alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.22-27.042-052alternative-1790Research ArticleII. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. Атомная энергетикаОценка системной эффективности водородного комплекса на основе замкнутого водородного цикла на АЭСEvaluation of the Systemic Efficiency of the Hydrogen Facility Based on the Closed Hydrogen Cycle at Nuclear Power Plantshttps://orcid.org/0000-0003-1549-5133АминовР. З.AminovR. Z.

Аминов Рашид Зарифович - доктор технических наук, главный научный сотрудник.

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028.

тел.: +7(8452)56-91-95; факс: 8(8452)52-55-10.

Scopus Author ID: 7006689108

Research ID: O-3305-2014

h-index: 8

Rashid Aminov - D.Sc. in Engineering, Professor, Chief Researcher at Saratov Scientific Center of RAS.

24 RabochayaStr., Saratov, 410028.

tel.: +7(845-2)27-14-36; fax: (845-2)27-14-36.

Scopus Author ID: 7006689108

Research ID: O-3305-2014

h-index: 8

oepran@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1573-0578БайрамовА. Н.BairamovA. N.

Байрамов Артем Николаевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028.

тел.: +7(8452)56-91-95; факс: 8(8452)52-55-10.

SPIN-код: 1620-2441

Scopus Author ID: 35224451800

h-index: 7

Artem Bairamov - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher at Saratov Scientific Center of the RAS.

24 Rabochaya Str., Saratov, 410028.

tel.: +7(845-2)27-14-36; fax: (845-2)27-14-36.

SPIN-код: 1620-2441

Scopus Author ID: 35224451800

h-index: 7

oepran@inbox.ruСаратовский научный центр Российской академии наукРоссияSaratov Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian Federation201910112019022-274252Copyright © 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/1790

Обоснована актуальность обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой в условиях увеличения их доли в структуре энергосистем. В этой связи как альтернативный путь использования гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) на основе научного задела авторов статьи приводятся схемы комбинирования водородного комплекса с АЭС с обоснованием их эффективности. Это схемы комбинирования, в которых полученный от сжигания водорода с кислородом водяной пар смешивается с паром паротурбинного цикла АЭС и перегревает его. При этом выработка пиковой электроэнергии на АЭС при комбинировании с водородным комплексом может осуществляться эффективно при использовании паро-водородного перегрева свежего пара за счет двухступенчатой водород-кислородной камеры сгорания, установленной перед цилиндром высокого давления паровой турбины. Возможен вариант с установкой постоянно действующей дополнительной паровой турбины, что наряду с получением дополнительной пиковой мощности позволяет повысить надежность электроснабжения собственных нужд АЭС в условиях крупных системных аварий с обесточиванием за счет пара, полученного от остаточных тепловыделений в реакторах. Разработана новая схема комбинирования на основе замкнутого водородного цикла, в которой полученный от сжигания водорода пар первоначально осуществляет дополнительный подогрев питательной воды перед входом в парогенератор и затем перегревает пар паротурбинного цикла АЭС перед турбиной без смешения за счет теплообменных поверхностей нагрева. В схеме предусмотрен каталитический дожигатель непрореагировавшего водорода. Исследована системная эффективность новой разработанной схемы. Приводятся исходные данные и методика обеспечения равного отпуска пиковой электроэнергии при сравнении с ГАЭС. Приведены результаты оценки эффективности дополнительного подогрева питательной воды и перегрева свежего пара перед турбиной. Показано, что использование большей части тепла от сжигания водорода для начального перегрева свежего пара термодинамически более выгодно и эффективно, поскольку уменьшает затраты замещаемой мощности при сравнении с ГАЭС. Приведены результаты оценки чистого дисконтированного дохода в сравниваемых вариантах. Показано, что вариант водородного комплекса с наименьшими затратами замещаемой мощности конкурирует с ГАЭС при ее удельных капиталовложениях 660 долл./кВт. Варианты ГАЭС при удельных капиталовложениях свыше 660 долл./кВт не выдерживают конкуренции с водородным комплексом.

