Вход
  1. Главная
  2. Журналы
  3. «Газовая промышленность»
  4. Газовая промышленность 5.2023
Газовая Промышленность 5.2023

Обзорная статья

УДК 662.769.2::621.438
(UDK 662.769.2::621.438)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь
Купить журнал

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ (POWER SUPPLY SERVICE AND ENERGY EFFICIENCY)

ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

(HYDROGEN AS FUEL FOR GAS TURBINE UNITS)

Трансформация мировой экономики и энергетики, направленная на снижение их углеродоемкости, приводит к тому, что актуальной становится тема применения водорода. Использование этого энергоносителя в качестве топлива, несмотря на неоспоримые преимущества, поднимает ряд вопросов, связанных с производством, хранением и транспортировкой водорода.
В статье рассматривается целесообразность применения водорода в качестве топлива. Приведены основные методы его получения. Отмечены плюсы и минусы имеющихся на сегодняшний день технологий. Определены основные преимущества и недостатки использования водорода как энергоносителя. Подробно рассмотрены ограничения транспортировки водорода и метано-водородных смесей, обусловленные влиянием водородной среды на металлы при различных условиях. Приведен обзор исследований, в которых представлены результаты экспериментального изучения воздействия водорода на различные сплавы. Обозначены ключевые вопросы в развитии водородной энергетики, требующие решения. Намечены наиболее перспективные направления дальнейших разработок, в том числе показана необходимость проектирования газотурбинных установок, работающих на водородном топливе.

Transformation of the world economy and power industry aimed at their decarbonization makes the issue of hydrogen use highly relevant. Use of this energy carrier as fuel, regardless of undisputable advantages, raises a number of questions to hydrogen production, storage, and transportation.
The article studies the practicability of hydrogen use as fuel, and lists the main methods of its production. The authors also review strengths and weaknesses of the current hydrogen production technologies and define the primary advantages and shortcomings of hydrogen use as an energy carrier. The insights are provided on the restrictions of transportation of hydrogen and hydrogen-methane mixtures resulting from the hydrogen effect on metals under various conditions. The results of experimental studies of hydrogen and its effect on various alloys are overviewed herein. The article defines the key challenges in the development of hydrogen power industry and determines the most promising directions for further developments, as well as demonstrates the necessity to design gas turbine units capable of using hydrogen as fuel.

ВОДОРОД, ТОПЛИВО, ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ, ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

HYDROGEN, FUEL, ENERGY CARRIER, HYDROGEN POWER INDUSTRY, GAS TURBINE

Г.А. Фокин, д.т.н., доц., ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» (Санкт-Петербург, Россия), GFokin@spb.ltg.gazprom.ru

Н.А. Забелин, д.т.н., доц., ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (Санкт-Петербург, Россия), n.zabelin.turbo@mail.ru

И.С. Мекуренков, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», mekurenkov.i@edu.spbstu.ru

G.A. Fokin, DSc in Engineering, Associate Professor, Gazprom transgaz Saint Petersburg LLC (Saint Petersburg, Russia), GFokin@spb.ltg.gazprom.ru

N.A. Zabelin, DSc in Engineering, Associate Professor, Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University (Saint Petersburg, Russia), n.zabelin.turbo@mail.ru

I.S. Mekurenkov, Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University, mekurenkov.i@edu.spbstu.ru

Российская Федерация. Правительство. План мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года»: распоряжение Правительства Российской Федерации от 12.10.2020 № 2634-р // Правительство Российской Федерации: офиц. сайт. URL: http://static.government.ru/media/files/7b9bstNfV640nCkkAzCRJ9N8k7uhW8mY.pdf (дата обращения: 04.05.2023).

Верн Ж. Таинственный остров / пер. с фр. Н. Немчиновой, А. Худадовой. М.: Правда, 1984. 624 с.

Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / V. Masson-Delmotte, et al. (eds.). Cambridge, UK, et al.: Cambridge University Press, 2021. 2391 p. DOI: 10.1017/9781009157896.

Савитенко М.А., Рыбаков Б.А. Применение водорода в энергетике: вопросы экологии // Турбины и дизели. 2021. Январь – февраль. С. 10–16.

Шалимов Ю.Н., Кудряш В.И., Гусев А.Л. и др. Проблемы применения водорода в энергетике // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2009. № 3 (71). С. 61–74.

