References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2024.04.086-098

alternative-2414

Research Article

II. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 9. Атомная энергетика. 9-1-0-0 Атомно-водородная энергетика

II. NON-RENEWABLE ENERGY. 9. Atomic energy. 9-1-0-0 Atomic-hydrogen energy

Исследование влияния полноты сгорания водород-кислородной смеси на технико-экономическую эффективность водородного энергокомплекса на АЭС

Study of the influence of the completeness of combustion of the hydrogen-oxygen mixture on the technical and economic efficiency of the hydrogen energy complex at nuclear power plants

https://orcid.org/0000-0002-0943-859X

Егоров

А. Н.

Egorov

A. N.

Александр Николаевич Егоров, старший научный сотрудник, кандидат технических наук

Отдел энергетических проблем СНЦ РАН

410054; ул. Политехническая, 77; 410028; ул. Рабочая, д. 24; Саратов

Образование: Саратовский государственный технический университет, 2010 г.

Область научных интересов: водородная энергетика, атомная энергетика,энерго- и ресурсосберегающие, экологически чистые химико-технологические процессы, моделирование технических систем, термодинамические процессы в технических системах, процессы тепло- и массообмена, возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии

Публикации: 96

Индекс Хирша: 12

Тел.: (845-2) 99-86-03, факс (845-2) 99-86-04; Тел.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

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

e-mail: wwwean@gmail.com

Aleksandr Nicolaevich Egorov, senior researcher, Candidate of technicalscience

Department of Energy Problems of SSC RAS

410054; st. Politekhnicheskaya, 77; 410028; st. Rabochaya, 24; Saratov

Education: Saratov State Technical University, 2010

Research area: hydrogen energy, nuclear energy, energy resources savings, ecological clean and chemical-technological processes, modeling of technical systems, thermodynamics processes in technical systems, processes thermal and mass exchange, renewable and systems of direct transform energy

Publications: 96

H-index: 12

Tel.: (845-2) 99-86-03, fax (845-2) 99-86-04; Tel.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

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

e-mail: wwwean@gmail.com

oepran@inbox.ru

https://orcid.org/0000-0002-3612-0579

Юрин

В. Е.

Yurin

V. E.

Валерий Евгеньевич Юрин, ведущий научный сотрудник, доктор технических наук

Отдел энергетических проблем СНЦ РАН

410054; ул. Политехническая, 77; 410028; ул. Рабочая, д. 24; Саратов

Образование: Саратовский государственный технический университет, 2012 г.

Область научных интересов: энергетические системы на органическом топливе, водородная энергетика, ядерная и радиационная безопасность, тепловые аккумуляторы

Публикации: 114

Индекс Хирша: 11

Тел.: (845-2) 99-86-03, факс (845-2) 99-86-04; Тел.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

Scopus Author ID: 55802725400; Research ID: M-9073-2016

e-mail: wwwean@gmail.com

Valeriy Evgenievich Yurin, leading researcher, PhD

Department of Energy Problems of SSC RAS

410054; st. Politekhnicheskaya, 77; 410028; st. Rabochaya, 24; Saratov

Education: Saratov State Technical University, 2012

Research area: fossil fuel energy systems, hydrogen energy, nuclear andradiation safety, thermal batteries

Publications: 114

H-index: 11

Scopus Author ID: 55802725400; Research ID: M-9073-2016

Tel.: (845-2) 99-86-03, fax (845-2) 99-86-04; Tel.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

Scopus Author ID: 55802725400; Research ID: M-9073-2016

e-mail: wwwean@gmail.com

oepran@inbox.ru

https://orcid.org/0000-0002-8156-2982

Москаленко

А. Б.

Moskalenko

A. B.

Александр Борисович Москаленко, младший научный сотрудник, кандидат технических наук

Отдел энергетических проблем СНЦ РАН

410054; ул. Политехническая, 77; 410028; ул. Рабочая, д. 24; Саратов

Образование: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., 2018 г.

