References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2026.01.040-063

alternative-2766

Research Article

II. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Оценка эффективности электролизеров для применения в составе водородного комплекса в комбинировании с АЭС

Estimation of the efficiency of electrolyzers for use as part of a hydrogen complex in combination with nuclear power plants

https://orcid.org/0000-0003-1549-5133

Аминов

Р. З.

Aminov

R. Z.

Аминов Рашид Зарифович, главный научный сотрудник, профессор кафедры «Тепловая и атомная энергетика имени А. И. Андрющенко», доктор технических наук

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

Scopus Author ID: 7006689108

Research ID: O-3305-2014

Aminov Rashid Zarifovich, Chief Researcher, Professor of the Department of Thermal and Nuclear Power Engineering named after A. I. Andryushchenko, doctor of technical science

410028, Saratov, Rabochaya Street 24; 410054, Saratov, Politekhnicheskaya str., 77

oepran@inbox.ru

https://orcid.org/0009-0006-3685-3082

Макаров

Д. А.

Makarov

D. A.

Макаров Даниил Алексеевич, ассистент кафедры «Тепловая и атомная энергетика» имени Андрющенко А. И.

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

Scopus Author ID: 59472187000

SPIN-код: 6341-5390

Makarov Daniil Alekseevich, assistant of the department of thermal and nuclear energy named after Andryushchenko A. I.

410028, Saratov, Rabochaya Street 24; 410054, Saratov, Politekhnicheskaya str., 77

Федеральный исследовательский центр «Саратовский научный центр Российской академии наук», Институт энергетических проблем; Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.РоссияFederal Research Center «Saratov Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Institute of Energy Problems; Saratov State Technical University named after Yuri GagarinRussian Federation

2026

02052026

014063

2026

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

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

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2766

Комбинирование АЭС с водородным комплексом на основе процесса электролиза воды является актуальным способом регулирования графиков суточной нагрузки, позволяющим аккумулировать невостребованную электроэнергию в часы провала энергопотребления и использовать ее в пиковые часы нагрузки при неизменной мощности реактора и парогенераторов атомной станции за счет сжигания образующихся вследствие электролиза водорода и кислорода с целью перегрева рабочего тела ПТУ АЭС и выработки пиковой мощности. Основным оборудованием водородного энергокомплекса является система электролизных установок, в зависимости от типа которых варьируются эффективность работы и капитальные вложения всего водородного комплекса. В настоящей работе проведен анализ основных технологий электролиза, изучен мировой опыт разработки и эксплуатации установок, а также выявлены показатели эффективности и стоимости исследуемых типов электролизеров. В соответствии с проведенным обзором получено, что наибольшей эффективностью обладают твердооксидные электролизеры. Одновременно с этим такой тип подразумевает наибольшую конечную стоимость по причинам сравнительно меньшего уровня разработки и начального этапа коммерциализации. Электролизеры с протонообменной мембраной отвечают средним показателям эффективности и стоимости, в свою очередь щелочной электролиз имеет меньшую эффективность, что компенсируется за счет минимальных капитальных вложений. Также выявлено, что твердооксидный электролиз эффективен в связке с АЭС для целей производства товарного водорода, что характеризует необходимость проведения дальнейших исследований и разработок в области комбинирования высокотемпературных электролизеров с атомной станцией.

