Оценка технико-экономической эффективности замкнутого водородного цикла на АЭС

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.

1. Фаворский, 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.

2. 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.

3. АЭС с ВВЭР: режимы, характеристики, эффективность / Р.З. Аминов [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1990.– 264с.

4. Средняя цена реализации газа в России [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gazprom.ru/about/marketing/europe – (Дата обращения: 05.04.2019).

5. 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).

6. 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).

7. Данилова, Т. Экономика АЭС: фокус на кВт•ч // Атомный эксперт. – 2014. – № 5–6. – С. 10–15.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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).

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М., 1972. – 720 с.

16. 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.

17. Gas Turbine World Handbook. – Pequot Publishing Inc, 2018. – Vol. 33. – 148 p.

18. Текущий ремонт газотурбинных установок ГТУ ст. № 6-9 СП «Майская ГРЭС» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Центр электронных торгов.

19. Юренев, В.Н. Теплотехнический справочник. Том 2. Изд. 2-е, перераб. / В.Н. Юренев, П.Д. Лебедев. – М.: Энергия, 1976. – 896с.

20. Мухачев, Г.А. Термодинамика и теплопередача / Г.А. Мухачев, В.К. Шукин. – М.: Высшая школа, 1991. – 480 с.

21. Себиси, Т. Конвективный теплообмен / Т. Себиси, П. Брэдшоу. – М.: Мир, 1987. – 592 с.

22. ООО «Краснодарский машиностроительный завод» [Электронный ресурс]. – Режим досту-па:http://kmzv.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.04.2019).

23. ЗАО ГМП «Спутник» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gmp-sputnik.ru. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.04.2019).

24. Трояновский, Б.М. Турбины для атомных электростанций / Б.М. Трояновский. – М.: Энергия, 1978. – 232с.

25. 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.

26. Spenser, R.C.Performance of Large Nuclear Turbines / R.C. Spenser, E.H. Miller//Combustion. – 1973. – Vol. 45. – Is. 2. – 29 p.

27. 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.

28. 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.

29. Moran, M.J. Fundamentals of engineering thermodynamics. 7th edition / M.J. Moran [et al.].– USA: John Wiley & Sons Inc, 2011. – 1024 p.

30. 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.