Анализы настоящих экспертов

В 2009 году исследование Национальной лаборатории Айдахо показало, что такой ядерный реактор сможет продавать водород по цене 3,23 доллара за кг. На нем также обсуждались экономические аспекты производства синтез-газа вместо водорода и газификация с использованием атомной энергии.

В этом исследовании, проведенном MINES ParisTech в 2013 году, стоимость синтез-газа (водорода и монооксида углерода в правильном соотношении для производства метанола) из ядерного реактора оценивается в 1,30 евро.

Мои оценки

В этих оценках задействовано множество технологий, которых еще не существует, но люди активно работают над их созданием. Думаю, я играю честно по правилам научной фантастики. Не основывайте на них никаких инвестиционных решений!

Если бы мы могли строить ядерные реакторы так же дешево, как это удается Южной Корее в реальном мире, и не давать им никаких других субсидий, мы могли бы снизить стоимость водорода в галлоне метанола с 72 центов до доллара. Общая стоимость всего сырья с использованием уловленного углекислого газа, а не ископаемого топлива, может составить 1,14–1,41 доллара . Поскольку процесс не совсем эффективен, в действительности мы можем потратить 1,34–1,91 доллара .

Поскольку один галлон бензина содержит в два раза больше энергии, чем один галлон метанола, мы должны удвоить это значение: замена галлона бензина метанолом приведет к потреблению газов, производство которых стоит 2,67–3,83 доллара, если только не будет найден более эффективный процесс . Но вопрос определяет производство водорода как отдельный шаг.

Количество водорода, эквивалентное галлону бензина, если использовать его непосредственно в топливном элементе, а не производить из него метанол, стоило бы 1,88–2,66 доллара .

Для сравнения, цена энергоэквивалентного количества метанола колебалась в последние годы от 1,08 до 3,00 долларов США .

Я пришел к более низкой оценке затрат, чем в исследовании, финансируемом правительством США, главным образом потому, что они не размахивали дешевыми ядерными реакторами, 70% стоимости покрывались капитальными затратами, и они предполагали 10% норму прибыли.

Суть здесь в том, что этот процесс не был бы коммерчески жизнеспособным без субсидии, если только цена на природный газ не вырастет. Правда, это не кратное увеличение стоимости топлива, а скромное. Наиболее вероятным способом изменить это было бы открытие лучшего катализатора для производства монооксида углерода или метанола из воды и диоксида углерода.

Строительство растений

Наилучший сценарий для строительства атомной электростанции – это Южная Корея, единственная страна в мире, где стоимость строительства атомных станций со временем падает. (Однако даже там его нынешнее правительство планирует поэтапный отказ от атомной энергетики.) Недавние станции стоят 2 000 000 вон/кВт. Это эквивалентно стоимости строительства «в одночасье» в размере 2000 долл. США/кВт. По оценкам Всемирной ядерной ассоциации, которая, по общему признанию, не является нейтральным источником, при ставке дисконтирования 3% это соответствует приведенной стоимости электроэнергии в размере 29 долларов США за МВтч. Если ставка дисконтирования увеличивается до 7%, то есть инвесторам нужно, чтобы электростанция окупилась быстрее, она увеличивается до 40 долларов за МВтч.(Обратите внимание, что высокий диапазон оценки в превосходном ответе @kingledion был основан на цене на электроэнергию 80 долларов за МВтч и удвоенной стоимости ядерной энергии, в то время как нижний предел обеих оценок примерно одинаков.)

Можно ли повторить стоимость Южной Кореи? В какой-то степени, может быть. Основная причина экономии заключается в том, что они строили одну и ту же конструкцию снова и снова, и эта схема требует большого количества стандартизированных реакторов. Реакторы также можно было бы строить там, где экономически выгоднее, а топливо экспортировать в другие страны.

Производство водорода

Однако смысл использования ядерной энергии для этого заключается в том, что она может превзойти технологию электролиза щелочной воды, которую предполагало Министерство энергетики США, и снизить стоимость даже более чем на 50–62,5%, чем простое использование реальной стоимости. ядерная энергетика в Южной Корее предполагает.