The combination of NPPs with a hydrogen complex based on the process of water electrolysis is an up-to-date way to regulate the daily load schedules, which makes it possible to accumulate unclaimed electricity during the hours of low energy consumption and use it during peak load hours with the unchanged power of the reactor and steam generators of the nuclear power plant due to the combustion of hydrogen and oxygen generated as a result of electrolysis in order to overheat the working fluid of the NPP STU and generate peak power. The main equipment of the hydrogen energy complex is a system of electrolysis plants, depending on the type of which the efficiency and capital investments of the entire hydrogen complex vary. In this work, the analysis of the main electrolysis technologies is carried out, the world experience in the development and operation of installations is studied, and the efficiency and cost indicators of the types of electrolyzers under study are revealed. According to the review, it was found that solid oxide electrolyzers have the highest efficiency, at the same time, this type implies the highest final cost due to the comparatively lower level of development and the initial stage of commercialization. Electrolyzers with a proton exchange membrane meet the average efficiency and cost, while alkaline electrolysis has a lower efficiency, which is compensated by minimal capital investments. It was also revealed that solid oxide electrolysis is effective in conjunction with nuclear power plants for the production of commercial hydrogen, which characterizes the need for further research and development in the field of combining high-temperature electrolyzers with a nuclear power plant.

атомная электростанцияводородный комплекствердооксидный электролизерщелочной электролизерэлектролизер с протонообменной мембранойэффективность электролиза

nuclear power planthydrogen complexsolid oxide electrolyzeralkaline electrolyzerproton exchange membrane electrolyzerelectrolysis efficiency

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-29-00995, https://rscf.ru/project/25-29-00995

References1

. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2050 г. / Правительство Российской федерации. – Москва, 2025 г. – 107 с.

. Energy Strategy of the Russian Federation for the period up to 2050 / Government of the Russian Federation. – Moscow, 2025 – 107 p.

. Байрамов А. Н. Разработка научных основ повышения эффективности АЭС при комбинировании с водородным комплексом [Текст]: дисc. на соискание ученой степени докт. техн. наук: 05.14.01 / Артем Николаевич Байрамов; науч. конс. Р. З. Аминов. – Саратов, 2022. – 397 с.

. Bairamov A. N. Development of scientific foundations for improving the efficiency of nuclear power plants when combined with a hydrogen complex [Text]: dis. for the degree of Doctor of Sciences. Technical sciences: 05.14.01 / Artyom Nikolaevich Bairamov; scientific Cons. R. Z. Aminov. – Saratov, 2022. – 397 p.

. Патент № 2821330 Российская Федерация, МПК G21D 1/00 (2006.01). Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией/ заявители и патентообладатели Байрамов А. Н., Макаров Д. А. № 2023115369; заявл. 09.06.2023; опубл. 21.06.2024 Бюл. № 18.

. Patent No. 2821330, Russian Federation, IPC G21D 1/00 (2006.01). Hydrogen complex based on high-pressure water electrolysis for combination with a nuclear power plant/ applicants and patent holders Bairamov A. N., Makarov D. A. No. 2023115369; applied on June 9, 2023; published on June 21, 2024, Bulletin No. 18.

. Байрамов А. Н., Макаров Д. А. Разработка и обоснование нового принципа комбинирования АЭС с водородным комплексом // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – Т. 5. – № 422. – С. 30-50.

. Bairamov A. N., Makarov D. A. Development and Justification of a New Principle for Combining Nuclear Power Plants with a Hydrogen Complex // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2024. – Vol. 5. – No. 422. – Pp. 30-50.

. Байрамов А. Н., Макаров Д. А., Седелкин В. М. Особенности электролиза воды высокого давления при оценке термодинамической эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2025. – Т. 27. – № 4. – С. 104-122.

. Bairamov A. N., Makarov D. A., and Sedelkin V. M. Features of High-Pressure Water Electrolysis in Assessing the Thermodynamic Efficiency of Combining Nuclear Power Plants with Hydrogen Complexes // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Problemy Energetiki. – 2025. – Vol. 27. – № 4, pp. 104-122.

. Aghakhani A., Haque N., Saccani C., Pellegrini M., Guzzini A. Direct carbon footprint of hydrogen generation via PEM and alkaline electrolysers using various electrical energy sources and considering cell characteristics // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Is. 77. – Pp. 30170-30190. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.083.