The article substantiates the actuality of providing NPPs with basic electric load in the conditions of increasing their share in the structure of power systems. In this regard, as an alternative way to using the pumped storage power plant (PSPP), on the basis of the scientific base of the authors of the article, schemes for combining the hydrogen facility with nuclear power plants with justification for their effectiveness are given. These are combination schemes in which the steam obtained from burning hydrogen with oxygen is mixed with the steam of the steam turbine cycle of a nuclear power plant and overheats it. At the same time, peak power generation at NPPs when combined with the hydrogen facility is efficiently possible when using steam-hydrogen overheating of fresh steam through the use of a two-stage hydrogen-oxygen combustion chamber installed in front of the high pressure cylinder of the steam turbine. A variant is possible with the installation of a constantly operating low capacity additional steam turbine, which, along with obtaining additional peak power, can improve the reliability of power supply for the needs of nuclear power plants in conditions of major system emergency with disconnect due to the use of steam obtained from residual heat in reactors. A new combination scheme based on a closed hydrogen cycle has been developed in which the steam initially obtained from hydrogen combustion additionally heats the feed water before entering the steam generator and then overheats the steam of the steam turbine cycle of the nuclear power plant in front of the turbine without mixing due to the use of heat-exchange heating surfaces. In the scheme provides a catalytic afterburner of unreacted hydrogen. The systemic efficiency of the newly developed scheme is investigated. Initial data and a methodology for provide equal supply of peak electricity at compared with the PSPP are given. The results of evaluating the effectiveness of additional heating of feed water and overheating of fresh steam in front of the turbine are presented. It is shown that the use of most of the heat from the combustion of hydrogen for the initial overheating of fresh steam is thermodynamically more effectively, since it reduces the cost of replacement power at compared with the PSPP. The results of the net present value evaluation in the compared variants are presented. The variant of the hydrogen facility with the lowest cost of replacement power is shown to compete with the PSPP at its specific investment of $ 660 / kW. PSPP options with a specific investment of more than $ 660 / kW are not competitive with the hydrogen facility.

