alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.10-12.023-035alternative-1675Research ArticleII. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. Атомная энергетикаОценка технико-экономической эффективности замкнутого водородного цикла на АЭСEvaluation of Technical and Economic Efficiency of the Closed Hydrogen Cycle at the Nuclear Power Planthttps://orcid.org/0000-0003-1549-5133АминовР. З.AminovR. Z.

Рашид Зарифович Аминов - доктор технических наук, главный научный сотрудник

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028

Scopus Author ID: 7006689108; Research ID: O-3305-2014

Rashid Aminov - D.Sc. in Engineering, Professor, Chief Researcher

24 Rabochaya Str., Saratov, 410028

Scopus Author ID: 7006689108; Research ID: O-3305-2014

oepran@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0943-859XЕгоровА. Н.EgorovA. N.

Александр Николаевич Егоров - кандидат технических наук, старший научный сотрудник

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028

Scopus Author ID: 56343107200; Research ID: B-7899-2015

Aleksandr Egorov - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher 

24 Rabochaya Str., Saratov, 410028

Scopus Author ID: 56343107200; Research ID: B-7899-2015

oepran@inbox.ruФГБУН Саратовский научный центр Российской академии наукРоссияSaratov Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian Federation201926052019010-122335Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1675

Рассматривались вопросы технико-экономической эффективности комбинирования АЭС с водородным энергокомплексом на базе замкнутого водородного цикла. На современном этапе изучения использование электролизного водорода является хорошо известным подходом к обеспечению АЭС базовой нагрузкой в часы минимума электрической нагрузки в энергосистеме. Несмотря на существующие опасения по поводу безопасности использования водородного топлива в циклах теплоэнергетических установок, данный подход может обеспечить повышение эффективности АЭС за счет аккумулирования невостребованной ночной электроэнергии с последующей выработкой дополнительной электроэнергии в часы максимума электрических нагрузок в энергосистеме. При этом обеспечивается дальнейшее развитие экологически чистой энергетики на основе атомно-водородных технологий. Проведено исследование технико-экономической эффективности реализации замкнутого водородного цикла на АЭС в зависимости от стоимости внепиковой электроэнергии для нужд водородного энергокомплекса. Оценка основных показателей технико-экономической эффективности основного оборудования водородного энергокомплекса на базе замкнутого водородного цикла, исключающего попадание водорода в рабочее тело парового цикла, позволила проанализировать эффективность комбинирования АЭС с водородным энергокомплексом. С этой целью оценивалось увеличение вырабатываемой мощности на паротурбинной установке за счет повышения расхода пара и КПД проточной части; на основе расчета процессов тепломассообмена определена требуемая площадь поверхностей теплообмена замкнутой системы водородного перегрева пара; рассчитаны основные капитальные и эксплуатационные за-траты. В качестве примера проведена сравнительная оценка двух вариантов реализации замкнутого водородного цикла: при повышенном и атмосферном давлении продуктов сгорания. В результате расчетов получены основные показатели сравнительной технико-экономической эффективности реализации предлагаемых схем комбинирования АЭС с водородным энергокомплексом на базе замкнутого водородного цикла. Определены зоны экономической эффективности в зависимости от стоимости внепиковой электроэнергии на нужды водородного энергокомплекса. Как показали расчеты, снижение давления продуктов сгорания до атмосферного приводит к некоторому снижению эффективности замкнутого водородного цикла. Полученные результаты могут использоваться при разработке и оптимизации систем повышения экономически оправданной маневренности АЭС на основе комбинирования с водородным энергокомплексом.

The article deals with the technical and economic efficiency of combining NPP with a hydrogen energy complex based on a closed hydrogen cycle. At the present stage of the study, the use of electrolysis hydrogen is a well-known approach to providing NPP with a base load during hours of minimum electrical load in the power system. Despite the existing concerns about the safety of using hydrogen fuel in the cycles of thermal power plants, this approach can improve the efficiency of NPP by accumulating unclaimed nighttime electricity and then generating additional electricity during hours of maximum electrical loads in the power system. This provides the further development of clean energy based on atomic-hydrogen technologies. The article conducts a study of the technical and economic efficiency of closed hydrogen cycle implementation at NPP depending on the cost of off-peak electricity for the needs of the hydrogen energy complex.

The assessment of the main indicators of the technical and economic efficiency of hydrogen energy complex main equipment based on a closed hydrogen cycle which prevents hydrogen entering into the main steam cycle allows us to analyze the efficiency of combining NPP with a hydrogen energy complex. For this purpose, an increase in the power generated at a steam turbine installation is estimated due to an increase in steam consumption and efficiency of the flow part; based on the calculation of heat and mass transfer processes, the required area of heat exchange surfaces of a closed system of hydrogen superheating of steam is determined; the main capital and operating costs are calculated. As an example, a comparative assessment of two options for the closed hydrogen cycle implementation is carried out: at elevated and atmospheric pressure of combustion products.

