, но пока это не важно.
В любом случае, вроде бы, 40% всего газа идет в домохозяйства (отопление, нагрев воды и приготовления пищи). Это значит 180Е9 кубометров.
По моим прикидкам на отопление уходит порядка 75% газа (во всяком случае, у меня дома так выходит). Значит, что если перевести, скажем, половину домов на тепловые насосы (это уже довольно оптимистично, но предположим) то можно сэкономить 68E9 кубометров. На замену потребуется ~200 ТВтч электроенергии (я брал 10кВтч=1м3 газа и COP = 3.3). Для этого нужно увеличить генерацию электроэнергии в Европе на 7% (общая генерация в Европе сейчас 2800 ТВтч).

Остальной газ (270Е9 м3) используется в индустрии и электрогенерации, а значит для прямого сжигания и выработки тепла (высоких температур). Я думаю, что 10% этого можно легко заместить водородом проcто подмешивая оный к газу в точке близкой к месту сжигания (например, электростанции или заводу). Это даст еще 27Е9 м3 экономии. Тут все становится несколько сложнее, т.к. я считаю по объему, а объемная теплотворность водорода в 3 раза меньше чем газа. Значит нужно больше газа прокачивать в единицу времени. Для генерации такого количества водорода потребуется ~110 TВтч (по объему) *3 =330 Твч (чтобы выдать то же тепло как 27Е9 м3 метана).

Итого мы уже сэкономили порядка 100Е9 м3 газа. А желательно было бы уменьшить потребление где-то на 300Е9 м3 (оставшиеся 150Е9 м3 можно внутри Европы добыть). В общем, нужно еще два раза по столько же найти чем заменить.

В любом случае, для замены газа нужно много электроэнергии. А значит требуется строить атомные электростанции и устилать все крыши солнечными панелями. Вот еще, что я заметил: в Нидерландах уже почти 20% домов оснащены солнечными панелями. В южной Европе, где солнца намного больше, по моим ощущениям, процент значительно меньше. Почему так? Неужели у них электроэнергия намного дешевле и, поэтому, панели не окупаются? Я думаю, в южной Европе вообще можно практически полностью отказаться от бытового потребления газа если использовать энергию солнца по максимуму: генерировать энергию солнечными панелями. Избыток в пиках конвертировать в водород, который сжигать на производствах или электростанциях в момент когда солнца мало.

 

Извините, но это всё убого выглядит. Это не выглядит, как план энергетического развития и процветания. Скорее, выживания.

 

Неконструктивную критику не принимаю. Или вы объясняете с чем несогласны и где я сделал ошибку или вы просто балабол (не сочтите оскорблением).

 

По поводу атомной энергетики: я слушал по радио передачу, где рассказывали про малые атомные электростанции. Насколько я понял, концепты уже разработаны, прототипы испытаны, первая станция будет введена в эксплуатацию а 2027, по-моему в Канаде. Из преимуществ малых станций, как рассказали: время постройки 5-7 лет, пассивное охлаждение, объект можно просто бросить в любой момент и станция, со времнем, просто прекратит генерировать энергию.
Насколько я понял, Нидерланды рассматриваю возможность внедрения таких станций в эксплуатацию к началу 30-х годов. Если, конечно, как обычно, журналисты не врут, простите, приукрашивают.

 

Тут у меня есть вопрос, я конечно не технолог, но весь мой инженерный опыт говорит, что вполне возможно, что все текущие производствееные линиии и оборудование заточены на работу именно с газом. Не факт, как они среагируют на значительное присутствие водорода, во вторых, вы сами пишите, что теплотворноость водорода в три раза ниже. То есть, условно говоря, через трубу надо будет прокачать 120% привычного объема, причем в пропорции 90 (газ) на 30 (водород). Я думаю, тут повылезает куча проблем с технологическими процессами.

 

Вы, в общем, правы: просто так водород не подмешать. Нужно повышать давление в системе, озаботиться тем, чтобы использовать только совместимые материалы и скорее всего немного перенастраивать горелки. Поэтому я и взял в своем рассчете только 10% водорода и предположил, что делать это стоит только прямо на самой электростанции или на заводе, где этот газ используется. В этом случае при газовой электростанции ставится электролизер и система накопления водорода. Когда энергии солнца, ветра и атомной в избытке работает электролизер и накапливает энергию фактически в водородном аккумуляторе. Когда пасмурно и ветра нет, электроснанция запускается на генерацию электроэнергии сжигая смесь газа (из газовых хранилищ) и водорода (из своего хранилища). Все технологии для этого есть уже сейчас.

Что касается малых ядерных электростанций, не думаю, что в этом есть смысл. Обычно выгоднее построить (и эксплуатировать!) одну большую чем 10 малых. В Канаде или на Аляске они имеют смысл, т.к. там сложно и нет необходимости строить большие станции. В плотно заселенной Европе места мало а народу много, поэтому тыкать малые станции просто некуда.

 

У малых ядерных станций срок постройки в два раза короче, и они безопаснее, что очень актуально для плотнонаселенной Европы. Короткие сроки позволят слезть с газовой иглы быстрее.

 

Все же, на мой взгляд, лучше сделать как в том анекдоте про двух быков, стоящих на горе.

 

По-моему подача водорода в частный сектор довольно стремный проект, он взрывается. Пропано-бутановая смесь взрывается при содержании в воздухе в довольно узком диапазоне 1,8–9,5%. Водород же взрывается при практически любой концентрации — от 4 до 75 %. Поэтому только если жечь его на ТЭЦ, а потребителю тянуть провода.

