Разработка и обоснование нового принципа комбинирования АЭС с водородным комплексом

Стратегия развития атомной энергетики в России предполагает строительство и ввод в промышленную эксплуатацию ряда новых АЭС, что обусловливает рост доли атомных станций в энергосистемах страны. Исходя из информации, представленной в энергетической стратегии развития России на период до 2035 года, планируется привлечение АЭС с реакторами поколения «3+» к регулированию неравномерности суточных графиков электрической нагрузки. В данных обстоятельствах неизбежна разгрузка АЭС, что не эффективно по ряду причин. Комбинирование АЭС с водородным комплексом позволяет достичь поставленных правительством РФ целей, отталкиваясь от необходимости внедрения стороннего энергокомплекса, адаптирующего АЭС к переменному режиму работы, не изменяя тепловой нагрузки на реактор и парогенераторы. Известен вариант комбинирования АЭС с водородным комплексом с использованием поршневых компрессорных установок, но внедрение данного типа оборудования отрицательно сказывается на вероятности безотказной работы водородного комплекса в целом по причине высокой интенсивности отказа. Новая концепция комбинирования атомной стации с водородным комплексом подразумевает исключение газовых компрессоров посредством организации в емкостной системе хранения избыточного давления за счет электролиза воды высокого давления. В таком случае, компрессоры заменяются на редукционные установки, отвечающие большему уровню надежности. Основными результатами проведенной работы являются вероятностная оценка надежности и аналитическое сравнение капитальных вложений в резерв водородного комплекса, что позволяет в совокупности отразить влияние изменения числа резерва с точки зрения вероятности безотказной работы и экономической стороны исследования. Как показали выполненные оценки, водородный комплекс, основанный на использовании электролиза воды высокого давления, имеет больший уровень надежности, а также, в рассмотренном диапазоне давлений, меньшие капитальные затраты в резерв.

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. / Правительство Российской федерации. – Москва, 2020 г. – 79 с.

2. Стандарт организации ОАО «СО ЕЭС». Нормы участия энергоблоков атомных электростанций в нормированном первичном регулировании частоты. – Введ. 19.08.2013. – ОАО «СО ЕЭС», 2013.

3. Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова, Ю. Мельников, Д. Чугунов. – Сколково. – 2019. – 62с.

4. IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1,5 °C Climate Goal, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Dec/IRENA_Green_hydrogen_cost_2020.pdf

5. Байрамов А. Н. Оценка эффективности перспективных вариантов схем комбинирования АЭС с водородным комплексом / А. Н. Байрамов // Энергетик. – 2023. – № 2. – С. 8-13.

6. A. N. Bayramov Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Volume 48, Issue 70. – Pages 27068-27078.

7. Аминов Р. З. Оценка системной эффективности АЭС в комбинировании с водородным энергетическим комплексом / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. – 2019. – № 1. – С. 70-81.

8. 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.

9. Пат. № 2769511. Российская Федерация. Паротурбинная установка АЭС с системой безопасного использования водорода / Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. – № 2021112671; заявл. 29.04.2021; опубл. 01.04.2022. Бюл. № 10.

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

11. ПромЭнергоМаш: Электролизные установки ЭУС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.npopem.ru/ru/equipment/elektroliznyeustanovki-eus

12. МегаПром. Промышленное и строительное оборудование: Сравнительный анализ компрессоров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://xn--80aff1adlgi.xn--p1ai/content/Sravnitelnyyanalizkompressorov

13. Колотовский А. Н. Эксплуатация запорной арматуры на объектах магистральных газопроводов ОАО «Газпром» / А. Н. Колотовский // Арматуростроение. – 2006 г. – № 2(41). – С. 62-65.

14. Электронная торговая площадка. Группа Газпромбанка: Горелка основная ПСТ9.387536.000 для камеры сгорания ГТН-16М-1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://etpgpb.ru/portal/catalog/products/2300664-gorelka-osnovnaya-pst9-387536-000-dlya-kamery-sgoraniya-gtn-16m-1/

15. ООО «НПП «Промышленная Автоматика». Блоки розжига запальника и контроля пламени БР3-04-М1-2К и БР3-04-М1-2К-01: Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tempres.ru/upload/br3-04-m1-2k-01.pdf

16. Байрамов А. Н. Разработка новой концепции водородного комплекса при комбинировании с атомными станциями / А. Н. Байрамов, Я. А. Вдовин // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб.научн.тр. – изд.: СГТУ имени Гагарина Ю.А. – 2022. – Вып.11. – С.13-20

17. Заявка на изобретение № 2023115369 Российская Федерация. Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией / заявитель Байрамов А. Н., Макаров Д. А.; заявл. 09.06.2023

18. Пат. № 2758644 Российская Федерация, МПК G 21D 5/16, F22B 1/26. Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции / заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. № 2021112668/07; заявл. 29.04.2021; опубл. 01.11.2021, Бюл. № 31. – 17 с.: ил.