World’s first hydrogen-blend turbine tested for gas pipeline infrastructure // Baker Hughes Company: офиц. сайт. URL: https://www.bakerhughes.com/sites/bakerhughes/files/2020-11/BakerHughes_Case_NovaLT12_H2_Snam_Istrana_A4-102720.pdf (дата обращения: 04.05.2023).

Tekin N., Ashikaga M., Horikawa A., Funke H. Enhancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems // Gas for Energy. 2018. No. 2. P. 1–6.

Balestri M., Benelli G., Donatini F., et al. Enel’s Fusina hydrogen-fed power generation plant // Proceedings of the 2007 International Conference on Clean Electrical Power. Capri, Italy: IEEE, 2007. P. 456–463. DOI: 10.1109/ICCEP.2007.384254.

Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Тетеревлев Р.В., Романов К.В. Метан, водород, углерод: новые рынки, новые возможности // Транспорт на альтернативном топливе. 2020. № 6 (78). С. 48–59.

Шнипова А.И. Развитие водородной энергетики в России: новая энергополитика // Энергия единой сети. 2022. № 1 (62). С. 58–69.

Козин Л.Ф., Волков С.В. Водородная энергетика и экология. Киев: Наукова думка, 2002. 336 с.

T-Raissi A., Block D.L. Hydrogen: Automotive fuel of the future // IEEE Power and Energy Magazine. 2004. Vol. 2, No. 6. P. 40–45. DOI: 10.1109/MPAE.2004.1359020.

Timmerberg S., Kaltschmitt M., Finkbeiner M. Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas – GHG emissions and costs // Energy Convers. Manage.: X. 2020. Vol. 7. Article ID 100043. DOI: 10.1016/J.ECMX.2020.100043.

Сосна М.Х., Масленникова М.В., Крючков М.В., Пустовалов М.В. «Зеленый» и/или «голубой» водород // НефтеГазоХимия. 2020. № 3–4. С. 21–23. DOI: 10.24412/2310-8266-2020-3-4-21-23.

Аксютин О., Ишков А., Романов К., Тетеревлев Р. Роль российского природного газа в развитии водородной энергетики // Энергетическая политика. 2021. № 3 (157). С. 6–19. DOI: 10.46920/2409-5516_2021_3157_6.

Российская Федерация. Правительство. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 № 1523-р // Правительство Российской Федерации: офиц. сайт. URL: http://government.ru/docs/all/128340/ (дата обращения: 04.05.2023).

Клименко А.В., Агабабов В.С., Борисова П.Н. Совместная генерация произведенных энергоносителей (обзор) // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25, № 2. С. 6–29. DOI: 10.18721/JEST.25201.

Генрих К.А., Мошкин Б.Н. Проблемы ТЭЦ в современной модели оптового рынка электроэнергии и мощности // Инфраструктурные отрасли экономики: проблемы и перспективы развития. 2015. № 9. С. 87–89.

Тувальбаев Б.Г., Моисеев В.И. Работа ТЭС в постоянном режиме с выработкой дополнительной продукции на невостребованной энергии // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. № 4 (84). С. 24–27.

Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В. Водородная энергетика: прошлое, настоящее, виды на будущее // Российский химический журнал. 2006. Т. 50, № 6. С. 5–18.

Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Хлопцов В.Г. и др. Концепция крупномасштабного развития инновационных систем производства и распределения метано-водородного топлива как эффективного альтернативного энергоносителя // Центр «КОРТЭС»: офиц. сайт. URL: https://ccortes.ru/st_docs/klumpur2012.pdf (дата обращения: 04.05.2023).

Рапопорт Ф.М., Ильинская А.А. Лабораторные методы получения чистых газов. М.: Госхимиздат, 1963. 419 с.

Шелищ П.Б., Раменский А.Ю. Безопасность при работе с водородом // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2009. № 11 (79). С. 93–105.

Родичкин И.В., Карасевич В.А. Водородная экономика как драйвер энергетического перехода // Экономические и социальные проблемы России. 2022. № 1 (49). С. 26–45. DOI: 10.31249/espr/2022.01.02.

Чугунов А.В., Бебешко И.Г., Семенов А.М. и др. Экспериментальное исследование воздействия смеси газов метана и водорода на структурно-механические свойства некоторых марок стали // Газовая промышленность. 2016. № 10 (744). С. 82–89.

Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлургиздат, 1962. 197 с.

Jewett R.P., Walter R.J., Chandler W.T., Frohmberg R.P. Hydrogen environment embrittlement of metals: contractor report No. NASA-CR-2163. Washington, DC, USA: NASA, 1973. 235 p.

