Использование водорода в топливном цикле воздухоаккумулирующих электростанций

Развитие крупных энергетических систем на основе возобновляемых источников энергии сопровождается ростом вводимых мощностей крупных сетевых накопителей. С учетом вектора на декарбонизацию и маневренность использование водорода в качестве топлива в цикле диабатической воздухо-аккумулирующей электростанции является перспективным научно-техническим направлением. Задача комплексной оптимизации структуры и параметров ВАЭС для различных регионов Российской Федерации должна решаться с учетом следующих факторов: внешние (требуемый регулировочный диапазон в энергосистеме; сложившиеся экономические показатели работы ОРЭМ; инфраструктурные и экологические ограничения для работы диабатических ВАЭС на природном газе), внутренние (капитальные затраты на серийно выпускаемое российское оборудование, физические ограничения по местам установки и объему накопителей воздуха). В то же время технический потенциал ВАЭС в отличие от многих других накопителей не ограничивается выработкой только электрической энергии, т.к. в силу физических особенностей процессов сжатия и расширения возникает возможность создания когенерационной или тригенерационной установки с получением как тепла, так и холода. Проблематика прогнозирования дефицита электроэнергии и маневренных мощностей в регионах страны должна рассматриваться в контексте нескольких уязвимых мест: ограничение по перетокам между энергосистемами, отсутствие требуемого количества маневренных мощностей для обеспечения регулировочного диапазона (избыток базовой генерации на АЭС и ТЭЦ), вывод из эксплуатации физически устаревшего генерирующего оборудования, невозможность своевременного квалифицированного ремонта и замены зарубежного генерирующего оборудования большой мощности, активное внедрение возобновляемых источников энергии. Исходя из анализа уязвимых мест ОЭС России установлено, что наибольший потенциал для развития маневренной генерации и крупных накопителей имеется в ОЭС Центра и ОЭС Юга. Ключевыми управляющими воздействиями, которые определяют конфигурацию ВАЭС с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат являются: маржинальная прибыль энергоузла ТЭЦ-ВАЭС и ГРЭС-ВАЭС в летном и зимнем режимах, энергетическая эффективность тепловой схемы ВАЭС (загрузка компрессоров и турбин в области высокого КПД, применение регенерации тепловой энергии и пр.), а также доступность типового оборудования российского производства. Только сбалансированное сочетание всех трех управляющих воздействий способно повысить привлекательность как крупных накопителей энергии в целом, так и ВАЭС, в частности, для ведения электрических режимов Объединенной Энергосистемы. Для условий ОЭС Юга и ОЭС Центра с учетом доступности природного газа и типовых значений установленной мощности энергоблоков является целесообразным внедрение диабатической ВАЭС с электрической мощности при разгрузке 100 – 200 МВт для ведения пиковых режимов общей продолжительностью 3 – 6 часов в сутки. В данной работе анализируются ключевые показатели работы воздухо-аккумулирующей электростанции при наличии и отсутствии регенерации тепловой энергии внутри цикла. Дополнительно проведена оценка перспектив применения метано-водородной смеси в газовых турбинах. В заключение работы приводится расчет процесса плазменного пиролиза метана как одного из возможных способов производства водорода для применения в энергетических целях.

1. . Jun Yin Lee, A.K. Ramasamy, Kam Hoe Ong, R. Verayiah, Hazlie Mokhlis, Marayati Marsadek, Energy storage systems: A review of its progress and outlook, potential benefits, barriers and solutions within the Malaysian distribution network, Journal of Energy Storage, Volume 72, Part B, 2023, 108360.

2. . Yongli Wang, Yumeng Qin, Ziben Ma, Yinuo Wang, Yi Li, Operation optimisation of integrated energy systems based on cooperative game with hydrogen energy storage systems, International Journal of Hydrogen Energy, 2023.