Область научных интересов: численное моделирование, атомные электростанции, станции на органическом топливе, энергетические системы

Публикации: 21

Индекс Хирша: 4

Тел.: (845-2) 99-86-03, факс (845-2) 99-86-04; Тел.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

Scopus Author ID: 57190970558; Research ID: AAC-3178-2021

e-mail: wwwean@gmail.com

Alexander Borisovich Moskalenko, junior researcher, Candidate of technical science

Department of Energy Problems of SSC RAS

410054; st. Politekhnicheskaya, 77; 410028; st. Rabochaya, 24; Saratov

Education: Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, 2018

Research area: numerical modeling, nuclear power plants, fossil fuel stations, energy systems

Publications: 21

H-index: 4

Tel.: (845-2) 99-86-03, fax (845-2) 99-86-04; Tel.: (845-2)27-14-36, (845-2)23-45-10

Scopus Author ID: 57190970558; Research ID: AAC-3178-2021

e-mail: wwwean@gmail.com

oepran@inbox.ru

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.; Федеральный исследовательский центр «Саратовский научный центр» РАНРоссияSaratov State Technical University named after Yu. A. Gagarin; Federal Research Center «Saratov Scientific Center» RASRussian Federation

2024

10062024

048698

2024

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2414

Проведена оценка влияния недожога водорода в водород-кислородном парогенераторе на технико-экономическую эффективность установки водородного энергокомплекса на АЭС, что является известным подходом к решению актуальной задачи современных энергосистем – обеспечение дальнейшего развития атомной энергетики, как экологического чистого источника электроэнергии на основе аккумулирования внепиковой электроэнергии. Рассмотрен подход и приведена схема для повышения надежности использования водородного энергокомплекса на АЭС за счет снижения недожога и исключения попадания несгоревшего водорода в основной паросиловой цикл энергоблока. Рассмотрены несколько вариантов уровня недожога водорода и диапазон системных условий работы водородного энергокомплекса. Проведен комплексный расчет технико-экономических показателей водородного энергокомплекса на АЭС, определены условия его эффективности. Как показали расчеты, недожог водорода приводит к заметному снижению ежегодного дохода и среднегодовой прибыли от продажи пиковой электроэнергии. Достигаемое снижение составляет 11,67 и 35,01 млн руб./год при 5 и 15 % недожога водорода соответственно. При минимальном тарифе на внепиковую электроэнергию снижение накопленного чистого дисконтированного дохода составляет 96,6, 192,8 и 289,4 при увеличении недожога водорода до 5, 10 и 15 % соответственно. Построена зависимость предельного уровня недожога водорода от тарифа на внепиковую электроэнергию, при котором обеспечивается эффективность реализации рассматриваемого водородного энергокомплекса на АЭС. Как показали расчеты, эффективная работа водородного энергокомплекса достигается при тарифе на внепиковую ЭЭ в диапазоне от 0 до 0,45; 0,38; 0,3 и 0,24 руб./кВт·ч при недожоге водорода 0, 5, 10 и 15 % соответственно.

An assessment was made of the influence of underburning of hydrogen in a hydrogen-oxygen steam generator on the technical and economic efficiency of installing a hydrogen energy complex at a nuclear power plant, which is a well-known approach to solving an urgent problem of modern energy systems - ensuring the further development of nuclear energy as an environmentally friendly source of electricity based on the accumulation of off-peak electricity. An approach is considered and a diagram is presented for increasing the reliability of using the hydrogen energy complex at nuclear power plants by reducing underburning and eliminating the entry of unburned hydrogen into the main steam power cycle of the power unit. Several options for the level of hydrogen underburning and a range of system operating conditions for the hydrogen energy complex are considered. A comprehensive calculation of the technical and economic indicators of the hydrogen energy complex at nuclear power plants was carried out, and the conditions for its effectiveness were determined. As calculations have shown, underburning of hydrogen leads to a noticeable decrease in annual income and average annual profit from the sale of peak electricity. The achieved reduction is 11,67 and 35,01 million rubles/year at 5 and 15 % underburning of hydrogen, respectively. At the minimum tariff for off-peak electricity, the reduction in accumulated net present value is 96,6, 192,8 and 289,4 with an increase in hydrogen underburning to 5, 10 and 15 %, respectively. The dependence of the maximum level of hydrogen underburning on the tariff for off-peak electricity, which ensures the efficiency of implementation of the considered hydrogen energy complex at nuclear power plants, is constructed. As calculations have shown, efficient operation of the hydrogen energy complex is achieved with a tariff for off-peak energy efficiency in the range from 0 to 0,45; 0,38; 0,3 and 0,24 rubles/kWh for hydrogen underburning of 0,5, 10 and 15 %, respectively.

