Основы проектирования метано-водородной энергетики и водородных энергохимических комплексов

 
 
 
 
 
 
 
А. И. Агафонов, Р. А. Агафонов, В. И. Чернецов 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ  
И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики  
и электротехники в качестве учебного пособия для студентов  
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки  
«Электроэнергетика» специальности «Водородная энергетика» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 620.92 
ББК 31.15 
А23 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой общей химической технологии и катализа  
Санкт-Петербургского государственного технологического института  
(технологического университета) профессор, д. х. н. Е. А. Власов; 
д. т. н., профессор кафедры приборостроения ПГУ Т. И. Мурашкина 
 
 
 
Агафонов, А. И. 
А23  
Основы проектирования метано-водородной энергетики и водородных энергохимических комплексов : учебное пособие / А. И. Агафонов,  
Р. А. Агафонов, В. И. Чернецов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2023. – 364 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1426-5 
 
Рассматриваются проблемы и перспективы развития водородной энергетики, 
дано обоснование задержки развития и внедрения атомно-водородного и солнечноводородного направлений и перспектив их развития, обоснован выбор метановодородного направления развития водородной энергетики. Дано обоснование возобновляемости запасов нефти и газа как основы развития метано-водородной энергетики, определена её сырьевая база на длительный период. Приведены основные направления повышения энергоэффективности и экологии метано-водородной энергетики. 
Даны основы химической кинетики, катализа, адсорбции и десорбции, активированного комплекса, термоэлектронной эмиссии на поверхности катализатора, химической 
технологии. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика» специальности «Водородная энергетика». 
 
 
УДК 620.92 
ББК 31.15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1426-5 
© Агафонов А. И., Агафонов Р. А., Чернецов В. И., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
...................................................................................................... 8 
1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОСНОВНЫХ  
НАПРАВЛЕНИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ВЫБОР  
НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ................................. 18 
1.1. Энергоресурсы мировой энергетики и проблемы экологической  
безопасности ............................................................................................................ 18 
1.2. О причинах появления и задержки развития концепции водородной  
энергетики ................................................................................................................ 22 
1.3. Состояние работ в России в области водородной энергетики .................... 24 
1.4. Общие сведения о физико-химических свойствах водорода с учётом  
его применения в энергетике ................................................................................. 26 
1.5. Анализ перспектив развития атомно-водородного  
и солнечно-водородного направлений водородной энергетики ........................ 28 
1.6. Обоснование выбора метано-водородного направления водородной  
энергетики в XXI веке как наименее затратного, наиболее эффективного,  
широко применяемого в промышленности и поэтому быстро реализуемого 
направления ............................................................................................................. 29 
1.7. Анализ способов производства водорода и выбор наиболее  
эффективного, быстро внедряемого и в значительной мере возобновляемого 
способа производства водорода для энергетики 
.................................................. 32 
Литература к главе 1 ............................................................................................... 34 
 
2. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА В ХИМИЧЕСКОЙ, 
НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ, НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ,  
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ВОДОРОДНОЙ  
ЭНЕРГЕТИКЕ 
........................................................................................................ 36 
2.1. Общая характеристика способов производства водорода ........................... 36 
2.2. Физические методы извлечения водорода из водородосодержащих  
газов .......................................................................................................................... 36 
2.3. Электрохимический способ получения водорода ........................................ 37 
2.4. Термическое разложение углеводородов ...................................................... 40 
2.5. Биологические способы получения водорода 
............................................... 41 
2.6. Промышленные методы производства водорода, структура  
потребления и основные направления повышения их эффективности 
............. 43 
2.7. Общие представления о процессе паровой каталитической  
конверсии природного газа (метана) и жидких углеводородов ......................... 45 
2.8. Технико-экономическое и экологическое обоснование выбора способа  
производства водорода для энергетики ................................................................ 47 
Литература к главе 2 ............................................................................................... 50 
 