3. . Vahid Shahbazbegian, Farnam Dehghani, Mohammad Agha Shafiyi, Miadreza Shafiekhah, Hannu Laaksonen, Hossein Ameli, Techno-economic assessment of energy storage systems in multi-energy microgrids utilizing decomposition methodology, Energy, 2023, 128430.

4. . Yuxin Liu, Yachao Wang, Xuefeng Bai, Xinlong Li, Yongchuan Ning, Yang Song, Xin Li, Donglei Mu, Review on modeling and control of megawatt liquid flow energy storage system, Energy Reports, Volume 9, Supplement 4, 2023, Pages 113-123.

5. . A. Martinez Alonso, D. Costa, M. Messagie, T. Coosemans, Techno-economic assessment on hybrid energy storage systems comprising hydrogen and batteries: A case study in Belgium, International Journal of Hydrogen Energy, 2023.

6. . Группа «ДЕЛОВОЙ ПРОФИЛЬ». Аналитическое исследование. Накопительная энергетика (2021). Накопительная энергетика: «зеленая» инновация для сохранения энергии.

7. . Ruilian Wang a, Rongxin Zhang b. Techno-economic analysis and optimization of hybrid energy systems based on hydrogen storage for sustainable energy utilization by a biological-inspired optimization algorithm Author links open overlay panel/Journal of Energy Storage Volume 66, 30 August 2023, 107469.

8. . Alessandro Burgio, Domenico Cimmino, Mohammad Dolatabadi, Michal Jasinski, Zbigniew Leonowicz, Pierlugi Siano, Virtual energy storage system for peak shaving and power balancing the generation of a MW photovoltaic plant, Journal of Energy Storage, Volume 71, 2023, 108204.

9. . Thamsanqa B. Nkwanyana, Mukwanga W. Siti, Zenghui Wang, Ignace Toudjeu, Nsilulu T. Mbungu, Willy Mulumba, An assessment of hybrid-energy storage systems in the renewable environments, Journal of Energy Storage, Volume 72, Part C, 2023, 108307.

10. . Mostafa Kazemi, S. Sepehr Tabatabaei, Niki Moslemi, A novel public-private partnership to increase the penetration of energy storage systems in distribution level, Journal of Energy Storage, Volume 62, 2023, 106851.

11. . P. Muthukumar a, Alok Kumar b, Mahvash Afzal c, Satyasekhar Bhogilla d, Pratibha Sharma e, Abhishek Parida f, Sayantan Jana f, E Anil Kumar a, Ranjith Krishna Pai g, I.P. Jain h/ Review on large-scale hydrogen storage systems for better sustainability/ International Journal of Hydrogen Energy/Available online 24 May 2023

12. . Nowotny J., Veziroglu T.N. IMPACT OF HY-DROGEN ON THE ENVIRONMENT. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2019;(01-03):16-24. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.01-03.016-024.

13. . Pan Zhao, Wenpan Xu, Aijie Liu, Wenze Wu, Jiangfeng Wang, Xiaopo Wang, Assessment the hydrogen-electric coupled energy storage system based on hydrogen-fueled CAES and power-to-gas-to-power device considering multiple time-scale effect and actual operation constraints, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 25, 2023, Pages 9198-9218.

14. . Ehsanolah Assareh, Ashkan Ghafouri, An innovative compressed air energy storage (CAES) using hydrogen energy integrated with geothermal and solar energy technologies: A comprehensive techno-economic analysis - different climate areas- using artificial intelligent (AI), International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 34, 2023, Pages 12600-12621.

15. . Seyed Mojtaba Alirahmi, Amir Reza Razmi, Ahmad Arabkoohsar, Comprehensive assessment and multi-objective optimization of a green concept based on a combination of hydrogen and compressed air energy storage (CAES) systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 142, 2021, 110850.

16. . Siddhartha Kumar Khaitan, Mandhapati Raju, Dynamics of hydrogen powered CAES based gas turbine plant using sodium alanate storage system, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 24, 2012, Pages 18904-18914.