As a result of the calculations, we have obtained the main indicators of comparative technical and economic efficiency of the implementation of the proposed schemes for combining nuclear power plants with a hydrogen energy complex based on a closed hydrogen cycle. The zones of economic efficiency are determined depending on the cost of off-peak electricity for the needs of the hydrogen energy complex. As shown by calculations, reducing the pressure of combustion products to atmospheric leads to a certain decrease in the efficiency of the closed hydrogen cycle. The results obtained can be used in the development and optimization of systems for increasing the economically feasible maneuverability of NPP based on a combination with a hydrogen energy complex.

замкнутый водородный циклводородный перегрев параатомная электростанциятехнико-экономический анализclosed hydrogen cyclehydrogen steam overheatingnuclear power planttechnical and economic analysisReferencesФаворский, О.Н. Научно-технические основы высокоэффективного производства электроэнергии с комплексным использованием органического и водородного топлива / О.Н. Фаворский [и др.] // Энергетик. – 2008. – № 1. – С.3–6.Favorskii O.N., Leont'ev A.I., Fedorov V.A., Mil'man O.O. Scientific and technical foundations of highly efficient electricity production with the integrated use of organic and hydrogen fuel (Nauchno-tekhnicheskieosnovyvysokoeffektivnogoproizvodstvae-lektroenergii s kompleksnym ispol'zovanie morgani-cheskogo i vodorodnogo topliva). Energetik, 2008;(1):3–6 (in Russ.).Тарасов, Б.П. Водород для производства энергии: проблемы и перспективы / Б.П. Тарасов, М.В. Лотоцкий // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE).– 2006. – №8 (40). – С.72–90.Tarasov B.P., Lototskii M.V. Hydrogen for energy production: problems and prospects (Vodorod dlya proizvodstva energii: problemy i perspektivy). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2006;8(40):72–90 (in Russ.).АЭС с ВВЭР: режимы, характеристики, эффективность / Р.З. Аминов [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1990.– 264с.Aminov R.Z., Khrustalev V. A., Dukhovenskii A.S., Osadchii A.I. NPPs with WWER: modes, characteristics, efficiency (AES s VVER: rezhimy, harakteristiki, effektivnost'). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1990; p. 264 (in Russ.).Средняя цена реализации газа в России [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gazprom.ru/about/marketing/europe – (Дата обращения: 05.04.2019).Average gas selling price in Russia (Srednyaya tsenarealizatsii gaza v Rossii) [E-resource]. Available on: http://www.gazprom.ru/about/marketing/europe (04.05.2019) (in Russ.).Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года [Электронный ресурс]. – М.: ИНЭИ РАН – АЦ при Правительстве РФ.– 2014. – Режим доступа: https://www.eriras.ru/files/prognoz-2040.pdf – (Дата обращения: 05.04.2019).Forecast of energy development in the world and Russia until 2040 (Prognoz razvitiya energetiki mira i Rossii do 2040 goda). M.: INEI RAN – ATs pri Pravi-tel'stve RF, 2014 [E-resource]. Available on: https://www.eriras.ru/files/prognoz-2040.pdf (04.05.2019) (in Russ.).Эволюция мировых энергетических рынков и ее последствия для России [Электронный ресурс]. / под ред. А.А. Макарова, Л.М. Григорьева, Т.А. Митровой. – М.: ИНЭИ РАН–АЦ при Правительстве РФ, 2015.– Режим доступа: https://www.eriras.ru/files/evolyutsiya-mirovyh-energeticheskih-rynkov-i-ee-posledstviya-dlya-rossii.pdf – (Дата обращения: 05.04.2019).Makarova A.A., Grigor'eva L.M., Mitrovoi T.A. The evolution of world energy markets and its consequences for Russia (Evolyutsiya mirovyh energeticheskih rynkov i ee posledstviya dlya Rossii). Moscow: INEI RAN – ATs priPravitel'stve RF Publ., 2015 [E-resource]. Available on: https://www.eriras.ru/files/evolyutsiya-mirovyh-energeticheskih-rynkov-i-ee-posledstviya-dlya-rossii.pdf (04.05.2019) (in Russ.).Данилова, Т. Экономика АЭС: фокус на кВт•ч // Атомный эксперт. – 2014. – № 5–6. – С. 10–15.Danilova T. NPP economics: focus on kWh (Ekonomika AES: fokusnakVt•ch). Atomnyiekspert, 2014;(5–6):10–15 (in Russ.).