Development and substantiation of a new principle of combining nuclear power plants with a hydrogen complex

The strategy for the development of nuclear energy in Russia involves the construction and commissioning of a number of new nuclear power plants, which leads to an increase in the share of nuclear power plants in the country’s energy systems. Based on the information provided in the energy development strategy of Russia for the period up to 2035, it is planned to involve nuclear power plants with generation 3+ reactors in regulating the irregularity of daily electrical load schedules. In these circumstances, the unloading of nuclear power plants is inevitable, which is ineffective for a number of reasons. The combination of a nuclear power plant with a hydrogen complex makes it possible to achieve the goals set by the government of the Russian Federation, based on the need to introduce a thirdparty energy complex that adapts the nuclear power plant to a variable mode of operation, without changing the heat load on the reactor and steam generators. There is a well-known option of combining a nuclear power plant with a hydrogen complex using reciprocating compressor units, but the introduction of this type of equipment has a negative impact on the probability of trouble-free operation of the hydrogen complex as a whole due to the high failure rate. The new concept of combining a nuclear power plant with a hydrogen complex implies the elimination of gas compressors by organizing overpressure storage in the tank system due to the electrolysis of high-pressure water. In this case, the compressors are replaced with pressure reducing units that meet a higher level of reliability. The main results of the work are a probabilistic assessment of reliability and an analytical comparison of capital investments in the reserve of the hydrogen complex, which makes it possible to reflect the impact of changes in the number of reserves in terms of the probability of uptime and the economic side of the study. As the estimates have shown, the hydrogen complex based on the use of high-pressure water electrolysis has a higher level of reliability, as well as, in the considered pressure range, lower capital costs in reserve.

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.