17. . Matthias Schmitz, Reinhard Madlener, Economic Viability of Kite-Based Wind Energy Powerships with CAES or Hydrogen Storage, Energy Procedia, Volume 75, 2015, Pages 704-715.

18. . Андреев М.В., Бай Ю.Д., Малюта Б.Д. Новая методика настройки релейной защиты энергосистем, содержащих возобновляемые источники энергии и водородные накопители энергии. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2023;(3):69-92. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.03.069-092.

19. . Аминов Р.З., Егоров А.Н. Оценка технико-экономической эффективности замкнутого водородного цикла на АЭС. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2019;(10-12):23-35. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.10-12.023-035.

20. . P. Li, Q. Hu, Z. Han, C. Wang, R. Wang, X. Han, Y. Wang, Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of a trigenerative system based on compressed air energy storage under different working media and heating storage media // Energy. - 2022. - No. 239(2). 122252.

21. . M. Soltani, F.M. Kashkooli, H. Jafarizadeh, M. Hatefi, H. Fekri, K. Gharali, J. Nathwani, Diabatic Compressed Air Energy Storage (CAES) Systems: State of the Art, Encyclopedia of Energy Storage, Elsevier, 2022, PP. 173 - 187.

22. . Q. Zhou, D. Du, C. Lu, Q. He, W. Liu, A review of thermal energy storage in compressed air energy storage system // Energy. - 2019. - No. 188.

23. . S. Mucci, A. Bischi, S. Briola, A.Baccioli, Small-scale adiabatic compressed air energy storage: Control strategy analysis via dynamic modeling // Energy Conversion and Management. - 2021. - No. 243. 114358.

24. . J. Li, W. Lu, Z. Luo, Y. Zeng, Synthesis and thermal properties of novel sodium nitrate microcapsules for high-temperature thermal energy storage. Sol Energy Mater Sol Cells 2017; 159:440-6.

25. . S.B. Mousavi, M. Adib, M. Soltania, A.R. Razmi, J. Nathwani, Transient thermodynamic modeling and economic analysis of an adiabatic compressed air energy storage (A-CAES) based on cascade packed bed thermal energy storage with encapsulated phase change materials // Energy Conversion and Management. - 2021. - No. 243. 114379.

26. . Г.Г. Ольховский, В.А. Казарян, А.Я. Столяревский, Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ) – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2011. – 358 С.

27. . Md. Abdus Salam, Md. Aftab Ali Shaikh, Kawsar Ahmed, Green hydrogen based power generation prospect for sustainable development of Bangladesh using PEMFC and hydrogen gas turbine, Energy Reports, Volume 9, 2023, Pages 3406-3416.

28. . Xiaoxin Zhang, Qing Ai, Wenzhuo Wang, Effects of gas models on radiative heat transfer in the combustion chamber of a hydrogen gas turbine, International Journal of Hydrogen Energy, 2023.

29. . S Manigandan, T.R. Praveenkumar, Je Ir Ryu, Tikendra Nath Verma, Arivalagan Pugazhendhi, Role of hydrogen on aviation sector: A review on hydrogen storage, fuel flexibility, flame stability, and emissions reduction on gas turbines engines, Fuel, Volume 352, 2023, 129064.

30. . Reyhaneh Banihabib, Timo Lingstädt, Magnus Wersland, Peter Kutne, Mohsen Assadi, Development and testing of a 100 kW fuel-flexible micro gas turbine running on 100% hydrogen, International Journal of Hydrogen Energy, 2023.

31. . Brent B. Skabelund, Cody D. Jenkins, Ellen B. Stechel, Ryan J. Milcarek, Thermodynamic and emission analysis of a hydrogen/methane fueled gas turbine, En-ergy Conversion and Management: X, Volume 19, 2023, 100394.

32. . Simon Öberg, Mikael Odenberger, Filip Johnsson, The value of flexible fuel mixing in hydrogen-fueled gas turbines – A techno-economic study, Interna-tional Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 74, 2022, Pages 31684-31702.