 
3 

3. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 
...... 52 
3.1. Анализ проблем применения водорода в энергетике 
................................... 52 
3.2. Проблема «лучистой энергии» при сжигании водорода 
.............................. 53 
3.3. Анализ проблемы взрывоопасности, пожароопасности применения  
водорода в энергетике и обоснование необходимости  
«водородного всеобуча» ......................................................................................... 54 
3.4. О проблеме выбора сырьевой базы водородной энергетики  
и источника энергии для получения водорода 
..................................................... 55 
Литература к главе 3 ............................................................................................... 57 
 
4. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ........... 59 
4.1. О проблемах хранения, транспортирования и аккумулирования  
водорода ................................................................................................................... 59 
4.2. Способ хранения водорода в баллонах под давлением 
................................ 59 
4.3. Способ хранения водорода в криогенном состоянии в баллонах ............... 60 
4.4. Способ хранения водорода в интерметаллических аккумуляторах............ 61 
4.5. Перспективный способ хранения водорода в химических  
соединениях ............................................................................................................. 62 
Литература к главе 4 ............................................................................................... 62 
 
5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ  
ВОЗОБНОВЛЯЕМОСТИ ЗАПАСОВ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА. 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСНОЙ БАЗЫ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ  
ЭНЕРГЕТИКИ ....................................................................................................... 63 
5.1. Анализ современного состояния проблем происхождения нефти  
и природного газа .................................................................................................... 63 
5.2. Сравнительный анализ органической и неорганической  
(«минеральной») концепций нефтегазообразования 
........................................... 63 
5.3. Научная концепция нефтегазообразования д. г.-м. н. В. Ларина 
................ 65 
5.4. Научная концепция Р. А. Исмагилова и М. Ф. Фархутдинова 
.................... 67 
5.5. Научная концепция по энергетике осадочных процессов  
П. П. Тимофеева, А. В. Щербакова, В. А. Ильина ............................................... 67 
5.6. Открытие академика Якутского филиала CO АН СССР Н. В. Черского  
об активном участии в процессах непрерывного нефтегазообразования  
упругих волн сейсмотектонических процессов как из органических,  
так и из неорганических веществ с экспериментальным подтверждением 
...... 71 
5.7. Практические подтверждения возобновляемости запасов нефти  
и природного газа .................................................................................................... 73 
5.8. О проблемах образования и добычи природного газообразного  
водорода из скоплений водорода в недрах Земли в результате её  
дегазации .................................................................................................................. 75 
5.9. Определение сырьевой базы метано-водородной энергетики .................... 78 
Литература к главе 5 ............................................................................................... 79 
 
4 

6. О РОЛИ И ОСНОВАХ ХИМИЧЕСКОЙ НАУКИ, ХИМИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ: КИНЕТИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ, КАТАЛИЗА, 
ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И ЕЁ АКТИВАЦИИ, АДСОРБЦИИ  
И ДЕСОРБЦИИ В РАЗВИТИИ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ  
ЭНЕРГЕТИКИ ....................................................................................................... 83 
6.1. О роли химической науки и химической технологии в развитии  
современной цивилизации 
...................................................................................... 83 
6.2. Понятие о химической технологии, о разработке экономичных способов 
крупномасштабного производства и потребления водорода,  
объединяющего энергетику и химическую технологию .................................... 87 
6.3. Основные законы химии 
.................................................................................. 89 
6.4. Общие представления о химической кинетике и термодинамике 
.............. 97 
6.5. Химическая связь в веществах 
........................................................................ 99 
6.6. Активация молекул и проблемы реакционной способности 
..................... 116 
6.7. Основы катализа 
............................................................................................. 119 
6.8. Основные стадии и кинетические особенности  
гетерогенно-каталитических процессов ............................................................. 124 
6.9. Каталитические свойства переходных металлов периодической  
системы для катализаторов .................................................................................. 139 
6.10. Активированный комплекс, поверхность металлов,  
термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия ................................................. 144 
Литература к главе 6 ............................................................................................. 150 
 
7. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ  
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ  
ВОДОРОДА, ПОЛУЧЕННОГО СПОСОБОМ ПАРОВОЙ  
КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ................... 152 
7.1. Особенности обоснования энергоэффективности ПКК  
природного газа в водород для энергетики  ....................................................... 152 
7.2. Сравнительный анализ термодинамических, термохимических,  
каталитических и энергетических процессов как при термической  
диссоциации природного газа и воды, так и при ПКК природного газа  
в водород для энергетики ..................................................................................... 153 
7.3. Анализ энергетической схемы, связывающей теплоты образования  
веществ, энергии связи, энергий сгорания, диссоциации на атомы,  
их синтеза в простые вещества, сложные соединения ...................................... 156 
7.4. Сравнительный анализ теплоты окисления природного молекулярного  
углерода (угля, графита, алмаза) и теплоты окисления атома углерода  
молекулы метана (CH4) с атомом кислорода молекулы воды при ПКК  
природного газа ..................................................................................................... 158 
7.5. Обоснование и расчёт энергоэффективности применения в энергетике  
водорода, полученного способом ПКК природного газа 
.................................. 162 
5 

7.6. О применении водородного пароперегрева как способа повышения  
энергоэффективности, экологии и электрического КПД при сжигании  
водорода в кислороде 
............................................................................................ 166 
Литература к главе 7 ............................................................................................. 169 
 
8. ОБ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ПОВЫШЕНИЯ  
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ЭКОЛОГИИ, 
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИИ, СНИЖЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ  
ПРИ СОЗДАНИИ ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ  
И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 
................ 171 
8.1. Анализ технических способов повышения КПД ПКК природного газа,  
ресурсосбережения, экологии при проведении ПКК природного газа ........... 171 
8.2. Обоснование применения технологии разделения воздуха на кислород  
и азот как при ПКК природного газа в водород, так и при применении  
водорода в энергетике, производстве химической продукции ........................ 175 
8.3. О роли химической технологии в повышении эффективности  
производства водорода для энергетики .............................................................. 179 
8.4. О разработке новых способов повышения КПД, экологической чистоты  
при производстве водорода способом ПКК природного газа .......................... 182 
8.5. О разработке и применении комплексной, высокоэффективной,  
экологически чистой и безотходной технологии производства водорода  
способом ПКК природного газа и его применение в энергетике,  
в производстве химической продукции, чистого пара (воды) ......................... 189 
Литература к главе 8 ............................................................................................. 204 
 
9. ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА 
СПОСОБОМ ПАРОВОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ  
ПРИРОДНОГО ГАЗА КАК ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
МЕТАНО-ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ВОДОРОДНЫХ  
ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 
................................................... 211 
9.1. Состояние работ в области производства водорода способом ПКК  
природного газа в химической, нефтехимической  
и нефтеперерабатывающей промышленности и металлургии ......................... 211 
9.2. Подготовка сырья к каталитической конверсии ......................................... 212 
9.3. Производство водорода и синтез-газа способом паровой  
каталитической конверсии природного газа  ..................................................... 213 
9.4. Основное технологическое оборудование производства водорода.  
Химические реакторы ........................................................................................... 225 
9.5. Основные правила эксплуатации установок производства водорода ...... 239 
9.6. Основные правила аварийной остановки производства ............................ 262 
9.7. Контроль производства и автоматическое управление производством 
...... 
267 
9.8. Техника безопасности при производстве и использовании водорода 
...... 269 
Литература к главе 9 ............................................................................................. 282 
6 

10. О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОБРАЗЦОВ  
МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ВОДОРОДНЫХ  
ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО БЕЗОТХОДНОЙ  
ТЕХНОЛОГИИ И ПОЛНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ  
ВЫБРОСОВ 
.......................................................................................................... 284 
10.1. Научно-техническая и практическая база создания  
демонстрационных образцов водородной энергетики ...................................... 286 
10.2. Назначение и цели создания демонстрационных образцов  
(дем. обр.) ............................................................................................................... 286 
Литература к главе 10 ........................................................................................... 290 
 
11. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ  
И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ  
И СОЦИАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА СОЗДАНИЯ  
И ВНЕДРЕНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ  
И МЕТАНО-ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ  
КОМПЛЕКСОВ ................................................................................................... 296 
11.1. Научные результаты прикладных исследований в области создания  
метано-водородной энергетики и водородных энергохимических  
комплексов ............................................................................................................. 296 
11.2. Основные технико-экономические, экологические и интеллектуальные 
показатели проекта создания и крайние сроки внедрения  
метано-водородной энергетики ........................................................................... 323 
11.3. Основные этапы после завершения работ по созданию демонстрационных 
образцов метано-водородной энергетики, их изготовления, проведения  
испытаний и получения положительных результатов испытаний  ................. 350 
Литература к главе 11 ........................................................................................... 353 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Автору книги «Проблемы развития химии –  
прорыв в будущее», главному редактору сборника  
«Атомно-водородная энергетика и технология» (1978–1988 гг.),  
зам. председателя Комиссии АН СССР по водородной энергетике,  
одному из представителей «водородной романтики 1978–1988 гг.»  
академику АН СССР Легасову Валерию Алексеевичу  
посвящается 
 
Книга является первым учебным пособием по основам проектирования 
водородной энергетики для студентов вузов и научных работников. Работа 
над книгой проводилась с учётом следующих факторов и проблем в мировой 
энергетике и энергетике России. 
Сегодня весь мир, включая и нашу страну, столкнулся с серьёзными 
энергетическими вызовами, связанными с быстрым ростом населения планеты, с ускорением экономического роста развивающихся стран, крайне неравномерным распределением энергетических ресурсов и транспортных путей их 
доставки, значительной экологической нагрузкой на окружающую среду, глобализацией и рядом других факторов. Всё это остро ставит вопрос об энергетической и экологической безопасности современного мира. 
Для России ситуация усугубляется известными проблемами переходного 
периода и тем обстоятельством, что Россия, являясь самой холодной страной 
мира, тратит четверть своих энергоресурсов на простой обогрев. 
В настоящее время перед Российской Федерацией остро стоит проблема 
активации инновационного развития в целях повышения конкурентоспособности государства в мировой экономике и повышения уровня жизни граждан 
страны. Энергетика, как научно-техническая основа современной цивилизации, напрямую определяет уровень, масштабы и темпы социальноэкономического развития стран современного мира. Построить мощную современную экономику могут только энергетически развитые страны, сумевшие построить у себя современный высокоэффективный, экологически чистый, энергетический комплекс. При этом экономический рост должен обязательно сопровождаться ускоренным, опережающим ростом энергетики, опирающейся на новейшие достижения науки и техники и от которой напрямую 
зависят его темп, структура, устойчивость, энергосбережение, энергоэффективность, энергетическая и экологическая безопасность. 
В настоящее время энергетика России и, в первую очередь, электроэнергетика исчерпала свои внутренние ресурсы и требует качественно новой стратегии: ускоренного развития экологически чистой, высокоэффективной энергетики, кардинального повышения технического уровня и надёжности систем 
электротеплоснабжения, повышения показателей энергоэффективности, энергосбережения, ресурсосбережение и экологии. Критическое состояние энергетики России вызвано изношенностью оборудования до 70 %, низкой эффек8 

