alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2025.01.159-172alternative-2551Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономика 12-5-10-9 Физико-математические модели описания процессов генерации водородаIV. HYDROGEN ECONOMY 12. Hydrogen economy 12-5-10-9 Physico-mathematical model of processes of hydrogen productionПолучение водорода и гибридное использование щелочных металлов в технологиях энергетического производства и хранения электрической энергии с применением ЭХГ и ГТУHydrogen production and hybrid use of alkali metals in technologies of energy production and storage of electric energy using ECG and GTUЩеклеинС. Е.ShchekleinS. E.

Щеклеин Сергей Евгеньевич -  заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии», профессор, доктор технических наук 

Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19 

+7 902 442 1547 

Shcheklein Sergey Evgenievich -  Head of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources. Doctor of technical science, professor 

Russia, Yekaterinburg, Mira st., 19 

+7 902 442 1547

s.e.shcheklein@urfu.ruДубининА. М.DubininA. M.

Дубинин Алексей Михайлович -  профессор кафедры «Теплоэнергетики и Теплотехники», доктор технических наук 

 Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19 

Dubinin Alexey Mikhailovich -  Professor of the Department of Heat Power Engineering and Heat Engineering; Doctor of Technical Sciences 

Russia, Yekaterinburg, Mira st., 19 

ЮзбашиеваК. Ш.YuzbashievaK. Sh.

Юзбашиева Карина Шамседдин кызы -  студент кафедры атомных станций и ВИЭ 

 Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19 

Iuzbashieva Karina Shamseddin kyzy -  student of «Nuclear Power Plants and Renewables» Department 

 Russia, Yekaterinburg, Mira st., 19 

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation20251502202501159172Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20252025Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2551

Водород является эффективным энергоносителем для теплоэнергетических технологий и электрохимических источников электрического тока. Предлагаемая технология исключает необходимость хранения и транспортировки водорода и обеспечивает его производство в объеме, необходимом для непосредственного использования на электростанциях. В данной работе рассматривается возможность использования щелочных металлов, как наиболее эффективного метода получения водорода при реакции с водой. Продукт реакции (щелочь) повторно восстанавливается до чистого металла электролизом за счет энергии (в период ночного провала энергопотребления ТЭС и АЭС) или за счет энергии ВИЭ в период её природного наличия (ГЭС, ФЭС, ВЭС).Расчетные исследования показали, что процесс восстановления воды щелочными металлами экзотермический, с выделением теплоты высокого термодинамического потенциала, что позволяет наряду с прямым преобразованием водорода в электрическую энергию с помощью топливных элементов осуществить дополнительное производство электрической энергии на основе термодинамических циклов Ренкина или Брайтона.

Hydrogen is an effective energy carrier for thermal power technologies and electrochemical sources of electric current. The proposed technology eliminates the need for storing and transporting hydrogen and ensures its production in the volume required for direct use at power plants. This paper considers the possibility of using alkali metals as the most effective method for producing hydrogen by reaction with water. The reaction product (alkali) is repeatedly reduced to pure metal by electrolysis using energy (during the nighttime dip in energy consumption at thermal power plants and nuclear power plants) or using renewable energy during its natural availability (hydroelectric power plants, solar power plants, wind power plants). Calculation studies have shown that the process of water reduction by alkali metals is exothermic, with the release of heat of high thermodynamic potential, which allows, along with the direct conversion of hydrogen into electrical energy using fuel cells, to carry out additional production of electrical energy based on the thermodynamic Rankine or Brayton cycles.