33. . Hummel F. Operating experience of the latest modification of Alstom's GT26 GTU // Turbines and Diesels. 2013. No 6. P. 4 – 13.

34. . Ansaldo Energia and Equinor in Hydrogen Gas Turbine Tests / [Electronic resource] // World-Energy: [website]. – URL: https://www.world-energy.org/article/3213.html.

35. . Семенов, С. В. Обзор исследований и разра-боток по газотурбинным энергетическим установкам на водородном топливе / С. В. Семенов, М. Ш. Ни-хамкин, А. И. Плотников // Авиационные двигатели. – 2022. – № 3(16). – С. 73-85. – DOI 10.54349/26586061_2022_3_73.

36. . Creating a sustainable future through hydrogen generation / [Electronic resource] // Mitsubishi Power: [website]. – URL: https://power.mhi.com/special/hydrogen.

37. . FlameSheet™ combustor engine and rig valida-tion for operational and fuel flexibility with low emis-sions / P. Stuttaford, H. Rizkalla, K. Oumejjoud, N. Demougeot, J. Bosnoian, F. Hernandez, M. Yaquinto, A.P. Mohammed, D. Terrell, R. Weller // ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition: June 13–17, 2016, Seoul, South Korea. Vol. 4A: Combustion, fuels and emissions. GT2016-56696. 11 p.m.

38. . The World's First Gas Turbine Unit on Me-thane-Hydrogen Fuel Will Be Created in Russia. Alterna-tive Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(19-24):164. (In Russ.).

39. . Аксютин О., Ишков А., Романов К. Роль рос-сийского природного газа в развитии водородной энергетики / Аксютин О., Ишков А., Романов К. [Электронный ресурс] // Энергетическая политика (общественно-деловой научный журнал): [сайт]. — URL: https://energypolicy.ru/o-aksyutin-a-ishkov-k-romanov-r-teterevlev-rol-rossijskogo-prirodnogo-gaza-v-razvitii-vodorodnoj-energetiki/gaz/2021/12/25/.

40. . Соломин Е.В., Юнусов П.А., Ковалёв А.А., Долгошеев В.В., Ян Ю., Рявкин Г.Н., Майоров М.А., Косарев А.Ю. Обоснование грядущих глобальных энергетических проблем. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2021;(4-6):48-60. https://doi.org/10.15518/isjaee.2021.04-06.048-060.

41. . Codreanu, N. P., Ishmurzin, A. A., Daudi, D. I. Theoretical basis and practical analysis of technologies for the hydrogen strategy of the Russian Federation / N. P. Codreanu, A. A. Ishmurzin, D. I. Daudi // Gas indus-try. - 2022. - No. 1. - S. 1-23.

42. . C.И. Козлов, В.Н. Фатеев Водородная энер-гетика современное состояние проблемы и перспек-тивы / C.И. Козлов, В.Н. Фатеев – 1-е. – М: Газпром ВНИИГАЗ, 2009 – 40 c.

43. . Komarov I, Rogalev N, Rogalev A, Kindra V, Lisin E, Osipov S. Technological solutions in the field of production and use of hydrogen fuel to increase the thermal efficiency of steam turbine TPPs. Inventions 2022;7:63. https://doi.org/10.3390/inventions7030063.

44. . Strogonov K., Popov A., Zdarov A., Kornilova L. For Calculation of Perforated Hearth Burner Equip-ment to the Bubble-Type Furnaces. Lecture Notes in Mechanical Engineering 2022. PP. 143 – 151. https://doi.org/10.1007/978-981-16-9376-2_14.

45. . Sadlowski, M.; Lim, C.E. Scenario Develop-ment for Evaluating Carbon Capture and Utilization Concepts Using Steel Mill Exhaust Gases with Linear Optimization Models. Energies 2024, 17, 496. https://doi.org/10.3390/en17020496.