тивностью оборудования в электроэнергетике (электрический КПД на ТЭЦ 
России составляет всего 28–38 %) и низким коэффициентом использования 
топлива (в 3–4 раза ниже зарубежных показателей). 
Именно по этой причине научная работа по водородной энергетике актуальна и принципиально важна не только для инновационного развития энергетики России, но и для подготовки научных и технических кадров. Важность 
развития водородной энергетики будущего, подчёркивается в выступлениях 
Президента, Председателя Правительства России, в материалах РАН, на российских и международных конференциях, в проекте Национальной программы развития водородной энергетики России до 2050 г. В настоящее время водородная энергетика и водородная экономика получили высшее международное признание как перспективные направления для решения глобальных энергоэкологических проблем и развития глобальной энергетики в XXI веке. 
Стремительное развитие науки и техники, нацеленных на разработку 
энергетических систем с использованием водорода в качестве альтернативного энергоносителя, лежит в основе возрастающего интереса к промышленному 
освоению и внедрению систем электротеплоснабжения, работающих на водородном топливе. Конкретные технические программы по созданию водородных энергоносителей во многом зависят от решения проблем реализации эффективных способов производства водорода. Поэтому поиск новых технологий и способов для более эффективного производства водорода в больших 
объёмах для повышения как энергетических, так и экологических показателей 
является одной из актуальных задач развития водородной энергетики. 
Отличительной особенностью предлагаемой книги по водородной энергетике является то, что в ней обобщён многолетний опыт работы и сотрудничества учёных и специалистов г. Пензы: 
– со специалистами химических предприятий по производству и использованию в больших объёмах водорода по утверждённому технологическому 
регламенту с соблюдением всех норм и правил безопасности, например специалистами Новомосковского азотного комбината, Новокуйбышевского завода по переработке нефти, завода в г. Стерлитамак республики Башкортостан и 
ряда других; 
– с учёными и специалистами Государственного института азотной промышленности (ГИАП) г. Москва по вопросу проектирования реакторов паровой каталитической конверсии (ПКК) природного газа, по характеристикам и 
номенклатуре разработанных и применяемых ими катализаторов; 
– с учёными Института катализа CO РАН г. Новосибирска, кафедрой катализа технологического института (технического университета) г. С.-Петербурга, 
лаборатории «квантовой электроники» университета телекоммуникаций им. 
проф. Бонч-Бруевича, г. С.-Петербург (2005–2007 гг.) по водородным мембранам; 
– с учёными ООО «Наука» г. Салават республики Башкортостан при выполнении ими НИР ОАО «НИИВТ» г. Пензы по определению затрат и эффек9 

тивности применения в энергетике водорода, полученного способом ПКК 
природного газа; 
– специалистами ряда теплоэлектроцентралей, например:  
- ТЭЦ-1 г. Пензы при проведении предпроектных работ по внедрению 
на одном из котлов ТЭЦ-1 производительностью 170 т пара, давлением 
100 атмосфер, температурой 520–540 °C и расходом природного газа в 
17000 м3/час технологии производства и сжигания вместо природного 
газа синтез-газа (3H2 + CО) или водорода (4H2) c ожидаемой экономией 10÷20 % природного газа; 
- на малых ТЭЦ мощностью 12 и 24 МВт ОАО «МОЭК» Правительства г. Москвы путём перевода их также на технологию производства 
и сжигания синтез-газа или водорода. Проект в форме доклада обсуждался на расширенном НТС ОАО «МОЭК» с привлечением ведущих 
экспертов из ведущих научных организаций; 
- со специалистами ОАО «Иркутск-Энерго» по вопросу внедрения технологию сжигания попутного (выбрасываемого в атмосферу) водорода 
для выработки технологического пара на предприятии «Саянскхимпласт» под Иркутском; 
– со специалистами заводов цементной промышленности, работающих 
на природном газе путём перевода их на новое высококалорийное и более 
экологичное топливо – водород; 
– с представителями зарубежных фирм: по реакторам ПКК природного 
газа (Foster Wheeler), по немецким водородным горелкам и системам автоматики (Siemens). 
В результате активного сотрудничества и обсуждения актуальных вопросов и проблем развития водородной энергетики авторами были выполнены 
прикладные исследования, которые позволили определить причины длительной задержки внедрения водородной энергетики и обосновать выбор наиболее 
перспективного, наименее затратного, быстро реализуемого, более эффективного и экологически чистого направления развития водородной энергетики. 
Так получилось, что концепция необходимости развития водородной 
энергетики появилась одновременно с широко пропагандируемой концепцией 
очень скорого истощения запасов нефти (в ближайшие 40 лет) во время первого нефтяного энергетического кризиса в начале 70-х годов XX столетия в западных странах (во многом спровоцированного и политического). В то время 
на волне популярности и подъёма атомной энергетики определились в научных кругах два наиболее перспективных направления развития водородной 
энергетики: атомно-водородной и солнечно-водородной энергетики с исключением ископаемых топлив. Применение же метано-водородного направления 
считалось неперспективным и до настоящего времени практическое её применение не рассматривается. По указанным направлениям производства водорода (атомно-водородному и солнечному) предлагался электролиз воды, считая, 
что со временем значительные затраты на производство водорода могут выравнены с учётом роста цен на ископаемые топлива. 
10