водородная энергетикаядерная энергетикаводородно-тепловое аккумулированиенедожог водородазамкнутый водородный циклтехнико-экономическая эффективность

hydrogen energynuclear energyhydrogen thermal accumulationunderburning of hydrogenclosed hydrogen cycletechnical and economic efficiency

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-10287, https://rscf.ru/ project/23-79-10287/

The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 23-79-10287, https://rscf.ru/project/23-79-10287/

References1

Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года. Утв. распоряжением Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р. https://minenergo.gov.ru/system/download-pdf/1026/119047

Energy strategy of the Russian Federation for the period until 2035. Approved by order of the Government of the Russian Federation of June 9, 2020 No. 1523-r. https://minenergo.gov.ru/system/download-pdf/1026/119047

Технические требования к генерирующему оборудованию участников оптового рынка от 01 июля 2017 г. М.: Правление АО «СО ЕЭС» России, 2017. С. 13-15

Technical requirements for generating equipment of wholesale market participants dated July 1, 2017. M.: Management Board of JSC SO UES of Russia, 2017. P. 13-15

Головин Р. А. Стратегия деятельности Госкорпорации «Росатом». М.: Росатом, 2018

Golovin R. A. Strategy of activity of the State Corporation «Rosatom». M.: Rosatom, 2018

Haller J. Link T. Thermodynamic concept for an efficient zero-emission combustion of hydrogen and oxygen in stationary internal combustion engines with high power density // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – V. 42, I, 44, pp. 27374-27387

Yurin V. E., Egorov A. N. Primary frequency regulation in the power system by nuclear power plants based on hydrogen-thermal storage // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47, I, 8, pp. 5010-5018

Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 264 с.

Shpilrain E. E., Malyshenko S. P., Kuleshov G. G. Introduction to hydrogen energy. – M.: Energoatomizdat, 1984. – 264 p.

Haidn O. J., Fröhlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H<sub>2</sub>/O<sub>2</sub> steam generator for spinning reserve application // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – V. 23, I, 6, рp. 491-497

Yapicioglu A., Dincer I. Performance assessment of hydrogen and ammonia combustion with various fuels for power generators // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43, I, 45, pp. 21037-21048

Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П. Основные направления использования водорода в энергетике // Российский химический журнал. – 1993. – Т. 37. – № 22. – С. l0-17

Shpilrain E.E., Malyshenko S.P. Main directions of using hydrogen in energy // Russian Chemical Journal. – 1993. – Vol. 37.– No. 22. – P. l0-17

Malyshenko S. P. JIHT RAS research and development in the field of hydrogen energy technologies // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – № 3(95). – 2011. – pp. 10-34

Malyshenko S. P. JIHT RAS research and development in the field of hydrogen energy technologies // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – No. 3(95). – 2011. – pp. 10-34

Bebelin I. N., Volkov A. G., Gryaznov A. N., Malyshenko S. P. Development and investigation of an experimental hydrogen-oxygen steam generator of 10-mw thermal capacity // Therm Eng+. – 1997. – V. 44, I, 8. – pp. 657-662

Малышенко С. П., Назаров О. В., Сарумов Б. А. Термодинамические аспекты использования водорода для решения некоторых задач энергетики // Теплоэнергетика. – 1986. – № 10. – С. 43-47

