С учетом текущих реалий все большее предпочтение отдается генерации энергии на базе возобновляемых источников энергии, а также разработке мероприятий, направленных на снижение углеродного следа. Одним из таких мероприятий является использование водорода в качестве топлива для энергоустановок, или частичное его использование в составе топливной смеси.
Цели и задачи данной работы

• определение возможности использования водородного топлива в качестве альтернативы топливному газу;
• оценка уровня снижения выбросов за счет применения водорода в качестве топлива;
• определение доли замещения топливного газа водородом;
• описание технологий получения водорода.

Актуальность и новизна

• большое количество объектов генерации на базе ГТУ, а также газоперекачивающих объектов, использующих в качестве привода ГТУ;
• возможность снижения выбросов за счет применения водородного топлива;
• в настоящий момент применение водорода как альтернативы топливному газу не имеет широкого распространяя на территории РФ.

Некоторые недостатки применения водорода:

• высокая стоимость. Производство и хранение водородного топлива обходится дороже, чем использование ископаемого топлива;
• высокие требования безопасности. Водород очень огнеопасен, при неправильном обращении с ним существует риск взрыва, что может представлять опасность для людей и инфраструктуры;
• ограниченная инфраструктура. Инфраструктура для производства, хранения и транспортировки водорода ещё не получила широкого распространения, что ограничивает его использование в качестве источника топлива;
• производство водорода из ископаемых источников. Если водород производится из таких источников, как природный газ, процесс может сопровождаться выбросами углеродных газов и других загрязнений, что уменьшает экологическую чистоту этого топлива.

Одной из основных задач в рамках рассмотрения водорода в качестве составляющей топливной смеси ГТУ является задача по определению способа получения водорода.
На текущий момент существуют следующие способы получения водорода:

• паровая конверсия метана (метан нагревают до 700–1 000 °C в присутствии катализатора и водяного пара, образуя водород и угарный газ CO);
• газификация угля (уголь нагревают с водяным паром и кислородом при температуре 900–1 200 °C, в результате образуется синтез-газ, содержащий водород, угарный газ и углекислый газ CO₂);
• электролиз воды (вода подается в электролизер, под воздействием электрического тока молекулы воды расщепляются: на катоде выделяется водород, на аноде — кислород);
• пиролиз метана (метан нагревают до температуры выше 1 000 °C без доступа кислорода, в результате он разлагается на водород и твёрдый углерод);
• частичное окисление (метод получения водорода из углеводородов, при котором используется ограниченное количество кислорода, недостаточное для полного окисления веществ до углекислого газа и воды);
• биотехнология (процесс биологического расщепления воды, сопровождающийся выделением молекулярного водорода, которое осуществляется в замкнутом фотобиореакторе одноклеточными зелёными водорослями — хламидомонадами или хлореллами).

Каждый из представленных способов обладает своими преимуществами и недостатками, а также определёнными требованиями и условиями. При выборе оптимального варианта производства водорода определяющими факторами могут стать:

• доступность сырья и энергоресурсов для технологических нужд по производству водорода;
• уровень энергопотребления технологических объектов по производству водорода;
• производительность технологических установок;
• удельная площадь технологических объектов на долю произведенного водорода.

В таблице 1 представлены различные способы получения водорода с указанием уровня выбросов СО₂.

