Разработка компоновочных решений водородного комплекса при комбинировании с АЭС

   Ранее авторами была обоснована актуальность обеспечения АЭС базисной нагрузкой в условиях увеличения их доли в энергосистемах России, согласно Стратегии развития энергетики до 2035 г. В качестве решения поставленной задачи авторами предложен один из вариантов обеспечения АЭС базисной нагрузкой на основе комбинирования с водородным комплексом и дополнительной паровой турбиной малой мощности. В настоящей работе на основе имеющихся на практике норм и правил, а также научных разработок авторов статьи выполнено обоснование двух вариантов компоновочных решений основных технологических помещений водородного комплекса и определены капиталовложения в их сооружение. В качестве вариантов компоновки рассмотрено: удалённое расположение водородного комплекса от машзала с дополнительной турбиной и относительно близкое расположение при подземном и наземном размещении системы хранения водорода и кислорода.

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. Егоров А. Н., Юрин В. Е., Москаленко А. Б. Исследование влияния полноты сгорания водородкислородной смеси на технико-экономическую эффективность водородного энергокомплекса на АЭС // А. Н. Егоров, В. Е. Юрин, А. Б. Москаленкоь // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 4. – С. 86-98.

4. Single-phase La_0,8Sr_0,2Co₁ – xMn_xO₃ – δ electrocatalyst as a triple H⁺/O^2-/e^- conductor enabling high-performance intermediate-temperature water electrolysis / N. Wang, C. Tang, L. Du, Z.-Q. Liu, W. Li, Z. Song, Y. Aoki, S. Ye // Journal of Materiomics. – 2022. – V. 8. – Is. 5. – Pp. 1020-1030.

5. Nanostructured transition metal nitrides as emerging electrocatalysts for water electrolysis: status and challenges / L. Lin, S. Piao, Y. Choi, L. Lyu, H. Hong, D. Kim, J. Lee, W. Zhang, Y. Piao // Energy Chem. – 2022. – V. 4. – Is. 2. – P. 100072.

6. One-step controllable fabrication of 3D structured self-standing Al₃Ni₂/Ni electrode through molten salt electrolysis for efficient water splitting / Z. Hua, X. Wu, Z. Zhu, J. He, S. He, H. Liu, L. Xu, Y. Yang, Z. Zhao // Chem. Eng. – J. 2022. – V. 427. – P. 131743.

7. Cho K. M., Deshmukh P. R., Shin W. G. Hydrodynamic behavior of bubbles at gas-evolving electrode in ultrasonic field during water electrolysis // Ultrason. Sonochem. – 2021. – V. 80. – P. 105796.

8. H₂SO₄-doped polybenzimidazole membranes for hydrogen production with acid-alkaline amphoteric water electrolysis / L. Wan, Z. Xu, P. Wang, Y. Lin, B. Wang // Journal of Membrane Sci. – 2021. – V. 618. – P. 118642.

9. Novel polybenzimidazole/graphitic carbon nitride nanosheets composite membrane for the application of acid-alkaline amphoteric water electrolysis / B. Lv, Z. Shao, Z. Luan, Z. Huang, S. Sun, Y. Teng, C. Miu, Q. Gao // J. Energy Chem. – 2022. – V. 64. – Pp. 607-614.

10. Fe³⁺-mediated coal-assisted water electrolysis for hydrogen production: Roles of mineral matter and oxygencontaining functional groups in coal / S. Chen, W. Zhou, Y. Ding, G. Zhao, J. Gao // Energy. – 2021. – V. 220. – P. 119677.

11. Theoretical and experimental analysis of an asymmetric high pressure PEM water electrolyser up to 155 bar / M. Sartory, E. Wallnöfer-Ogris, P. Salman, T. Fellinger, M. Justl, A. Trattner, M. Klell // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – V. 42. – Is. 52. – Pp. 30493-30508.

12. Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover / M. Schalenbach, M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – V. 38. – Is. 35. – Pp. 14921-14933.

13. Economic feasibility studies of high pressure PEM water electrolysis for distributed H₂ refueling stations / B. Lee, J. Heo, S. Kim, C. Sung, C. Moon, S. Moon, H. Lim // Energy Convers. Manage. – 2018. – V. 162. – Pp. 139-144.

14. Strengthening external magnetic fields with activated carbon graphene for increasing hydrogen production in water electrolysis / Purnami, N. Hamidi, M. N. Sasongko, D. Widhiyanuriyawan, I. N. G. Wardana // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – Is. 38. – Pp. 19370-19380.

15. Porous electrode improving energy efficiency under electrode-normal magnetic field in water electrolysis / H. Liu, H. Xu, L. Pan, D. Zhong, Y. Liu // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44. – Is. 41. – Pp. 22780-22786.

16. Experimental and numerical investigation of gas-liquid flow in water electrolysis under magnetic field / H. Liu, L. Pan, Q. Qin, P. Li // J. Electroanal. Chem. – 2019. – V. 832. – Pp. 293-302.