Марьин Г.Е., Осипов Б.М., Ахметшин А.Р., Савина М.В. Добавление водорода к топливному газу для повышения энергетических характеристик газотурбинных установок // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25, № 3. С. 342–355. DOI: 10.21285/1814-3520-2021-3-342-355.

Melaina M.W., Antonia O., Penev M. Blending hydrogen into natural gas pipelines networks: A review of key issues: technical report No. NREL/TP-500-51995. Golden, CO, USA: NREL, 2013. 131 p.

Буров В.Д., Савитенко М.А., Рыбаков Б.А. Сжигание водородосодержащих газов в газотурбинных установках // Турбины и дизели. 2021. Март – апрель. С. 16–22.

Шишин А.А., Титов А.В., Осипов Б.М., Кривоносова В.В. Исследование впрыска воды и подвода пара в проточную часть энергетической газотурбинной установки ГТЭ-65 // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 9–10. С. 47–51.

Мингазов Б.Г., Мухаметгалиев Т.Х. Исследование эмиссии токсичных веществ при впрыске воды в камеру сгорания // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). 2011. № 5 (29). С. 203–207.

The Russian Government. Order No. 2634-r dated 12 October 2020. Action plan “Development of Hydrogen Energy in the Russian Federation until 2024”. Available from: http://static.government.ru/media/files/7b9bstNfV640nCkkAzCRJ9N8k7uhW8mY.pdf [Accessed: 4 May 2023]. (In Russian)

Verne J. The Mysterious Island. Trans Nemchinova N, Hudadova A. Moscow: Truth [Pravda]; 1984. (In Russian)

IPCC, Masson-Delmotte V, Zhai P, Pirani A, Connors SL, Péan C, et al. (eds.). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK and New York, NY, USA: Cambridge University Press; 2021. https://doi.org/10.1017/9781009157896.

Savitenko MA, Rybakov BA. Hydrogen application for power generation: Ecological issues. Turbines & Diesels [Turbiny i dizeli]. 2021; (January – February): 10–16. (In Russian)

Shalimov YuN, Kudrjash VI, Gusev AL, Parfenjuk VI, Litvinov YuV, Sychev AM, et al. Problems of application of hydrogen in power. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) [Al’ternativnaya energetika i ekologiya]. 2009; 71(3): 61–74. (In Russian)

Baker Hughes Company. World’s first hydrogen-blend turbine tested for gas pipeline infrastructure. Available from: https://www.bakerhughes.com/sites/bakerhughes/files/2020-11/BakerHughes_Case_NovaLT12_H2_Snam_Istrana_A4-102720.pdf [Accessed: 4 May 2023].

Tekin N, Ashikaga M, Horikawa A, Funke H. Enhancement of fuel flexibility of industrial gas turbines by development of innovative hydrogen combustion systems. Gas for Energy. 2018; (2): 1–6.

Balestri M, Benelli G, Donatini F, Arlati F, Conti G. Enel’s Fusina hydrogen-fed power generation plant. In: IEEE Proceedings of the 2007 International Conference on Clean Electrical Power, 21–23 May 2007, Capri, Italy. Capri, Italy: IEEE; 2007. p. 456–463. https://doi.org/10.1109/ICCEP.2007.384254.

Aksyutin OE, Ishkov AG, Teterevlev RV, Romanov KV. Methane, hydrogen, carbon: New markets, new opportunities. Alternative Fuel Transport [Transport na al’ternativnom toplive]. 2020; 78(6): 48–59. (In Russian)

Shnipova AI. Development of hydrogen energy in Russia: New energy policy. Energy of Unified Grid [Energiya edinoj seti]. 2022; 62(1): 58–69. (In Russian)

Kozin LF, Volkov SV. Hydrogen Energy and Ecology. Kyiv: Scientific Thought [Naukova dumka]; 2002. (In Russian)

T-Raissi A, Block DL. Hydrogen: Automotive fuel of the future. IEEE Power and Energy Magazine. 2004; 2(6): 40–45. https://doi.org/10.1109/MPAE.2004.1359020.

Timmerberg S, Kaltschmitt M, Finkbeiner M. Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas – GHG emissions and costs. Energy Convers. Manage.: X. 2020; 7: article ID 100043. https://doi.org/10.1016/J.ECMX.2020.100043.