атомная электростанцияводородный энергетический комплексзамкнутый водородный циклкоэффициент полезного использования провальной электроэнергии АЭСnuclear power planthydrogen facilityclosed hydrogen cyclecoefficient of efficiency using of unclaimed electricity of NPPReferencesЭнергетическая стратегия России на период до 2035 г. / М.: Министерство энергетики Российской Федерации, 2014. – 263 с.The energy strategy of Russia for the period until 2035 (Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2035), Ministry of Energy of the Russian Federation (Ministerstvo energetiki Rossiiskoi Federatsii). Moscow, 2014; 263 p. (in Russ.).АЭС с ВВЭР: режимы, характеристики, эффективность / Р.3. Аминов [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 264 с.Aminov R.Z., Hrustalev V.A., Duhovenskiy A.S., Osadchiy A.I. VVER NPPs: modes, characteristics, efficiency (AES s VVER: rezhimy, harakteristiki, effektivnost'). Moscow: Energoatomizdat, 1990; 264 p. (in Russ.).Энергетическое оборудование блоков АЭС: 2-е изд. / Н.М. Кузнецов, А.А. Канаев, И.З. Копп. – Л.: Машиностроение, 1987. – 279 с.Kuznetsov N.M., Kanaev A.A., Kopp I.Z. Power equipment of NPP units (Energeticheskoe oborudovanie blokov AES) 2-e izd. Leningrad: Mashinostroenie Publ., 1987; 279 p. (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. – С. 72–90.Tarasov B.P., Lototsky M.V. Hydrogen for Energy: Problems and Prospects (Vodorod dlya proizvodstva energii: Problemy i perspektivy). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2006;(8):72–90 (in Russ.).Брусницын, А. Два сценария развития водородных технологий / А. Брусницын // Мировая энергетика. – 2007. – № 6 (42). – С. 46–48.Brusnicyn A. Two scenarios for the development of hydrogen technologies (Dva stsenariya razvitiya vodorodnyh tekhnologii). Mirovaya energetika, 2007;(6):46–48 (in Russ.).Пономарев-Степной, Н.Н. Атомно-водородная энергетика / Н.Н. Пономарѐв-Степной, А.Я. Столяревский // Intern. Sci. J. foraltern. Energy and Ecology. – 2004. – No. 3 (11). – Р. 5–10.Ponomarev-Stepnoy N. N., Stolyarevskiy A.Ya. Hydrogen atomic energy (Atomno-vodorodnaya energetika). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2004;(3):5–10 (in Russ.).Дмитриев, А.Л. Перспективы применения водорода в качестве энергоносителя / А.Л. Дмитриев, Н.С. Прохоров // Химическая промышленность. – 2003. – Т. 80. – № 10. – С. 27–29.Dmitriev A.L., Prohorov N.S. Prospects for the use of hydrogen as an energy carrier (Perspektivy primeneniya vodoroda v kachestve energonositelya). Himicheskaya promyshlennost', 2003;80(10):27–29 (in Russ.).Коротеев, А.С. Перспективы использования водорода в транспортных средствах / А.С. Коротеев, В.В. Миронов, В.А. Смоляров // Intern. Sci. J. for altern. Energy and Ecology. – 2004. – No. 1 (9). – P. 5–13.Koroteev A.S., Mironov V.V., Smolyarov V.A. Prospects for the use of hydrogen in vehicles (Perspektivy ispol'zovaniya vodoroda v transportnyh sredstvah). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2004;(1):5–13 (in Russ.).Aminov, R.Z. Assessment of the Performance of a Nuclear–Hydrogen Power Generation System / R.Z. Aminov, A.N. Bairamov, M.V. Garievsky // Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 66. – No. 3. – P.196–209Aminov R.Z., Bairamov A.N., Garievsky M.V. Assessment of the Performance of a Nuclear-Hydrogen Power Generation System. Thermal Engineering, 2019;66(3):196–209.Шпильрайн, Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 264 с.Shpil'rayn E.E., Malyshenko S.P., Kuleshov Introduction to Hydrogen Energy (Vvedenie v vodorodnuyu energetiku). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1984; 264 p. (in Russ.).Малышенко, С.П. Исследования и разработки ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики / С.П. Малышенко // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2011. – № 3(95). – С. 10–34.Malyshenko S.P. Research and development of the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences in the field of hydrogen energy technologies (Issledovaniya i razrabotki OIVT RAN v oblasti tekhnologii vodorodnoi energetiki), International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2011;(3):10–34 (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 the energy sector and in energy technology complexes (Primenenie vodoroda v energetike i v energo-tekhnologicheskih 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., Sarumov Yu.A. Some thermodynamic and technical and 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.).Столяревский, А.Я. Аккумулирование вторичной энергии / А.Я. Столяревский // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1982. – Вып. 4. – С. 60–125.Stolyarevskiy A.Ya. Secondary energy storage (Akkumulirovanie vtorichnoi energii). Atomno-vodorodnaya energetika i tekhnologiya, 1982;4:60–125 (in Russ.).