 

Если энергопереход не ради экологии, а ради снижения зависимости от России, то атомная энергетика может оказаться так себе выбором - Россия контролирует значительную часть рынка урана и ещё большую часть рынка хранения отработанного топлива. Можно пытаться работать на тории, но с ториевыми реакторами не всё так просто.

 

Согласен. Я, собственно, так и написал. Кроме того, чтобы подмешивать водород в обычный газ для потребителей придется переделывать большой объем инфраструктуры. Причем одновременно. Проще сделать это локально на больших электростанциях и заводах.

--- Сообщения объединены, 9 апр 2022, дата первого сообщения: 9 апр 2022 ---

Запасы урана есть и в других странах (например, Украине). Технологии обогащения есть в Европе (например в Нидерландах - Urenco).

 

Опять влезу со своими малыми станциями. Многие из таких реакторов не требуют обогащенного урана.

 

Это что-то новое для меня. Ссылочкой не поделитесь?

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Small_modular_reactor#Waste

Nuclear proliferation, or the use of nuclear materials to create weapons, is a concern for small modular reactors. As SMRs have lower generation capacity and are physically smaller, they are intended to be deployed in many more locations than conventional plants.[10] SMRs are expected to substantially reduce staffing levels. The combination creates physical protection and security concerns.
Many SMRs are designed to address these concerns. Fuel can be low-enriched uranium, with less than 20% fissile 235U.

Скорее низко-обогащенного, не знаю, как правильно сказать.

 

Водород, как замена (даже частичная - на 10 %) природного газа - это не вариант. В промышленности водород получают из природного газа... А это автоматически делает его более дорогим продуктом, чем природный газ. Не говоря уже о немаловажных технических (и опять же - экономических) проблемах с его транспортировкой и хранением.

Остальные способы его получения (аммиачный, электролиз и пр.) ещё более дорогие и годятся разве что для красивых рекламных материалов...

 

Вот это интересный вопрос, который стоит обсудить. Почему электролиз плох?
Проблема в том, что
1. Для функционирования промышленности нужно высокоэнергетичное топливо для сжигания и создания высоких температур. Сейчас для этого используется природный газ. Но он, во-первых, не бесконечен, а во вторых несет с собой кучу политических проблем. Нужны способы производства топлива, типа газа, на месте. На мой взгляд, водород - это хорошая (хоть и технически сложная) альтернатива.
2. Произвести много электричества довольно просто: заставить все, что можно ветряками, уложить солнечными панелями и понастроить ядерных станций. Но, возникает проблема балансирования энергии в моменты пика производства и пика потребления, которые не всегда совпадают. Для этого нужны аккумуляторы. Обычные химические, на мой взгляд, это несерьезно. Водород, как аккумулятор, как мне видится, это хороший вариант. Какая разница, сколько кВтч стоит его производство (электролиз) если эти кВтч в данный момент в любом случае избыточны? Пока энергии слишком много - электролизуем воду и накапливаем водород. Как только ее производство падает (тучи над всей Европой) начинаем сжигать накопленный водород. Ну и в любом случае нужен избыток производства водорода, чтобы подмешивать его в газ для тех производств, где нужен огонь (типа сжигания мусора, производство цемента и такое-прочее.

Понятно, что производить водород из природного газа или аммиака в данном контексте смысла нет никакого. Эти технологии выягоднее только тогда, когда у вас много дешевого газа, а водород нужен не для производства энергии (иначе общий выход будет отрицательным), а для других целей.

 

Понастроить ядерных станций. Зеленая энергетика не годится для покрытия серьезных промышленных объемов.

 

Несколько мыслей:
1. У нас солнечные панели были более интересны, чем в Южной Европе в основном из-за налогов (до кризиса). Электричество стоило 5-7 центов, и сверху эффективный налог в 14 цента, делая розничную цену в 20 центов, при этом само эл-во дешевое. Теперь баланс изменился, цена эл-ва выросла в разы, а налоги снизили.

2. Водород производить для сжигания это идиотизм. КПД электролиза около 60%, КПД тепловой станции 50-60%. В этой цепочке будет оставаться только 1/3 энергии. Более того, водород очень летуч, его хранить и транспортировать трудно.

3. Малые блочные станции это не самая лучшая идея. Хотя они относительно безопасны, за счет их числа растет вероятность инциндента. Уязвимы для терроризма и гос. терророризма.

Что нам нужно, это средства energy storage. Рисерч пока неадекватный, но я полагаю надежды на https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_battery

Декарбонизация это сложно, но она идет семимильными шагами. Нам нужно меньше алармизма и больше R&D в технологии, которые будут лучше традиционных fossil technologies. Думаю, лет через 10-20 мы добьемся того, что "зеленые" технологии будут лучше и дешевле.

 

Вот в этом и вся проблема: нет адекватных аккумуляторов.
КПД электролиза все же выше 60%. Как я уже писал, когда есть избыток электроэнергии КПД аккумулятора не принципиально важен (если он только не совсем уж низкий и есть другие альтернативы). На данный момент я не вижу никаких вариантов кроме водорода. Химические аккумуляторы весьма затратны, имеют ограниченный срок службы и очень материалоемки. Водород же универсален. Можно сжигать (если нужны высокие температуры), можно в топливные ячейки запускать. Да, хранить его не легко, но все эти технологии имеются уже сейчас. Нужно только отмасштабировать их немного.

 

Это все верно про водород, но технология нишевая. И дорогая, так как избыток энергии это несколько часов в день, держать гидролизные заводы с утилизацией 5-10% это дорого.

Водород хорош для тяжёлого транспорта и кораблей. Сейчас активно работают в этом направлении. Кроме того, водород это хороший инпут для SAF, и некоторых других применений. Но вопрос storage он решает плохо.