Шпильрайн, Э.Э. Применение водорода в энергетике и в энерготехнологических комплексах / Э.Э. Шпильрайн, Ю.А. Сарумов, О.С. Попель // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1982. – Вып. 4. – С. 5–22.Shpil'rain E.E., Sarumov Yu.A., Popel' O.S. The use of hydrogen in energy and energy technology complexes (Primenenie vodoroda v energetike i v energotekh-nologicheskih kompleksah). Atomno-vodorodnaya energetika i tekhnologiya, 1982;4:5–22 (in Russ.).Малышенко, С.П. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в энергетике / С.П. Малышенко, О.В. Назарова, Ю.А. Сарумов // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1986. – Вып. 7. – С. 105–126.Malyshenko S.P., Nazarova O.V., SarumovYu.A. Some thermodynamic and techno-economic aspects of the use of hydrogen as an energy carrier in the energy sector (Nekotorye termodinamicheskie i tekhniko-ekonomicheskie aspekty primeneniya vodoroda kak energonositelya v energetike). Atomno-vodorodnaya energetika i tekhnologiya, 1986:7:105–126 (in Russ.).Forsberg, C.W. Nuclear hydrogen using high-temperature electrolysis and light-water reactors for peak electricity production / C.W. Forsberg, M.S. Kazimi // Nuclear Production of Hydrogen. – 2010. – Vol. 41. – Is. 30. – P. 155–164.Forsberg C.W., Kazimi M.S. Nuclear hydrogen using high-temperature electrolysis and light-water reactors for peak electricity production. Nuclear Production of Hydrogen, 2010;41(30):155–164.Forsberg, C.W. Is hydrogen the future of nuclear energy [Электронный ресурс] / C.W. Forsberg. – Inter-national topical meeting on the safety and technology of nuclear hydrogen production, control and management. – Boston. – 2007. – Режим доступа: http://www.350.me.uk/TR/Hansen/Forsberg01.pdf – (Датаобращения: 05.04.2019).Forsberg C.W. Is hydrogen the future of nuclear energy. International topical meeting on the safety and technology of nuclear hydrogen production, control and management. Boston, 2007 [E-resource]. Available on: http://www.350.me.uk/TR/Hansen/Forsberg01.pdf (04.05.2019).Rahil, A. Hydrogen Production at the Forecourt from Off-Peak Electricity and Its Role in Balancing the Grid / A. Rahil // International Journal of Energy and Power Engineering. – 2016. – Vol. 10. – I. 10. – P. 1342–1347.Rahil A. Hydrogen Production at the Forecourt from Off-Peak Electricity and Its Role in Balancing the Grid. International Journal of Energy and Power Engineering, 2016;10(10):1342–1347.Aminov, R.Z. Hydrogen-Oxygen Steam Genera-tor for a Closed Hydrogen Combustion Cycle/ R.Z. Aminov, A.N. Egorov // International Journal of Hydro-gen Energy. – 2019. – Vol. 44. – I. 21. – P. 11161–11167.Aminov R.Z., Egorov A.N. Hydrogen-Oxygen Steam Generator for a Closed Hydrogen Combustion Cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 2019:44(21):11161–11167.Пат. 2661231 Российская Федерация, МПК F01K 3/18 (2006.01). Способ водородного перегрева пара на АЭС / Аминов Р.З., Егоров А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Егоров А.Н. – № 2017133941; заявл. 28.09.2017; опубл. 13.07.2018, Бюл. № 20.Aminov R.Z., Egorov A.N. The method of hydrogen overheating of steam at nuclear power plants (Sposob vodorodnogo peregreva para na AES). Patent 2661231 RF, МПК F01K 3/18 (2006.01). Rospatent, 2018 (in Russ.).Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М., 1972. – 720 с.Vargaftik N.B. Handbook of thermophysical properties of gases and liquids (Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei). Moscow: Nauka Publ., 1972; p. 720 (in Russ.).Волошенко, А.В. Принципиальные схемы паровых котлов и топливоподач: учебно пособиевы / А.В. Волошенко, В.В. Медведев, И.П. Озерова. – Томск: Изд-во томского политехнического университета, 2011. – 100 с.Voloshenko A.V., Medvedev V.V., Ozerova I.P. Schematic diagrams of steam boilers and fuel supply: a training manual (Printsipial'nye shemy parovyh kotlov i toplivopodach: uchebno posobievy). Tomsk: Izd-vo tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2011; p. 100 (in Russ.).Gas Turbine World Handbook. – Pequot Publishing Inc, 2018. – Vol. 33. – 148 p.Gas Turbine World Handbook. Pequot Publishing Inc., 2018;33:148.