неравномерность энергопотребленияводороднатрийкалийлитийэлектролизводакислородвозобновляемые источники энергииuneven energy consumptionhydrogensodiumpotassiumlithiumelectrolysiswateroxygenrenewable energy sourcesРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Программа развития Уральского федерального университета в рамках Программы «Приоритет-2030»). Номер гранта: FEUZ-2022-0031.ReferencesДзюба А. П. Повышение энергетической эффективности экономики России на основе комплексного управления спросом на электроэнергию и газ // Проблемы экономики и управления нефтегазовым комплексом. – 2019. – № 9 (177). – С. 38-50.Dzyuba A. P. Improving the energy efficiency of the Russian economy based on integrated management of demand for electricity and gas // Problems of Economics and Management of the Oil and Gas Complex. – 2019. – No. 9 (177). – Pр. 38-50.Лямбель А. Н., Пахалуев В. М., Щеклеин С. Е. Об электроотоплении многоквартирного дома в комплексе «энергосистема-дом» // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. – №. 19-21. – С. 91-100.Lyambel A. N., Pakhaluev V. M., Shcheklein S. E. On electric heating of an apartment building in the «energy system-house» complex // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2018. – No. 19-21. – Pр. 91-100.Сомова Е. В. Расширение регулировочного диапазона энергоблоков: проблемы и их решение // Теплоэнергетика. – 2024.– № 4.– С. 40-51.Somov E. V. Expansion of the control range of power units: problems and their solutions // Thermal Power Engineering. – 2024. – No. 4. – Pр. 40-51.Калимуллин Л. В., Левченко Д. К., Смирнова Ю. Б., Тузикова Е. С. Приоритетные направления, ключевые технологии и сценарии развития систем накопления энергии // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. – 2019.– № 1.– С. 42-54.Kalimullin L. V., Levchenko D. K., Smirnova Yu. B., Tuzikova E. S. Priority areas, key technologies and scenarios for the development of energy storage systems // Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University. – 2019. – No. 1. – Pр. 42-54.Лушников О. Г. О потребностях энергосистемы в регулирующих мощностях и направлениях работы ОАО «РусГидро» по строительству ГАЭС // Гидротехническое строительство. – 2015. – №. 7. – С. 31-41.Lushnikov O. G. On the needs of the energy system for regulating capacities and areas of work of JSC RusHydro on the construction of pumped storage power plants // Hydrotechnical construction. – 2015. – No. 7. – Pр. 31-41.Дудолин А. А. Внедрение высокоманевренных газотурбинных теплоэлектроцентралей как способ повышения тепловой и экологической эффективности ЕЭС России // Вестник Московского энергетического института. – 2023. – № 2.– С. 86-97.Dudolin A. A. Implementation of highly maneuverable gas turbine combined heat and power plants as a way to improve the thermal and environmental efficiency of the Unified Energy System of Russia // Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. – 2023. – No. 2. – Pр. 86-97.Елистратов В. В. Использование принципов гидроаккумулирования при работе ветроэлектростанций // Энергетическая политика. – 2009. – №. 5. – С. 12-17.Yelistratov V. V. Use of pumped storage principles in wind power plants // Energy policy. – 2009. – No. 5. – Pр. 12-17.Беликов В. В., Кочетков В. В., Третьюхина Е. С. Численные исследования нестационарных гидравлических режимов работы совмещенного нижнего бассейна Загорских ГАЭС-1 И ГАЭС-2 // В сборнике: Безопасность энергетических сооружений. Научно-технический и производственный сборник. – Москва,Belikov V. V., Kochetkov V. V., Tretyukhina E. S.Numerical studies of non-stationary hydraulic operating modes of the combined lower basin of Zagorsk PSPP-1 and PSPP-2 // In the collection: Safety of power facilities. Scientific, technical and production collection. – Moscow, 2007. – Pp. 112-127.