Из таблицы 1 следует, что для наибольшего эффекта по снижению выбросов в атмосферу необходимо предусмотреть энергоснабжение технологических объектов по производству водорода от возобновляемых энергоисточников, либо от энергоисточников с установками по улавливанию CO₂. Такие решения позволят сократить выбросы СО₂ при производстве водорода. В зависимости от используемого метода производства водорода, а также от сырья/источника энергии (газ, АЭС, ВИЭ) величина снижение выбросов СО₂ может значительно отличаться. Также необходимо учитывать удельные операционные затраты при производстве водорода.
Итоговый вариант производства водорода для каждого рассматриваемого объекта необходимо определять на основании проведенной технико-экономической оценки.
Топливная смесь с содержанием водорода более 20 % имеет неоспоримые преимущества относительно природного газа и попутного нефтяного газа в чистом виде за счет снижения доли CO, CO₂ и оксидов серы SO_x. При сжигании водорода в основном образуется вода и оксид азота NO_x, влияние которых не оказывается значительный эффект в суммарных выбросах в атмосферу относительно выбросов при сжигании топливного газа. При сравнении выбросов при сжигании водорода и топливного газа на энергетических установках можно сделать вывод об относительной экологичности водородного топлива.
В силу текущей «зеленой повестки» существующие и перспективные объекты энергетики на базе ГТУ должны стремиться к рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов и снижению уровня выбросов в атмосферу. В связи с этим необходимо обеспечить возможность гибкого использования различных топливных смесей, в том числе и с использованием водорода, позволяющих снизить углеродный след.

Процесс горения водорода — реакция соединения водорода с кислородом, в результате которой выделяется большое количество теплоты и образуется вода и оксид азота NOx. В процессе горения газообразный водород обладает высокой реакционной способностью и поэтому имеет очень высокую скорость ламинарного горения.
При разработке технических решений для систем сжигания водорода пользуется накопленный опыт по работе с синтез-газом (полученным в процессе газификации практически любого углеродосодержащего сырья). Содержание метана в синтез-газе варьируется в пределах 38–50 % в зависимости от способа получения синтез-газа и использованного углеродосодержащего сырья. Тем самым наработки при работе на синтез-газе положили начало к разработке технических решений для работы на водородном топливе.
При увеличении доли водорода в топливной смеси возможно повышение температуры газового потока сверх допустимых значений из-за роста теплоты сгорания топливной смеси. Для безопасной эксплуатации ГТУ могут потребоваться конструктивные доработки (повышение степени двухконтурности, модернизация горелочных устройств и т.д.).
Ключевая задача при рассмотрении возможности сжигания большей доли водорода в составе топливной смеси на ГТУ — это изменение конструктивных особенностей горелочных устройств. На текущий момент есть ряд организаций, которые всерьез задумываются о перспективах использования водородного топлива в чистом виде, либо в составе топливной смеси. Так, например, российская компания-производитель ГТУ изучала влияние подмешивания 0…20%-ной доли водорода в природный газ в процессах горения в газовых турбинах НК-36СТ и НК-37
без изменения конструкций горелочных устройств и конструкций малоэмиссионных камер сгорания. Компания в Японии провела испытания на существующих газотурбинных установках и сделала заключение о возможности увеличения доли водорода до 25 % в смеси его с природным газом без существенных изменений в конструкции горелочных устройств газовой турбины.
В настоящий момент на территории РФ компанией АО «ОДК» создана научно-исследовательская рабочая группа по разработке методики проектирования и поверки камер сгорания горелочных устройств, работающих на метано-водородной смеси с массовой долей водорода от 0 до 100 %.

Для решения задачи сжигания водорода на ГТУ японская компания Kawasaki Heavy Industries разработала различные варианты систем сжигания топлива:

• диффузионно-пламенная камера сгорания;
• дополнительная горелка;
• горелка микро-микс.