Текущий ремонт газотурбинных установок ГТУ ст. № 6-9 СП «Майская ГРЭС» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Центр электронных торгов.Current repair of gas turbine units of the GTU, st. No 6–9 of the joint venture Mayskaya TPP (Tekushchiiremontgazoturbinnykhustanovok GTU st. № 6–9 SP “Maiskaya GRES”) Rezhimdostupa: Tsentrelektron-nykhtorgov (in Russ.).Юренев, В.Н. Теплотехнический справочник. Том 2. Изд. 2-е, перераб. / В.Н. Юренев, П.Д. Лебедев. – М.: Энергия, 1976. – 896с.Yurenev V.N., Lebedev P.D. Thermal reference. Vol. 2. Ed. 2nd rewritten (Teplotekhnicheskii spravochnik. Tom 2. Izd. 2-e, pererab.). Moscow: Energiya Publ., 1976:896 (in Russ.).Мухачев, Г.А. Термодинамика и теплопередача / Г.А. Мухачев, В.К. Шукин. – М.: Высшая школа, 1991. – 480 с.Mukhachev G.A., Shukin V.K. Thermodynamics and heat transfer (Termodinamika i teploperedacha). Moscow: Vysshayashkola Publ., 1991; p. 480 (in Russ.).Себиси, Т. Конвективный теплообмен / Т. Себиси, П. Брэдшоу. – М.: Мир, 1987. – 592 с.Sebisi T., Bredshou P. Convective heat transfer (Konvektivnyi teploobmen). Moscow: Mir Publ., 1987; p. 592 (in Russ.).ООО «Краснодарский машиностроительный завод» [Электронный ресурс]. – Режим досту-па:http://kmzv.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.04.2019).LLC Krasnodar Machine-Building Plant (OOO “Krasnodarskii mashinostroitel'nyi zavod”) [E-resource]. Available on: http://kmzv.ru (04.05.2019) (in Russ.).ЗАО ГМП «Спутник» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gmp-sputnik.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.04.2019).CJSC SMBE “Sputnik” (ZAO GMP “Sputnik”) [E-resource]. Available on: http://www.gmp-sputnik.ru (04.05.2019) (in Russ.).Трояновский, Б.М. Турбины для атомных электростанций / Б.М. Трояновский. – М.: Энергия, 1978. – 232с.Troyanovskii B.M. Turbines for nuclear power plants (Turbiny dlya atomnykh elektrostantsii). Moscow: Energiya Publ., 1978; p. 232 (in Russ.).Baily, F. Predicting the performance of large steam turbine-generators / F. Baily, K. Cotton, R.C. Spenser // Proc. 29. Amer. Power. Conf. – 1967. –P. 3–16.Baily F., Cotton K., Spenser R.C. Predicting the performance of large steam turbine-generators. Proc. 29. Amer. Power. Conf, 1967;3–16.Spenser, R.C.Performance of Large Nuclear Turbines / R.C. Spenser, E.H. Miller//Combustion. – 1973. – Vol. 45. – Is. 2. – 29 p.Spenser R.C., Miller E.H. Performance of Large Nuclear Turbines. Combustion, 1973;45(2):29.Aminov R.Z. Evaluating the thermodynamic efficiency of hydrogen cycles at wet-steam nuclear power stations / R.Z. Aminov, A.N. Egorov // Thermal Engi-neering. – 2013. – Vol. 60. – Is. 4. – P. 255–261.Aminov R.Z., Egorov A.N. Evaluating the thermodynamic efficiency of hydrogen cycles at wet-steam nuclear power stations. Thermal Engineering, 2013;60(4):255–261.Аминов, Р.З. Оценка системной эффективности атомно-водородного энергетического комплекса / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов, М.В. Гариевский // Теплоэнергетика. – 2019. – №3. – С.57–71.Aminov R.Z., Bairamov A.N., Garievskii M.V. Evaluation of the systemic efficiency of the atomic-hydrogen energy complex (Otsenkasistemnoieffektiv-nostiatomno-vodorodnogoenergeticheskogokompleksa). Teploenergetika, 2019;3:57–71 (in Russ.).Moran, M.J. Fundamentals of engineering thermodynamics. 7th edition / M.J. Moran [et al.].– USA: John Wiley & Sons Inc, 2011. – 1024 p.Moran M.J., SHAPIRO H.N., BOETTNER D.D., BAILEY M.B. Fundamentals of engineering thermodynamics. 7th edition. USA: John Wiley & Sons Inc., 2011; p. 1024.Aminov, R.Z. Optimization of the operating conditions of gas-turbine power stations considering the effect of equipment deterioration / R.Z. Aminov, A.I. Kozhevnikov // Thermal Engineering. – 2017. – Vol. 64. – Is. 10. – pp. 715–722.Aminov R.Z., Kozhevnikov A.I. Optimization of the operating conditions of gas-turbine power stations considering the effect of equipment deterioration. Thermal Engineering, 2017;64(10):715–722.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.