– С. 112-127.Beloborodov S. S. The influence of daily and seasonal unevenness of electricity generation by solar and wind power plants on the structure of generating capacities in the power system of Germany // Electric stations. – 2020. – No. 5 (1066). – Pp. 2-7.Белобородов С. С. Влияние суточной и сезонной неравномерности выработки электроэнергии солнечными и ветровыми электростанциями на структуру генерирующих мощностей в энергосистеме Германии // Электрические станции. – 2020. – № 5 (1066). – С. 2-7.Voloshin E. A., Onisova O. A., Navolochny A. A. Study of power balances when introducing renewable energy sources and electric energy storage devices into the electric grid // Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. – 2022. – No. 3. – Pp. 11-22.Волошин Е. А., Онисова О. А., Наволочный А. А. Исследование балансов мощности при внедрении возобновляемых источников энергии и накопителей электрической энергии в электрическую сеть // Вестник Московского энергетического института. – 2022. – № 3. – С. 11-22.Loseva I. G., Peryshkin M. D., Kakushina E. G., Reshetnikova T. V., Nebesny V. V. Assessment of the dynamics of power reduction of non-traditional and renewable electricity sources (SES, WES, hereinafter referred to as RES). Using the value of RES power reduction as a normative disturbance // Power plants and technologies. – 2020. – T. 6. – No. 4. – Pр. 51-56.Лосева И. Г., Перышкин М. Д., Какушина Е. Г., Решетникова Т. В., Небесный В. В. Оценка динамики снижения мощности источников нетрадиционной и возобновляемой электроэнергии (СЭС, ВЭС, далее – ВИЭ). Использование величины снижения мощности ВИЭ в качестве нормативного возмущения // Энергетические установки и технологии. – 2020. – Т. 6. – № 4. – С. 51-56.Ershov S. V., Smolin S. O. Promising schemes of wind-diesel turbines // Bulletin of Tula State University. Technical sciences. – 2018. – No. 12. – Pр. 49-54.Ершов С. В., Смолин С. О. Перспективные схемы ветро- дизельных установок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2018. – № 12. –С. 49-54.Obukhova N. V., Bashkatova K. I., Egorov A. O. Operating modes of the Sakmarskaya solar power plant of the Orenburg energy system // In the collection: Electric power industry through the eyes of youth – 2018. Proceedings of the IX International youth scientific and technical conference. – 2018. – Pр. 139-142.Обухова Н. В., Башкатова К. И., Егоров А. О. Режимы работы Сакмарской солнечной электростанции Оренбургской энергосистемы // В сборнике: Электроэнергетика глазами молодежи – 2018. Материалы IX Международной молодежной научно-технической конференции. – 2018. – С. 139-142.Kakourov M. A. Analysis of the process of integration of renewable energy sources into energy systems // In the collection: Improving the efficiency of production and use of energy in Siberia. Proceedings of the All-Russian scientific and practical conference with international participation. – 2021. – Pр. 174-178.Какоуров М. А. Анализ процесса интеграции ВИЭ в энергосистемы // В сборнике: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – 2021. – С. 174-178.Shamsiev B. Kh., Shamsiev Kh. A. Analysis of the development prospects of the Central Asian IES taking into account the integration of renewable energy sources // Bulletin of the Scientific and Technical Center of the Unified Energy System. – 2022. – No. 1 (86). – Pр. 78-86.Шамсиев Б. Х., Шамсиев Х. А. Анализ перспектив развития ОЭС Центральной Азии с учетом интеграции ВИЭ // Известия НТЦ Единой энергетической системы. – 2022. –№ 1 (86). – С. 78-86.Veziroglu T. N., Sahin Sh. Energy of the 21st century: hydrogen energy // Alternative energy and ecology (ISJAEE). – 2014. – № 2 (142). – Pр. 12-28.