17. Techno-economic analysis and Monte Carlo simulation of green hydrogen production technology through various water electrolysis technologies / D. Jang, J. Kim, D. Kim, W. - B. Han, S. Kang // Energy Convers. Manage. – 2022. – V. 258. – P. 115499.

18. High-performance and durable water electrolysis using a highly conductive and stable anion-exchange membrane / S. Y. Kang, J. E. Park, G. Y. Jang, O. -H. Kim, O. J. Kwon, Y. -H. Cho, Y. -E. Sung // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – Is. 15. – Pp. 9115-9126.

19. Wan L., Xu Z., Wang B. Green preparation of highly alkali-resistant PTFE composite membranes for advanced alkaline water electrolysis // Chem. Eng. J. – 2021. – V. 426. – P. 131340.

20. A 25 kW high temperature electrolysis facility for flexible hydrogen production and system integration studies / J. E. O’Briena, J. L. Hartvigsen, R. D. Boardman, J. J. Hartvigsen, D. Larsen, S. Elangovan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – Is. 32. – Pp. 15796-15804.

21. A detailed techno-economic analysis of heat integration in high temperature electrolysis for efficient hydrogen production / A. Buttler, R. Koltun, R. Wolf, H. Spliethoff // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – V. 40. – Is. 1. – Pp. 38-50.

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

23. 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/Publicaion/2020/Dec/IRENA_Green_hydrogen_cost_2020.pdf

24. Advances in hydrogen storage materials: harnessing innovative technology, from machine learning to computational chemistry, for energy storage solutions / Ahmed I. Osman [et.al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Volume 67. – Pp. 1270-1294.

25. The survey of key technologies in hydrogen energy storage / Fan Zhang [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Volume 41. – Issue 33. – Pp. 14535-14552.

26. A comprehensive review of the promising clean energy carrier: Hydrogen production, transportation, storage, and utilization (HPTSU) technologies / Lei Zhang // Fuel. – 2024. – Volume 355. – P. 129455.

27. Is the H₂ economy realizable in the foreseeable future?Part II: H₂ storage, transportation, and distribution / Hassan Nazir [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. Volume 45. – Issue 41. – Pp. 20693-20708.

28. Hydrogen energy, economy and storage : Review and recommendation / J. O. Abe [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Volume 44. – Issue 29. – Pp. 15072-15086.

29. Bernard Chukwudi Tashie-Lewis. Hydrogen Production, Distribution, Storage and Power Conversion in a Hydrogen Economy – A Technology Review / Bernard Chukwudi Tashie-Lewis, Somtochukwu Godfrey Nnabuife // Chemical Engineering Journal Advances. – 2021. – Volume 8. – P. 100172.

30. H. Barthelemy. Hydrogen storage: Recent improvements and industrial per-spectives / H. Barthelemy, M. Weber, F. Barbier // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Volume 42. – Issue 11. – Pp. 7254-7262.

31. Radosław Tarkowski. Salt domes in Poland e Potential sites for hydrogen storage in caverns / Radosław Tarkowski, Grzegorz Czapowski // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Volume 43. – Issue 46. – Pp. 21414-21427.

32. Radoslaw Tarkowski. Underground hydrogen storage: Characteristics and prospects / Radoslaw Tarkowski // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2019. – Volume 105. – Pp. 86-94.

33. The survey of key technologies in hydrogen energy storage / Fan Zhang [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Volume 41. – Issue 33. – Pp. 14535-14552.

34. . A comprehensive review of the promising clean energy carrier: Hydrogen production, transportation, storage, and utilization (HPTSU) technologies / Lei Zhang // Fuel. – 2024. – Volume 355. – P. 129455.

35. N. A. A. Rusman. A review on the current progress of metal hydrides material for solid-state hydrogen storage applications / N. A. A. Rusman, M. Dahari // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Volume 41. – Issue 28. – Pp. 12108-12126.

36. Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation / J. O. Abe [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Volume 44. – Issue 29. – Pp. 15072-15086.

37. Catalytically Enhanced Hydrogen Sorption in Mg-MgH₂ by Coupling Vanadium-Based Catalyst and Carbon Nanotubes / Atikah Kadri [et.al.] // Materials. – 2015. – № 8. – Pp 3491-3507.

38. Current research trends and perspectives on materials-based hydrogen storage solutions : A critical review / Jianwei Ren [et. al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Volume 42. – Issue 1. – Pp. 289-311.

39. Porous materials for hydrogen storage / Zhijie Chen [et. al.] // Chem 8. – 2022. – Volume 8. – Issue 3. – Pp. 693-716.

40. Porous metal-organic frameworks for hydrogen storage / Dian Zhao [et. al.] // Chemical Communications. – 2022. – Volume 58. – Issue 79. – Pp. 11059-11078.

