Оценка системной эффективности водородного комплекса на основе замкнутого водородного цикла на АЭС

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.

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. / М.: Министерство энергетики Российской Федерации, 2014. – 263 с.

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

3. Энергетическое оборудование блоков АЭС: 2-е изд. / Н.М. Кузнецов, А.А. Канаев, И.З. Копп. – Л.: Машиностроение, 1987. – 279 с.

4. 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.

5. Брусницын, А. Два сценария развития водородных технологий / А. Брусницын // Мировая энергетика. – 2007. – № 6 (42). – С. 46–48.

6. 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.

7. Дмитриев, А.Л. Перспективы применения водорода в качестве энергоносителя / А.Л. Дмитриев, Н.С. Прохоров // Химическая промышленность. – 2003. – Т. 80. – № 10. – С. 27–29.

8. 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.

9. 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.196–209

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Столяревский, А.Я. Аккумулирование вторичной энергии / А.Я. Столяревский // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1982. – Вып. 4. – С. 60–125.

15. 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.

16. Аминов, Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов. – М.: Наука, 2016. – 254 с.

17. 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.

18. 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.

19. Аминов, Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. – М.: Наука, 2018. – 238 с.

20. 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.

21. 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.

22. 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. 79–86

23. 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.

24. 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.

25. Макаров, А.А. Стратегические перспективы электроэнергетики России / А.А. Макаров [и др.] // Теплоэнергетика. – 2017. – № 11. – С. 40–52.