Везироглу Т. Н., Сахин Ш. Энергетика 21-го века: водородная энергетика // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2014. – № 2 (142). – С. 12-28.Malyshenko S. P. Research and development of JIHT RAS in the field of hydrogen energy technologies (on the 50th anniversary of JIHT RAS) // Alternative energy and ecology (ISJAEE). – 2011. – № 3 (95). – Pр. 10-34.Малышенко С. П. Исследования и разработки ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики (к 50-летию ОИВТ РАН) // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2011. – № 3 (95). – С. 10-34.Filippov S. P., Golodnitsky A. E., Kashin A. M. Fuel cells and hydrogen energy // Energy policy. – 2020. – No. 11 (153). – Pр. 28-39.Филиппов С. П., Голодницкий А. Э., Кашин А. М. Топливные элементы и водородная энергетика // Энергетическая политика. – 2020. – № 11 (153). – С. 28-39.Litvinenko V. S. et al. Barriers to the implementation of hydrogen initiatives in the context of sustainable development of global energy // Notes of the Mining Institute. – 2020. – Vol. 244. – Pр. 428-438.Литвиненко В. С. и др. Барьеры реализации водородных инициатив в контексте устойчивого развития глобальной энергетики // Записки Горного института. – 2020. – Т. 244. – С. 428-438.Varavva N. E. Chemistry in schemes and tables. – M: Eksmo. – 2016. – 208 p.Варавва Н. Э. Химия в схемах и таблицах. – М: Эксмо. – 2016. – 208 с.Karapetyants M. Kh. Chemical Thermodynamics. – Moscow: Chemistry. – 1975. – 584 p.Карапетьянц М. Х. Химическая термодинамика. – М.: Химия. – 1975. – 584 с.Karapetyants M. Kh., Karapetyants M. L. Basic Thermodynamic Constants of Inorganic and Organic Substances. – Moscow: Chemistry. – 1968. – 270 p.Карапетьянц М. Х., Карапетьянц М. Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. – М.: Химия. – 1968. – 270 с.Korolev V. N., Tolmachev E. M. Technical Thermodynamics // Yekaterinburg, USTU-UPI. – 2001. – 180 p.Королев В. Н., Толмачев Е. М. Техническая термодинамика // Екатеринбург, УГТУ-УПИ. – 2001. – 180 с.Munts V. A., Pavlyuk E. Yu. Fundamentals of Combustion Theory // Yekaterinburg, USTU-UPI. – 2005. – 102 p.Мунц В. А., Павлюк Е. Ю. Основы теории горения // Екатеринбург, УГТУ-УПИ. – 2005. – 102 с.Trifonov D. N. Structure and Boundaries of the Periodic Table // Moscow: Atomizdat, 1969. – 271 p.Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы // М: Атомиздат, 1969. – 271 с.Korovina N. A. Fuel cells and electrochemical units // M: MPEI Publ. – 2005. – 145 p.Коровин Н. А. Топливные элементы и электрохимические установки // М: Изд. МЭИ. – 2005. – 145 с.Sobyanin V. A. High-temperature solid oxide fuel cells and methane conversion // Russian Chemical Journal. – 2003. – Vol. 47, No. 6. – Pp. 62-70.Собянин В. А. Высокотемпературные твердоокисные топливные элементы и конверсия метана // Российский химический журнал. – 2003. –Т. 47, № 6. – С. 62-70.Kuzmina N. K., Dubinin A. M. Use of aluminum powder as a fuel for a combined-cycle cogeneration plant // Innovations. Science. Education. – 2021. – No. 6. – Pp. 694-714.Кузмина Н. К., Дубинин А. М. Использование алюминиевой пудры в качестве топлива для когенерационной парогазовой установки // Инновации. Наука. Образование. – 2021. –№ 6. – С. 694-714.Radchenko R. V., Mokrushin A. S., Tyulpa V. V. Hydrogen in power engineering: textbook. manual ed. Shchekleina S. E. / Ekaterinburg: Publishing house of the Ural. University, 2014. – 229 p.Радченко Р. В., Мокрушин А. С., Тюльпа В. В. Водород в энергетике: учеб. пособие под ред. Щеклеина С. Е. / Екатеринбург: Изд-во Урал. унта, 2014. – 229 с.Радченко Р. В., Мокрушин А. С., Тюльпа В. В. Водород в энергетике: учеб. пособие под ред. Щеклеина С. Е. / Екатеринбург: Изд-во Урал. унта, 2014. – 229 с.

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