Sosna MKh, Maslennikova MV, Kryuchkov MV, Pustovalov MV. “Green” and/or “blue” hydrogen. Oil & Gas Chemistry [NefteGazoHimiya]. 2020; (3–4): 21–23. https://doi.org/10.24412/2310-8266-2020-3-4-21-23. (In Russian)

Aksyutin O, Ishkov A, Teterevlev R, Romanov K. The role of Russian natural gas in the development of hydrogen energy. Energy Policy [Energeticheskaya politika]. 2021; 157(3): 6–19. https://doi.org/10.46920/2409-5516_2021_3157_6. (In Russian)

The Russian Government. Decree No. 1523-r dated 9 June 2020. The energy strategy of the Russian Federation to 2035. Available from: http://government.ru/docs/all/128340/ [Accessed: 4 May 2023]. (In Russian)

Klimenko AV, Agababov VS, Borisova PN. Combined generation of produced energy carriers: Review. St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology [Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki]. 2019; 25(2): 6–29. https://doi.org/10.18721/JEST.25201. (In Russian)

Genrih KA, Moshkin BN. Problems of CHP in the modern model of the wholesale electricity and power market. Infrastructural Branches of the Economy: Problems and Prospects for Development [Infrastrukturnye otrasli ekonomiki: problemy i perspektivy razvitiya]. 2015; (9): 87–89. (In Russian)

Tuvalbaev BG, Moiseev VI. Work of thermal power plants in continuous operation with generation of additional products on excess energy. Energy Saving and Water Treatment [Energosberezhenie i vodopodgotovka]. 2013; 84(4): 24–27. (In Russian)

Tarasov BP, Lotockij MV. Hydrogen energy: Past, present, and future Views. Russian Chemical Journal [Rossijskij himicheskij zhurnal]. 2006; 50(6): 5–18. (In Russian)

Aksyutin OE, Ishkov AG, Hlopcov VG, Kazaryan VA, Stolyarevskij AYa. Concept of large-scale development of innovative systems of production and distribution of methane-hydrogen fuel as an effective alternative energy carrier. Available from: https://ccortes.ru/st_docs/klumpur2012.pdf [Accessed: 4 May 2023]. (In Russian)

Rapoport FM, Ilinskaya AA. Laboratory Methods for Obtaining Pure Gases. Moscow: Goshimizdat; 1963. (In Russian)

Shelishch PB, Ramenskij AYu. Safety when working with hydrogen. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2009; 79(11): 93–105. (In Russian)

Rodichkin IG, Karasevich VA. Hydrogen economy as a driver for energy transition. Russia’s Economic and Social Problems [Ekonomicheskie i social’nye problemy Rossii]. 2022; 49(1): 26–45. https://doi.org/10.31249/espr/2022.01.02. (In Russian)

Chugunov AV, Bebeshko IG, Semenov AM, Becker W, Fenin C, Floecher T. Experimental research in the influence of a mixture of methane and oxygen gases upon structural and mechanical properties of several steel grades. Gas Industry [Gazovaya promyshlennost’]. 2016; 744(10): 82–89. (In Russian)

Karpenko GV, Kripyakevich RI. Influence of Hydrogen on Steel Properties. Moscow: Metallurgizdat; 1962. (In Russian)

Jewett RP, Walter RJ, Chandler WT, Frohmberg RP. Hydrogen environment embrittlement of metals. NASA. Report No.: NASA-CR-2163, 1973.

Marin GE, Osipov BM, Akhmetshin AR, Savina MV. Adding hydrogen to fuel gas to improve energy performance of gas-turbine plants. Proceedings of Irkutsk State Technical University [Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta]. 2021; 25(3): 342–355. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-3-342-355. (In Russian)

Melaina MW, Antonia O, Penev M. Blending hydrogen into natural gas pipelines networks: A review of key issues. NREL. Report No.: NREL/TP-500-51995, 2013.

Burov VD, Savitenko MA, Rybakov BA. Combustion of methane-hydrogen gases in gas turbine plants. Turbines & Diesels. 2021; (March – April): 16–22. (In Russian)

Shishin AA, Titov AV, Osipov BM, Krivonosova VV. Investigation of injection water and steam flow in part of energy gas turbine GTE-65. Power Engineering: Research, Equipment, Technology [Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy energetiki]. 2012; (9–10): 47–51. (In Russian)

Mingazov BG, Mukhametgaliev TH. Research of toxic substances emission during water injection into a combustion chamber. Bulletin of Samara State Aerospace University Named after Academician S.P. Korolev (National Research University) [Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S.P. Koroleva (nacional’nogo issledovatel’skogo universiteta)]. 2011; 29(5): 203–207. (In Russian)

Назад к журналу
NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

О нас

 

 

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57