. Revinova S., Lazanyuk I., Ratner S., Gomonov K. Forecasting Development of Green Hydrogen Production Technologies Using Component-Based Learning Curves // Energies. – 2023;16(11): 4338. https://doi.org/10.3390/en16114338

. Munoz Diaz M. T., Chavez Orostica H., Guajardo J. Economic Analysis: Green Hydrogen Production Systems // Processes. – 2023;11(5): 1390. https://doi.org/10.3390/pr11051390

. El-Shafie M. Hydrogen production by water electrolysis technologies: A review // Results in Engineering. – 2023. – Vol. 20. – Р. 101426. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101426.

. Brauns J., Turek T. Alkaline Water Electrolysis Powered by Renewable Energy: A Review // Processes. – 2020;8(2): 248. https://doi.org/10.3390/pr8020248.

. Franco A., Giovannini C. Recent and Future Advances in Water Electrolysis for Green Hydrogen Generation: Critical Analysis and Perspectives // Sustainability. – 2023;15(24): 16917. https://doi.org/10.3390/su152416917.

. Hernandez-Gomez A., Ramirez V., Guilbert D. Investigation of PEM electrolyzer modeling: Electrical domain, efficiency, and specific energy consumption // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45. – Is. 29. – Pp. 14625-14639. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.195.

. Asiaban S., Bozalakov D., Cornelissen E., Vandevelde L. Offshore Hydrogen Production via the PEM Electrolyser Coupled with the Reverse Osmosis System // IEEE Access. – 2025. – Vol. 13. – Pp. 161685-161708. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3608297.

. Bristowe G., Smallbone A. The Key Techno-Economic and Manufacturing Drivers for Reducing the Cost of Power-to-Gas and a Hydrogen-Enabled Energy System // Hydrogen. – 2021;2(3): 273-300. https://doi.org/10.3390/hydrogen2030015.

. Tenhumberg N., Buker K. Ecological and Economic Evaluation of Hydrogen Production by Different Water Electrolysis Technologies // Chemie Ingenieur Technik. – 2020;92: 1586-1595. https://doi.org/10.1002/cite.202000090.

. Kuckshinrichs W., Ketelaer T., Koj J. C. Economic Analysis of Improved Alkaline Water Electrolysis // Frontiers in Energy Research. – 2017;5: 1. https://doi.org/10.3389/fenrg.2017.00001.

. Lebrouhi B. E., Djoupo J. J., Lamrani B., Benabdelaziz K., Kousksou T. Global hydrogen development – а technological and geopolitical overview // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47. – Is. 11, pp. 7016-7048. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.12.076.

. David M., Bianchi F., Ocampo-Martinez C., Sanchez-Pena R. H2 purity control of high-pressure alkaline electrolyzers // IFAC-Papers on-line. – 2021. – Vol. 54, Is. 3. – Pp. 109-114. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2021.08.227.

. Pinsky R., Sabharwall P., Hartvigsen J., O’Brien J. Comparative review of hydrogen production technologies for nuclear hybrid energy systems // Progress in Nuclear Energy. – 2020. – Vol. 123. – №. 103317. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2020.103317.

. Grigoriev S. A., Fateev V. N., Bessarabov D. G., Millet P. Current status, research trends and challenges in water electrolysis science and technology // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Is. 49. – Pp. 26036-26058. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.109.

. Guo Y., Li G., Zhou J., Liu Y. Comparison between hydrogen production by alkaline water electrolysis and hydrogen production by PEM electrolysis. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – Vol. 371. – Is. 4. https://doi.org/10.1088/1755-1315/371/4/042022.

. Nasir M. N., Zaine S. N. Optimization of alkaline electrolysis system for hydrogen production: A simulation study. Materials Research Proceedings. – 2025. – Vol. 53, pp. 482-497. https://doi.org/10.21741/9781644903575-50.

. Tofighi-Milani M., Fattaheian-Dehkordi S., Lehtonen M. Electrolysers: A Review on Trends, Electrical Modeling, and Their Dynamic Responses // IEEE Access. – 2025. – Vol. 13. – Pp. 39870-39885. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3546546.