19. Разработка приоритетных направлений и исследование перспективных типов энерго-генерирующих мощностей с учетом неравномерных графиков энергопотребления, обеспечения безопасности, ресурсных показателей и долгосрочных интересов страны: отчет о НИР/ Саратовский научный центр Отдел энергетических проблем; рук. Аминов Р. З. Саратов, 2020. 299 с. № НИОКТР АААА-А19-119013190062-7

20. Аминов Р. З. Экспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислорода / Р. З. Аминов, А. И. Счастливцев, А. Н. Байрамов // Альтернативная энергетика и экология: Международный научный журнал. – 2020. – № 7-18 (330-341). – С. 68-79

21. Aminov R. Z. Experimental Evaluation of the Composition of the Steam Generated during Hydrogen Combustion in Oxygen / R. Z. Aminov, A. I. Schastlivtsev and A. N. Bayramov // High Temperature. – 2020. – Vol. 58. – № 3. – Pp. 410-416

22. Aminov R. Z. Experimental results of the study of underburned hydrogen during burning in oxygen medium / R. Z. Aminov, A. I. Schastlivtsev, A. N. Bayramov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Volume 47. – Issue 65. – Pages 28176-28187

23. Егоров А. Н. Электролиз воды и обратимые топливные элементы – перспективные «зеленые» технологии для водородной энергетики / А. Н. Егоров, А. Н. Байрамов // Энерго-ресурсосбережение и энергоэффективность. – 2023. – № 3(111). – С. 23-32

24. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Electrolytic Hydrogen Production Workshop: High Pressure PEM Electrolysis: Status, Key Issues, and Challenges, Monjid Hamdan, Giner [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.energy.gov/sites/default/files/2014/08/f18/fcto_2014_electrolytic_h2_wkshp_hamdan1.pdf

25. L. W. Hourng. The analysis of energy efficiency in water electrolysis under high temperature and high pressure / L. W. Hourng, T. T. Tsai, M. Y. Lin. – IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 93, 2017 International Conference on New Energy and Future Energy System (NEFES 2017) 22-25 September 2017, Kunming, China

26. Kazuo Onda. Prediction of production power for high-pressure hydrogen by high-pressure water electrolysis / Kazuo Onda, Takahiro Kyakuno, Kikuo Hattori, Kohei Ito. – Journal of Power Sources. – Volume 132, Issues 1-2, 20 May 2004, Pages 64-70

27. Thomas Holm. Hydrogen costs from water electrolysis at high temperature and pressure / Thomas Holm, Tory Borsboom-Hanson, Omar E. Herrera, Walter Merida. – Energy Conversion and Management. – Volume 237, 1 June 2021, 114106.

28. Grigoriev S. A. Current status, research trends, and challenges in water electrolysis science and technology / S. A. Grigoriev, V. N. Fateev, D. G. Bessarabov, P. Millet. – International Journal of Hydrogen Energy. – Volume 45, Issue 49, 2 October 2020, Pages 26036-26058

29. G. Matute. 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 / G. Matute, J. M. Yusta, L. C. Correas. – International Journal of Hydrogen Energy. – Volume 44, Issue 33, 5 July 2019, Pages 17431-17442

30. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE. Cost forecast for low temperature electrolysis – technology driven bottom-up prognosis for PEM and alkaline water electrolysis systems / Marius Holst, Stefan Aschbrenner, Tom Smolinka, Christopher Voglstätter, Gunter Grimm. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/cost-forecast-for-lowtemperature-electrolysis.pdf

31. Japan Steel Works M&E, Inc. Steel Pressure Vessel for Hydrogen Storage [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.jsw-me.com/en/products/pdf/Lineup.pdf

32. Mahytec. A Hensoldt Company: Compressed Hydrogen Storage [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.mahytec.com/en/compressed-hydrogen-storage/

33. Alibaba.com: Taishan Group Co., Ltd. Сертифицированный резервуар для хранения газообразного водорода [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://russian.alibaba.com/product-detail/certificated-hydrogen-gas-storage-tank-60281004796.html?spm=a2700.details.maylikeexp.4.399b5318k9VE16

34. Ноздренко Г. В., Томилов В. Г., Зыков В. В., Пугач Ю. Л. Надежность ТЭС: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. – 63 с.

35. Шишмарев В. Ю. Надежность технических систем: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. Ю. Шишмарев. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – С. 48-49.

36. Компрессорный завод: Промышленные поршневые компрессоры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://compressorzavod.ru/full_catalog/promyshlennye-porshnevye-kompressory

37. Компрессорный завод: Газовые компрессоры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://compressor-zavod.ru/f_catalog/gazovyie-kompressoryi_krGieXc

38. Пат. № 2427048. Российская Федерация. Система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции / Аминов Р. З., Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Аминов Р. З., Байрамов А. Н. – № 2009117039/06; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.08.2011. Бюл. № 23.

39. Пат. № 2709237. Российская Федерация. Система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции с закрученным течением компонентов и с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов / Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. – № 2018134273; заявл. 27.09.2018; опубл. 17.12.2019 Бюл. № 35.