Хрусталев, В.А. О некоторых аспектах эффективности электролиза воды на АЭС / В.А. Хрусталев // Повышение эффективности и оптимизация теплоэнергетических установок: сб. научн. тр. / под ред. А.И. Андрющенко / Саратов: СПИ, 1988. – С. 19–22.Hrustalev V.A. On some aspects of the efficiency of water electrolysis at nuclear power plants (O nekotoryh aspektah effektivnosti elektroliza vody na AES). Povyshenie effektivnosti i optimizaciya teploenergeticheskih ustanovok: sb. nauchn. tr., Saratov: SPI; 1988; pp. 19–22 (in Russ.).Аминов, Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов. – М.: Наука, 2016. – 254 с.Aminov R.Z., Bairamov A.N. Combination of hydrogen energy cycles with nuclear power plants (Kombinirovanie vodorodnykh energeticheskikh tsiklov s atomnymi elektrostantsiyami). Moscow Nauka Publ., 2016; 254 p. (in Russ.).Патент 2427048 РФ, МПК7 F 22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции / Аминов Р.З, Байрамов А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н. №2009117039/06; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23.Patent 2427048 RF Hydrogen combustion system for steam-hydrogen overheating of fresh steam in the cycle of a nuclear power plant, (Sistema szhiganiya vodoroda dlya paro-vodorodnogo peregreva svezhego para v tsikle atomnoi elektricheskoi stantsii), 2011 (in Russ.).Аминов, Р.З. Оценка системной эффективности многофункционального водородного комплекса на АЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов, М.В. Гариевский // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 13–15. – С. 24–39.Aminov R.Z., Bairamov A.N., Garievskij M.V. Evaluation of the systemic efficiency of a multifunctional hydrogen complex at nuclear power plants (Otsenka sistemnoi effektivnosti mnogofunktsional'nogo vodorodnogo kompleksa na AES). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2019;(13–15):24–39(in Russ.).Аминов, Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. – М.: Наука, 2018. – 238 с.Aminov R.Z., Yurin V.E., Egorov A.N. Combining NPPs with multifunctional power plants (Kombinirovanie AES s mnogofunkcional'nymi energeticheskimi ustanovkami). Moscow: Nauka Publ., 2018; 238 p. (in Russ.).Заявка на полезную модель 2019125899. Система безопасного использования водорода при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной / Байрамов А. Н., Аминов Р.З.; заявл. 15.08.2019.Zayavka na poleznuyu model' 2019125899. Sistema bezopasnogo ispol'zovaniya vodoroda pri povyshenii moshchnosti dvuhkonturnoi AES vyshe nominal'noi / Bairamov A. N., Aminov R. Z.; zayavl. 08.15.2019. (in Russ.).Aminov, R.Z. Thermal and nuclear power plants: Competitiveness in the new economic conditions/ R.Z. Aminov, A.F. Shkret, M.V. Garievskii // Thermal Engineering. – 2017. – Vol. 64. – Is. 5. – P. 319–328.Aminov R.Z., Shkret A.F., Garievskii M.V. Thermal and nuclear power plants: Competitiveness in the new economic conditions. Thermal Engineering, 2017;64(5):319–328.Байрамов, А.Н. Технико-экономические аспекты подземного расположения металлических емкостей хранения водорода и кислорода в составе водородного энергетического комплекса / А.Н. Байрамов // Труды Академэнерго. – 2014. – № 2. – С. 79–86Bairamov A.N. Technical and economic aspects of the underground arrangement of metal storage tanks for hydrogen and oxygen as part of the hydrogen energy complex (Tekhniko-ekonomicheskie aspekty podzemnogo raspolozheniya metallicheskih emkostei hraneniya vodoroda i kisloroda v sostave vodorodnogo energeticheskogo kompleksa). Trudy Akademenergo, 2014;(2):79–86 (in Russ.).Birol, F. Golden rules for a golden age of gas: world energy outlook special report on unconventional gas/ F. Birol. – International Energy Agency, 2012. – 155 p.Birol F. Golden rules for a golden age of gas: world energy outlook special report on unconventional gas. International Energy Agency, 2012; 155 p.Эволюция мировых энергетических рынков и ее последствия для России / под ред. А.А. Макарова, Л.М. Григорьева, Т.А. Митровой. М.: ИНЭИ РАН– АЦ при Правительстве РФ, 2015. – 400 с.The evolution of world energy markets and its consequences for Russia (Evolyutsiya mirovyh energeticheskih rynkov i ee posledstviya dlya Rossii) / Ed. A.A. Makarova, L.M. Grigor'eva, T.A. Mitrovoi. Moscow: INEI RAN–AC pri Pravitel'stve RF: p. 400 (in Russ.).Макаров, А.А. Стратегические перспективы электроэнергетики России / А.А. Макаров [и др.] // Теплоэнергетика. – 2017. – № 11. – С. 40–52.Makarov A.A., Veselov F.V., Makarova A.S. et al. Strategic Prospects for the Russian Electric Power Industry (Strategicheskie perspektivy elektroenergetiki Rossii). Thermal engineering, 2017;(11):40–52 (in Russ.).

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