На самом деле этот план требует реактора, подобного сверхвысокотемпературному реактору или газоохлаждаемому быстрому реактору , которые оба работают по одному и тому же принципу, за исключением того, что первый использует урановый топливный цикл, а второй — реактор на быстрых нейтронах. Оба являются герметичными встроенными реакторами, в которых сверхкритический гелий используется как в качестве теплоносителя, так и в качестве рабочего тела для привода турбин. Для этого приложения вы хотели бы запустить реактор при сверхкритической температуре гелия, 850 ° C, и реакцию высокотемпературного парового гидролиза около 800 ° C. Стоимость строительства может быть снижена еще больше, если мы когда-нибудь придумаем, как использовать углекислый газ вместо гелия.

Современное состояние производства водорода позволяет достичь энергоэффективности до 50% (с помощью высокотемпературного электролиза пара или других методов, таких как серно-йодный процесс). Другими словами, поскольку плотность энергии водорода составляет 33 300 Втч/кг, тепловой реактор, использующий его технологическое тепло плюс напряжение около 1,2 В, потенциально может достичь выхода$0.5 × \left( \frac{3.330·10^{-2} \mathrm{MWh}}{\mathrm{kg}} \right)^{-1} = 15.02 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{MWh}}$.

Если мы наивно (извините, оптимистично) махнем рукой, что можно получить энергию от GFR так же дешево, как Южная Корея получает ее от реакторов третьего поколения в реальном мире, то есть 29–40 долларов за МВтч, эта стоимость упадет до $ 1,93–2,66 за килограмм водорода. Большая часть этой тепловой энергии может использоваться в качестве технологического тепла без потерь при преобразовании или передаче. Это, вероятно, нереалистично, но определенно возможно сделать больше, чем 80 долларов , что является основой для высокой оценки в отчете DoE.

В отчете Министерства энергетики предполагалась стоимость в размере 3,00 долл. США/кг.

Это не включает стоимость деминерализованной воды.

Синтез метанола из водорода и углекислого газа

Эта технология не требует высокотемпературного реактора и, скорее всего, использует чистое электричество из сети. Он уже используется в реальном мире, но с углекислым газом, полученным из таких источников, как угольные электростанции.

Каждый (американский жидкий) галлон метанола содержит

$$\begin{align*} \frac{3.785·10^3 \mathrm{cm}^3}{\mathrm{gallon}} &× \frac{0.7920 \text{g CH₃OH}}{\mathrm{cm}^3} \\ &× \frac{1 \text{ mol CH₃OH}}{32.04 \text{g CH₃OH}} \\ = \frac{93.56 \text{ mol CH₃OH}}{\mathrm{gallon}} \end{align*}$$

Для гидрогенизации диоксида углерода для получения метанола требуется два моля H₂ и один моль CO₂ на моль CH3OH. ( Если вы преобразуете углекислый газ в монооксид углерода. )

На практике реакция была бы более сложной: либо она потребляла бы на 50% больше водорода (реакция 3H₂ + CO₂ → CH3OH + H₂O превращает лишний водород обратно в воду, которую, по крайней мере, можно переработать обратно в водород), либо она заменяла бы часть производства водорода с помощью процесса получения водорода и монооксида углерода из воды и диоксида углерода, в зависимости от того, какой из них был более эффективным.

Поскольку молярная масса H₂ составляет 2,014 г/моль, если мы используем 3 моля газообразного водорода на галлон метанола, каждый галлон метанола требует 0,5654 кг водорода на входе. Используя цифры из предыдущего раздела, водород, используемый для производства галлона метанола, будет стоить от 1,09 до 1,50 доллара .

Молярная масса CO₂ составляет 44,0095 г/моль, умноженная на 93,56 молей, поэтому нам нужно 4,118 кг CO₂ для производства одного галлона метанола. Идея состоит в том, чтобы использовать захваченный углекислый газ, а не ископаемое топливо, например, при сжигании биомассы или прямом захвате воздуха. Существующий завод Climeworks AG в Цюрихе улавливает углекислый газ из воздуха по цене 600 долларов за тонну. Если бы гипотетическая технология могла снизить стоимость до 60 долларов за тонну, что, по мнению многих источников, возможно, углерод и кислород в галлоне метанола стоили бы 24,7 цента. Более консервативная оценка в 100 долларов за тонну обошлась бы в 41,2 цента.

