Комплексная методика выявления тарифных зон эффективности многофункциональной системы водородно-теплового аккумулирования на АЭС

В странах с развитой атомной энергетикой существуют проблемы, связанные с неравномерностью суточной нагрузки, вследствие экономически обоснованной необходимости загрузки АЭС с максимальным коэффициентом используемой мощности. Это вызвано дешевизной ядерного топлива по сравнению с органическим и, одновременно, высокими капиталовложениями по сравнению с тепловыми электростанциями, а также наличием технологических ограничений маневренных характеристик. На полупиковый режим переведено большинство тепловых станций на органическом топливе, что негативно сказывается на их экономичности и надежности.
Помимо этого, на экономику АЭС отрицательно влияют постоянно возрастающие требования к уровню безопасности. В новых проектах АЭС предусматривается повышение безопасности посредством ввода систем пассивного теплоотвода активной зоны реакторов. Эти системы имеют ряд недостатков: затраты на поддержание в рабочем состоянии; увеличение капитальных вложений; аварийный режим расхолаживания.
Для решения этих проблем авторами разработана система водородно-теплового аккумулирования, которая при комбинировании с АЭС позволяет аккумулировать дешевую энергию в часы спада нагрузки в энергосистеме за счет электролиза воды с получением водорода и кислорода, и теплового аккумулирования горячей воды в теплоизоляционных баках. Благодаря использованию баков горячей воды значительно снижаются капиталовложения в систему аккумулирования, а благодаря использованию водородно-кислородного парогенератора появляется возможность генерировать дополнительное рабочее тело и использовать его в отдельной дополнительной ПТУ, избежав дорогостоящей модернизации основного оборудования АЭС и снижения его ресурса. Наличие маломощной ПТУ в составе системы аккумулирования позволит обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей собственных нужд АЭС за счет возможности использования энергии остаточного тепловыделения реактора при полном обесточивании станции. Разработанный способ комбинирования водородного комплекса с тепловыми аккумуляторами является абсолютно новым и не имеет аналогов.
Исследована экономическая эффективность разработанного энергокомплекса. Определен накопленный чистый дисконтированный доход в зависимости от тарифа на внепиковую электроэнергию для трех вариантов полупикового тарифа на электроэнергию с учетом обеспечения возможности отказа от дорогостоящих теплообменников системы пассивного теплоотвода. Показано, что реализация предлагаемой схемы комбинирования целесообразна в регионах с тарифами на внепиковую электроэнергию в диапазоне 0-0.32 цент/кВт*ч, 0-0.8 цент/кВт*ч и 0-1.25 цент/кВт*ч, соответственно, в зависимости от прогнозной динамики полупикового тарифа на электроэнергию. Средневзвешенный срок окупаемости системы аккумулирования для заданных условий составил 3-12 лет.

1. Electric Grid Reliability and Interface with Nuclear Power Plants. IAEA Nuclear Energy Series. 2012;NG-T-3.8:78. [in Eng.].

2. Non-baseload Operation in Nuclear Power Plants: Load Following and Frequency Control Modes of Flexible Operation. IAEA Nuclear Energy Series. 2018;NP-T-3.23:173 [in Eng.].

3. Sierchua J. Analysis of passive residual heat removal system in AP1000 nuclear power plant // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 214. 2019. 012095

4. Aminov R.Z., Egorov A.N. Comparison and analysis of residual heat removal systems of reactors in station blackout accidents // Atomic Energy. 2017. V. 121. № 6. pp. 402-408

5. Aminov, R.Z., Egorov, A.N., Yurin, V.E. et al. Multifunctional Backup for NPP Internal Needs. Atomic Energy (2017) Vol. 121, № 5, pp. 327-333. DOI:10.1007/s10512-017-0206-3

6. Aminov R.Z., Yurin V.E., Egorov A.N. A comprehensive analysis of emergency power supply systems at NPPs with WWER-1000 type reactors based on additional steam turbines in the context of Balakovo NPP. Journal of Physics: Conference Series. 1111 (2018) 021026. doi:10.1088/1742-6596/1111/1/012026.

7. Аминов Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. М.: Наука, 2018. 240с.

8. Патент РФ № 2640409. Способ повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования / Юрин В.Е., Егоров А.Н. // Заявка на патент РФ №2017106398 от 27.02.2017, опубл. 9.01.2018. Бюл. № 1.

9. Малышенко С.П. Исследования и разработки ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2011. № 3 (95). С. 10-34.

10. Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. High-pressure H2/O2 – steam generators and they possible applications. International Journal of Hydrogen Energy. 2004. Volume 29. pp. 589-596.

11. Патент РФ №2488903. Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов, В.Е. Юрин // Заявка от 03.05.2012, опубл. 27.07.2013. Бюл. №21.

12. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович Б.В., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478с.

13. Глинка Н.Л. Общая химия. – Учебное пособие для вузов / Под ред. В.А. Рабинович. М.:Интеграл-Пресс, 2007. 728с.

14. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 721с.

15. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Cправ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова. М.: Химия, 1989. 672 с.

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

17. Aminov R.Z., Egorov A.N., Yurin V.E. Redundancy of NPP’s own needs using hydrogen energy complex // 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). IEEE Publishing, 2019. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934690

18. Официальный сайт о размещении заказов на закупки товаров, работ и услуг для нужд Госкорпорации «Росатом» http://zakupki.rosatom.ru (дата обращения 01.06.2020).

19. Столяревский А.Я. Хемотермические циклы и установки аккумулирования энергии. Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. №3. 2005. с. 45-58.

20. Average Power Plant Operating Expenses for Major U.S. Investor-Owned Electric Utilities, 2008 through 2018 (Mills per Kilowatthour) / U.S. Energy Information Administration https://www.eia.gov/electricity/annual/html/epa_08_04.html (дата обращения 01.06.2020)

21. Summer energy market and reliability assessment / Federal Energy Regulatory Commission https://www.ferc.gov/market-assessments/reportsanalyses/mkt-views/2017/2017-summer-assessment.pdf (дата обращения 01.06.2020)

22. European electricity markets panorama: France / AleaSoft Energy forecasting https://aleasoft.com/europeanelectricity-markets-panorama-france/ (дата обращения 01.06.2020).

23. Прогноз долгосрочного социальноэкономического развития РФ на период до 2030 года http://economy.gov.ru/minec/activity/sections/macro/prognoz /doc20130325_06 (дата обращения 01.06.2020).