Malyshenko S.P., Nazarov O.V., Sarumov B.A. Thermodynamic aspects of using hydrogen to solve some energy problems // Thermal power engineering. – 1986. – No. 10. – P. 43-47

Aminov R. Z., Egorov A. N. Hydrogen-oxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44, I, 21. – pp. 11161-11167

Аминов Р. З., Егоров А. Н. Эффективность сжигания водорода с избытком окислителя в замкнутом водородном цикле на АЭС // Альтернативная энергетика и экология. – 2019. – № 22-27. – C. 53-63. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41322106&ysclid=lx8wxrd87f314254796

Aminov R.Z., Egorov A.N. Efficiency of combustion of hydrogen with an excess of oxidizer in a closed hydrogen cycle at nuclear power plants // Alternative energy and ecology. – 2019. – No. 22-27. – pp. 53-63. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41322106&ysclid=lx8wxrd87f314254796

Yurin V. E., Egorov A. N., Bashlykov D. O. Cooldown of a water-cooled reactor during the natural circulation mode using decay heat of the core and a low-power steam turbine // Nuclear Engineering and Design. – 2023. – V. 409. 112364. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2023.112364

Malyshenko S. P., Prigozhin V. I., Savich A. R. et al. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class // High Temp+. – 2012. – V. 50. – Р. 765-773

Malyshenko S. P., Prigozhin V. I., Savich A. R. et al. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class // High Temp+. – 2012. – V. 50. – R. 765-773

Малышенко С. Л., Пригожин В. И., Рачук В. С. Водород-кислородные парогенераторы // Современное машиностроение. – 2009. – № 2-3(8-9). – 54 с.

Malyshenko S. L., Prigozhin V. I., Rachuk V. S.Hydrogen-oxygen steam generators // Modern mechanical engineering. – 2009. – No. 2-3(8-9). – 54 p.

Прибатурин Н. А., Федоров В. А., Алексеев М. В. и др. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водород-кислород и метан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31-36

Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V. et al. Experimental study of the combustion process of hydrogen-oxygen and methane-oxygen mixtures in a medium of slightly superheated water vapor // Thermal Energy. – 2016. – No. 5. – P. 31-36

Пат. РФ 2661231. 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

Pat. RF 2661231. Method of hydrogen overheating of steam at nuclear power plants / Aminov R. Z., Egorov A. N.; applicants and patent holders Aminov R.Z., Egorov A.N. – No. 2017133941; appl. 09/28/2017; publ. 07/13/2018, Bulletin. No. 20

Yurin V. E., Egorov A. N. Multi-channel general reservation of NPP own needs on the basis of combination with autonomous hydrogen energy complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – V. 60. – pp. 1068-1076

Aminov R. Z., Egorov A. N. Assessment of technical and economic efficiency of a closed hydrogen cycle at NPP // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45, I, 32. – pp. 15744-15751. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.068

Столяревский А. Я. Хемотермические циклы и установки аккумулирования энергии // Альтернативная энергетика и экология. – 2005. – № 3 (23). – С. 45-58.

Stolyarevsky A. Ya. Chemothermal cycles and energy storage units // Alternative energy and ecology. – 2005. – No. 3 (23). – P. 45-58.

Предложение о размере цен (тарифов), долгосрочных параметров регулирования на 2024 год. АО «Концерн Росэнергоатом». 2024. https://www.rosenergoatom.ru/upload/iblock/56a/56a83308448cce26b125269626af4e72.pdf

Proposal on prices (tariffs) and long-term regulatory parameters for 2024. JSC Rosenergoatom Concern. 2024

Акционерное общество «Системный оператор Единой энергетической системы» (АО «СО ЕЭС»). 2024. https://www.so-ups.ru/

Joint Stock Company «System Operator of the Unified Energy System» (JSC «SO UES»). 2024. https://www.so-ups.ru/

Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_144190/?ysclid=lx8x2ea62m21118593

Forecast of long-term socio-economic development of the Russian Federation for the period until 2030 https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_144190/?ysclid=lx8x2ea62m21118593

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