Это дает нам, используя предположения о стоимости, которые являются оптимистичными, но несколько правдоподобными, стоимость сырья составляет 1,34–1,91 доллара США. Поскольку один галлон бензина содержит столько же энергии, сколько два галлона метанола, удвойте это значение, чтобы получить оценку 2,67–3,83 доллара за эквивалент галлона газа . Это только для производства сырья; также потребуются затраты на синтез метанола, его смешивание и распространение.

Субсидии

Однако это предполагает, что правительства стран мира ничего не делают для субсидирования экологически чистого топлива или налогообложения выбросов углекислого газа. Если они начнут относиться к изменению климата и энергетической независимости настолько серьезно, что захотят полностью изменить курс на ядерную энергетику, это маловероятно. Кто-то должен заставить производителей энергии оплачивать внешние издержки загрязнения, которое они создают, иначе всегда будет дешевле использовать тот же ядерный реактор для производства метанола из ископаемого топлива.

Если бы правительство было готово просто проглотить стоимость водородного завода, который мог бы производить мегатонны чистой бытовой энергии, как они готовы проглотить стоимость войны на Ближнем Востоке или субсидировать ее, как они субсидируют нефть и биотопливо. , предельные затраты на производство водорода резко упадут. Если бы водород не должен был окупать капитальные затраты на реактор, а только обеспечивать безубыточность по эксплуатационным затратам, предельные затраты на производство водорода были бы крошечными.

Хотя в комментарии вы сказали, что метанол предназначен для использования в качестве транспортного топлива, если его превратить во что-то, что не сгорает, например, в олефины или формальдегид, он удалит и изолирует большое количество углерода из атмосферы.

Реакторы также будут производить другие продукты, приносящие прибыль, например электроэнергию. Или, например, поскольку при электролизе воды образуется вдвое меньше молекул горячего кислорода, чем водорода, она может реагировать с фосфором с образованием пищевой фосфорной кислоты.

Альтернативы

Если у вас уже есть водород и захваченный углекислый газ (из мусоросжигателя или любого другого источника), вы можете производить метанол при относительно низких температурах. Одной из альтернатив может быть увеличение количества водорода на 50% и использование катализатора , такого как Ni-Ga, при 200°C . Другой - это совместный электролиз водорода и монооксида углерода из диоксида углерода и воды. Другой разделяет углекислый газ и воду в термохимическом цикле.

Другой возможный путь — превратить углекислый газ в метан с помощью водорода . Затем мы могли бы использовать кислород, который мы также получили в результате электролиза воды, для окисления метана в метанол — если кто-нибудь найдет для этого хороший процесс. (Хотя это в конечном итоге сделало бы метанол из природного газа еще дешевле.)

И газификация биомассы , и пиролиз биомассы были предложены как часть системы с ядерным реактором, вырабатывающим электричество, водород и кислород.

Стоимость вводимых ресурсов также может быть снижена, если улавливаемый углекислый газ поступает из выбросов, которые в противном случае попали бы в атмосферу, как, например, на муниципальном мусоросжигательном заводе в Осло, который улавливает углекислый газ для использования в нефтяной промышленности.

3-6 долларов США за галлон бензинового эквивалента (GGE)

В 2009 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии собрала панель для расчета 80-процентных доверительных интервалов будущих затрат на производство водорода. Отчет здесь . В этой панели использовалась технология, доступная в 2005 году, но капитализированная с полной промышленной инфраструктурой, чтобы наилучшим образом использовать масштабы производства (это «модель централизованного производства», обсуждаемая в отчете). Группа сосредоточилась на двух технологиях: электролиз щелочной воды и электролиз полимерных электролитов с мембраной .

Кг водорода называется галлоном бензинового эквивалента, поскольку он имеет примерно такое же количество энергии, как галлон бензина.

Средняя стоимость сильно зависела от стоимости электроэнергии. Предполагаемая «высокая» цена на электроэнергию составляла 80 долларов за МВтч, при этом стоимость водорода составляет 4,78 доллара за ГЭ . Однако приведенная стоимость атомной энергии в настоящее время составляет около 120 долларов за МВтч. Если мы введем это увеличение мощности электроэнергии, мы получим предположение о более чем 6 долларов США за ГЭ затрат.

Низкие затраты на электроэнергию в размере 0,03 доллара США за кВтч и минимизация всех других факторов составят около 1,70 доллара США за ГЭ .