. Jin L., Nakashima R. N., Frandsen H. L., Comodi G. Alkaline Electrolysis for Green Hydrogen Production: Techno-Economic Analysis of Temperature Influence and Control. 36th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. – 2023. – Pp. 908-919. https://doi.org/10.52202/069564-0082.

. Losiewicz B. Technology for Green Hydrogen Production: Desk Analysis // Energies. – 2024;17(17): 4514. https://doi.org/10.3390/en17174514.

. Yang G., Yu S., Li Y., Li K., Ding L., Xie Z., Wang W., Dohrmann Y., Zhang F. A simple convertible electrolyzer in membraneless and membrane-based modes for understanding water splitting mechanism // Journal of Power Sources. – 2021. – Vol. 487. – №. 229353. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.229353.

. Bhandari R., Subedi S. Evaluation of surplus hydroelectricity potential in Nepal until 2040 and its use for hydrogen production via electrolysis // Renewable Energy. – 2023. – Vol. 212. – Pp. 403-414. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.05.062.

. Wang Y., Wen C., Tu J., Zhan Z., Zhang B., Liu Q., Zhang Z., Hu H., Liu T. The multi-scenario projection of cost reduction in hydrogen production by proton exchange membrane (PEM) water electrolysis in the near future (2020-2060) of China // Fuel. – 2023. – Vol. 354. – № 129409. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129409.

. Zhu P., Mae M., Matsuhashi R. Techno-Economic Analysis of Grid-Connected Hydrogen Production via Water Electrolysis // Energies. – 2024;17(7): 1653. https://doi.org/10.3390/en17071653.

. Sin P. S., Wai S., Ota Y., Nishioka K., Suzuki Y. Performance recovery of proton exchange membrane electrolyzer degraded by metal cations contamination // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 53. – Pp. 86-92. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.049.

. Koj J. C., Zapp P., Wieland C., Gorner K., Kuckshinrichs W. Green hydrogen production by PEM water electrolysis up to the year 2050 – Prospective life cycle assessment using learning curves // Journal of Industrial Ecology. – 2025;29: 145-158. https://doi.org/10.1111/jiec.13592.

. Tajuddin A. H., Elumalai G., Xi Z., Hu K., Jeong S., Nagasawa K., Fujita J., Sone Y., Ito Y. Corrosion-resistant non-noble metal electrodes for PEM-type water electrolyzer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46. – Is. 78. – Pp. 38603-38611. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.116.

. Wrubel J.A., Milleville C., Klein E., Zack J., Park A.M., Bender G. Estimating the energy requirement for hydrogen production in proton exchange membrane electrolysis cells using rapid operando hydrogen crossover analysis. International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47. Is. 66. pp. 28244-28253. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.155

. Liu C., Wrubel J., Padgett E., Bender G. The impacts of membrane pinholes on PEM water electrolysis // Journal of Power Sources. – 2023. – Vol. 581. – №. 233507. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233507.

. Hernandez-Gomez A., Ramirez V., Guilbert D., Saldivar B. Self-Discharge of a Proton Exchange Membrane Electrolyzer: Investigation for Modeling Purposes // Membranes. – 2021;11(6): 379. https://doi.org/10.3390/membranes11060379.

. Lange H., Klose A., Lippmann W., Urbas L. Technical evaluation of the flexibility of water electrolysis systems to increase energy flexibility: A review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Is. 42. – Pp. 15771-15783. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.044.

. Jolaoso L. A., Asadi J., Duan C., Kazempoor P. A novel green hydrogen production using water-energy nexus framework // Energy Conversion and Management. – 2023. – Vol. 276. – №. 116344. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116344.

. Kalinichenko D., Wodrich L., Lee A. J. H., Kozlowski T., Brooks C. S. Analysis of nuclear microreactor efficacy with hydrogen production methods // Progress in Nuclear Energy. – 2024. – Vol. 168. – №. 104994. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2023.104994.

