Исследование влияния полноты сгорания водород-кислородной смеси на технико-экономическую эффективность водородного энергокомплекса на АЭС

   Проведена оценка влияния недожога водорода в водород-кислородном парогенераторе на технико-экономическую эффективность установки водородного энергокомплекса на АЭС, что является известным подходом к решению актуальной задачи современных энергосистем – обеспечение дальнейшего развития атомной энергетики, как экологического чистого источника электроэнергии на основе аккумулирования внепиковой электроэнергии. Рассмотрен подход и приведена схема для повышения надежности использования водородного энергокомплекса на АЭС за счет снижения недожога и исключения попадания несгоревшего водорода в основной паросиловой цикл энергоблока. Рассмотрены несколько вариантов уровня недожога водорода и диапазон системных условий работы водородного энергокомплекса. Проведен комплексный расчет технико-экономических показателей водородного энергокомплекса на АЭС, определены условия его эффективности. Как показали расчеты, недожог водорода приводит к заметному снижению ежегодного дохода и среднегодовой прибыли от продажи пиковой электроэнергии. Достигаемое снижение составляет 11,67 и 35,01 млн руб./год при 5 и 15 % недожога водорода соответственно. При минимальном тарифе на внепиковую электроэнергию снижение накопленного чистого дисконтированного дохода составляет 96,6, 192,8 и 289,4 при увеличении недожога водорода до 5, 10 и 15 % соответственно. Построена зависимость предельного уровня недожога водорода от тарифа на внепиковую электроэнергию, при котором обеспечивается эффективность реализации рассматриваемого водородного энергокомплекса на АЭС. Как показали расчеты, эффективная работа водородного энергокомплекса достигается при тарифе на внепиковую ЭЭ в диапазоне от 0 до 0,45; 0,38; 0,3 и 0,24 руб./кВт·ч при недожоге водорода 0, 5, 10 и 15 % соответственно.

1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года. Утв. распоряжением Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р. https://minenergo.gov.ru/system/download-pdf/1026/119047

2. Технические требования к генерирующему оборудованию участников оптового рынка от 01 июля 2017 г. М.: Правление АО «СО ЕЭС» России, 2017. С. 13-15

3. Головин Р. А. Стратегия деятельности Госкорпорации «Росатом». М.: Росатом, 2018

4. Haller J. Link T. Thermodynamic concept for an efficient zero-emission combustion of hydrogen and oxygen in stationary internal combustion engines with high power density // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – V. 42, I, 44, pp. 27374-27387

5. Yurin V. E., Egorov A. N. Primary frequency regulation in the power system by nuclear power plants based on hydrogen-thermal storage // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47, I, 8, pp. 5010-5018

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

7. Haidn O. J., Fröhlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H₂/O₂ steam generator for spinning reserve application // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – V. 23, I, 6, рp. 491-497

8. Yapicioglu A., Dincer I. Performance assessment of hydrogen and ammonia combustion with various fuels for power generators // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43, I, 45, pp. 21037-21048

9. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П. Основные направления использования водорода в энергетике // Российский химический журнал. – 1993. – Т. 37. – № 22. – С. l0-17

10. Malyshenko S. P. JIHT RAS research and development in the field of hydrogen energy technologies // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – № 3(95). – 2011. – pp. 10-34

11. Bebelin I. N., Volkov A. G., Gryaznov A. N., Malyshenko S. P. Development and investigation of an experimental hydrogen-oxygen steam generator of 10-mw thermal capacity // Therm Eng+. – 1997. – V. 44, I, 8. – pp. 657-662

12. Малышенко С. П., Назаров О. В., Сарумов Б. А. Термодинамические аспекты использования водорода для решения некоторых задач энергетики // Теплоэнергетика. – 1986. – № 10. – С. 43-47

13. Aminov R. Z., Egorov A. N. Hydrogen-oxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44, I, 21. – pp. 11161-11167

14. Аминов Р. З., Егоров А. Н. Эффективность сжигания водорода с избытком окислителя в замкнутом водородном цикле на АЭС // Альтернативная энергетика и экология. – 2019. – № 22-27. – C. 53-63. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41322106&ysclid=lx8wxrd87f314254796

15. Yurin V. E., Egorov A. N., Bashlykov D. O. Cooldown of a water-cooled reactor during the natural circulation mode using decay heat of the core and a low-power steam turbine // Nuclear Engineering and Design. – 2023. – V. 409. 112364. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2023.112364

16. Malyshenko S. P., Prigozhin V. I., Savich A. R. et al. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class // High Temp+. – 2012. – V. 50. – Р. 765-773

17. Малышенко С. Л., Пригожин В. И., Рачук В. С. Водород-кислородные парогенераторы // Современное машиностроение. – 2009. – № 2-3(8-9). – 54 с.

18. Прибатурин Н. А., Федоров В. А., Алексеев М. В. и др. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водород-кислород и метан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31-36

19. Пат. РФ 2661231. Способ водородного перегрева пара на АЭС / Аминов Р. З., Егоров А. Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р. З., Егоров А. Н. –№ 2017133941; заявл. 28. 09. 2017; опубл. 13. 07. 2018, Бюл. № 20

20. Yurin V. E., Egorov A. N. Multi-channel general reservation of NPP own needs on the basis of combination with autonomous hydrogen energy complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – V. 60. – pp. 1068-1076

21. Aminov R. Z., Egorov A. N. Assessment of technical and economic efficiency of a closed hydrogen cycle at NPP // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45, I, 32. – pp. 15744-15751. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.068

22. Столяревский А. Я. Хемотермические циклы и установки аккумулирования энергии // Альтернативная энергетика и экология. – 2005. – № 3 (23). – С. 45-58.

23. Предложение о размере цен (тарифов), долгосрочных параметров регулирования на 2024 год. АО «Концерн Росэнергоатом». 2024. https://www.rosenergoatom.ru/upload/iblock/56a/56a83308448cce26b125269626af4e72.pdf

24. Акционерное общество «Системный оператор Единой энергетической системы» (АО «СО ЕЭС»). 2024. https://www.so-ups.ru/

25. Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_144190/?ysclid=lx8x2ea62m21118593