Основной упор при разработке сделан на вариант с диффузионно-пламенной камерой сгорания — это устройство, в котором происходит диффузионное горение – сгорание топлива, которое разделяется с воздухом в камере сгорания без предварительного смешивания. Принцип работы такого устройства заключается во впрыске топлива в камеру сгорания через форсунку и естественным образом, где оно смешивается с окружающим воздухом. Фронт пламени при диффузионном горении образуется на поверхности взаимодействия горючего и окислителя.
На базе такого устройства в городе Кобе (Япония) в 2018 г. введена в эксплуатацию первая в своем роде ГТУ, работающая на 100 % водороде. Установленная мощность такой ГТУ составила 1,5 МВт.
В 2025 г. Китай начал строительство крупнейшего в мире проекта по производству электроэнергии на чистом водороде, интегрируя водородную турбину компании Mingyang Hydrogen мощностью 30 МВт в систему хранения и генерации возобновляемой энергии в зоне высокотехнологичного промышленного развития Отоке в Ордосе, Внутренняя Монголия. Турбина будет работать исключительно на 100 % водороде, а не на смеси с природным газом, что станет первым случаем такого масштаба в мировой энергетике. Kawasaki Heavy Industries продемонстрировала турбину,
мощностью 1 МВт, полностью работающую на водороде, в 2020 г., а Siemens в 2023 г. представила модель меньшего размера, работающую на водороде. Китайская инициатива уникальна тем, что напрямую интегрируется с крупномасштабными возобновляемыми источниками энергии.

Теплота сгорания топлива определяет количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ), или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания.
Единицы измерения удельной теплоты сгорания кДж/кг, кДж/м³, или ккал/кг, ккал/м³.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания. Низшая теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, без учета теплоты конденсации водяных паров.
Для сравнительных расчётов используется так называемое условное топливо, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29 308 кДж/кг (7 000 ккал/кг).
Для сравнения водорода с другими видами топлива, а также с условным топливом, каждый вид топлива приведен к общей единице измерения (количество теплоты на единицу массы, ккал/кг). Для перевода газообразного топлива из м3 в кг принята средняя плотность энергоносителя.
Сравнительный анализ удельный теплоты сгорания топлива представлен на рисунке 1

Водород обладает высокой энергоёмкостью: один килограмм вещества содержит 28 681 ккал энергии. Это практически в три раза больше, чем в 1 кг природного газа.
Однако, объемная энергетическая плотность водорода сравнительно ниже, чем у классических видов топлива: например, у сжиженного водорода этот показатель составляет всего 8 МДж/л, в то время как у бензина — 32 МДж/л. Это обуславливается очень низкой плотностью водорода 0,09 г/л,
или 0,09 кг/м³.
Говоря о топливной смеси (природный газ/попутный нефтяной газ и водород) можно получить следующие динамики изменения теплоты сгорания топлива за одну единицу объема и одну единицу массы топлива. Динамики изменения теплоты сгорания топлива в зависимости от пропорции топливного газа/водорода представлены на рисунке 2.

При увеличении доли водорода удельная массовая теплота сгорания растет пропорционально, при это удельная объемная теплота сгорания снижается. Это обуславливается сравнительно низкой плотностью водорода относительно топливного газа.

Смесь топливного газа (природный газ, или попутный нефтяной газ) с водородом при любых пропорциях дает экологический эффект относительно сжигания газа в чистом виде. На заводе в Такасаго на парогазовой установке мощностью 700 МВт были проведены испытания турбины в работе на топливной смеси из природного газа (70 %) и водорода (30 %).
Для сжигания топлива использовались горелки с вихревым перемешиванием. Благодаря водороду выбросы CO₂ сократились на 10 %, а выбросы оксидов азота, по мнению компании, «остались на удовлетворительном уровне» [1].
В качестве объекта исследования изменения расхода топлива в зависимости от соотношения топливного газа/водорода при постоянной электрической нагрузке выбран перспективный объект — газотурбинная электростанция установленной мощностью 130,4 МВт. Планируемая вырабатываемая мощность ЭСН 97,8 МВт.
Основное топливо на ЭСН — топливный газ с удельной теплотой сгорания 8 998 ккал/м³, или 11 466 ккал/кг (при плотности газа 0,785 кг/м³).
Динамика изменения расхода топлива при постоянной электрической нагрузке в зависимости от пропорции топливного газа/водорода представлены на рисунке 3.

При увеличении доли водорода суммарный массовый расход топлива снижается, при этом объемный расход увеличивается. Это обуславливается сравнительно низкой плотностью водорода относительно топливного газа.