. Massaro F., Ferraro M., Montana F., Riva Sanseverino E., Ruffino S. Techno-Economic Analysis of Clean Hydrogen Production Plants in Sicily: Comparison of Distributed and Centralized Production // Energies. – 2024;17(13): 3239. https://doi.org/10.3390/en17133239.

. Aicart J., Tallobre L., Surrey A., Gervasoni B., Geipel C., Fontaine H., Desousanobre S., Mougi J. Lifespan evaluation of two 30-cell electrolyte-supported stacks for hydrogen production by high temperature electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 60. – Pp. 531-539. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.02.239.

. Zhang B., Harun N. F., Zhou N., Colon-Rodriguez J. J., Oryshchyn D., Shadle L., Tucker D., Bayham S. A real-time multiphysics model of a pressurized solid oxide electrolysis cell (SOEC) for cyber-physical simulation // Energy Conversion and Management. – 2023. – Vol. 298. – № 117778. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117778.

. Shamsi S. S., Muhammad H. A., Song R., Park S. J., Lee S. B., Hong J. E., Kim H. S., Joh D. W., Bang H. J., Lim T. H., Lee Y. D. Performance Evaluation of High Current Density (HCD) Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) Hydrogen Production System in Endothermic Mode: An Energy and Exergy Perspective // International Journal of Energy Research. – 2024. – № 6769565. – Р. 27. https://doi.org/10.1155/2024/6769565.

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

. Shpilrain E. E., Malyshenko S. P., and Kuleshov G. G. Introduction to Hydrogen Energy. – Moscow: Energoatomizdat, 1984. – 264 p.

. Hazenberg W. Green hydrogen: Cost and reduction potential. Drenthe College. Bilfinger. 2024. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://greenskillsforhydrogen.eu/wp-content/uploads/2024/07/2024-Juni-4-V03-Masterclass-WHB_-Greenskill4h2_Green-Hydrogen-Cost-and-reduction.pdf.

. Atouife M., Jenkins J. Emerging clean technologies: policy-driven cost reductions, implications and perspectives // Electrical Engineering and Systems Science. – 2024;2408: 10824. https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.10824.

. Matute G., Yusta J. M., Correas L. C. Techno-economic modelling of water electrolysers in the range of several MW to provide grid services while generating hydrogen for different applications: A case study in Spain applied to mobility with FCEVs // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44, Is. 33. – Pp. 17431-17442. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.05.092.

. Chen Y., Hill D., Billings B., Hedengren J., Powell K. Hydrogen underground storage for grid electricity storage: An optimization study on techno-economic analysis // Energy Conversion and Management. – 2024. – Vol. 322. – № 119115. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.119115.

. Ramadan M. M., Wang Y., Tooteja P. Analysis of Hydrogen Production Costs across the United States and over the next 30 years // Statistics. – 2022;2206: 10689. https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.10689.

. Yates J., Daiyan R., Patterson R., Egan R., Amal R., Ho-Baille A., Chang N. L. Techno-economic Analysis of Hydrogen Electrolysis from Off-Grid Stand-Alone Photovoltaics Incorporating Uncertainty Analysis // Cell Reports Physical Science. – 2020. – Vol. 1. – Is. 10. – № 100209. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100209.

. Delgado H. E., Cappello V., Zang G., Sun P., Ng C., Vyawahare P., Elgowainy A. A., Wendt D. S., Boardman R. D., Marcinkoski J. Techno-economic analysis and life cycle analysis of e-fuel production using nuclear energy // Journal of CO2 Utilization. – 2023. – Vol. 72. – № 102481. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2023.102481.

. Аминов Р. З., Гудым А. А. Расчет калорических свойств диссоциированного водяного пара при высоких температурах // Теплоэнергетика. – 2014. – № 11. – С. 55.

. Aminov R. Z., Gudym A. A. Calculation of the Caloric Properties of Dissociated Water Vapor at High Temperatures // Thermal Power Engineering. – 2014. – No. 11. – P. 55.

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