41. Recent advances and remaining challenges of nanostructured materials for hydrogen storage applications / Xuebin Yu // Progress in Materials Science. – 2017. – Volume 88. – Pp. 1-48.

42. Hydrogen Clathrates: Next Generation Hydrogen Storage Materials / Anshul Gupta [et. al.] // Energy Storage Materials. – 2021. – Volume 41. – Pp. 69-107.

43. Алексеева О. К. Транспортировка водорода / О. К. Алексеева, С. И. Козлов, В. Н. Фатеев // Транспорт на альтернативном топливе. – 2011. – № 3(21). – С. 18-24.

44. Regmi Y. N., Fornaciari J., Wei M., Myers D., Weber A. Z., Danilovic N. (2019). Experimental analysis of operating conditions of proton exchange membrane based unitized regenerative fuel cells for efficient and economic energy conversion // IOP Publishing. – 29, 1462.

45. Mayyas A. A., Chadly A., Amer S. T., Azar E. (2022). Economics of the Li-ion batteries and reversible fuel cells as energy storage systems when coupled with dynamic electricity pricing schemes // Energy, 239, Part A, 121941.

46. Chadly A., Azar E., Maalouf M., Mayyas A. (2022). Techno-economic analysis of energy storage systems using reversible fuel cells and rechargeable batteries in green buildings // Energy, 247, 123466.

47. Amicabile S., Testi M., Crema L. (2017). Design and modeling of a hybrid reversible solid oxide fuel cell – organic Rankine cycle // Energy Procedia, 129, 331-338.

48. Lamagna M., Nastasi B., Groppi D., Rozain C., Manfren M., Garcia D. A. (2021). Techno-economic assessment of reversible Solid Oxide Cell integration to renewable energy systems at building and district scale // Energy Conversion and Management, 235, 113993.

49. Peschka W. Hydrogen combustion in tomorrow’s energy technology // International Journal of Hydrogen Energy. – 1987. – V. 12. – № 10. – Pp. 481-499.

50. Sternfeld H. J., Heinrich P. A. Demonstration plant for the hydrogen/oxygen spinning reserve // International Journal of Hydrogen Energy. – 1989. – V. 14. Is. 10. – Pp. 703-716.

51. Tanneberger T. Combustion efficiency measurements and burner characterization in a hydrogenoxygen fuel combustor // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44. – Is. 56. – Pp. 29752-29764.

52. 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. – Is. 44. – Pp. 27374-27387.

53. Бебелин И. Н. Разработка и исследование экспериментального водород-кислородного парогенератора мощностью 10 МВт (т) // Теплоэнергетика. – 1997. – № 8. – С. 48-52.

54. Малышенко С. П., Пригожин В. И., Савич А. Р., Счастливцев А. И., Ильичев В. А., Назарова О. В. Эффективность генерации пара в водородно-кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности // Теплофизика высоких температур. – 2012. – T. 50. – № 6. – С. 820-829.

55. Прибатурин Н. А. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водородкислород и метан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31-36.

56. Lu Q. Hetero-homogeneous combustion of pre-mixed hydrogen-oxygen mixture in a micro-reactor with catalyst segmentation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – V. 41. – Is. 28. – Pp. 12387-12396.

57. Huang F., Kong W. Effects of hydrogen addition on combustion characteristics of a free-piston linear engine with glow-assisted ignition // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – Is. 44. – Pp. 23040-23052.

58. Tang G. Experimental investigation of premixed combustion limits of hydrogen and methane additives in ammonia // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – Is. 39. – Pp. 20765-20776.

59. Shi B. Rapidly mixed combustion of hydrogen/oxygen diluted by N₂ and CO₂ in a tubular flame combustor // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43. – Is. 31. – Pp. 14806-14815.

60. Metrow C., Gray S., Ciccarelli G. Detonation propagation through a nonuniform layer of hydrogenoxygen in a narrow channel // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – Is. 41. – Pp. 21726-21738.

61. Zhang F. Characterising premixed ammonia and hydrogen combustion for a novel Linear Joule Engine Generator // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – Is. 44. – Pp. 23075-23090

62. Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Assessment of the combustion performance of a room furnace operating on pipeline natural gas mixed with simulated biogas or hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – Is. 19. – Pp. 11368-11379.

63. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение : справ. изд. / Д. Ю. Гамбург [и др.]. – М.: Химия, 1989. – 672 с.

64. Юрин В. Е. Определение компоновочных решений для разработанной системы резервирования собственных нужд АЭС с ВВЭР поколений III и III+ на основе дополнительной многофункциональной ПТУ / В. Е. Юрин, Д. Ю. Кузнецов, А. Н. Байрамов, Д. М. Аношин // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2024. – № 4. – С. 52-60.

65. 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.

66. Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды / А. А. Шаталов [и др.]. – М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. – 110 с.

67. Металлургия алюминия / Ю. В. Борисоглебский [и др.]. – Новосибирск: «Наука». Сибирская издательская фирма РАН – 1999. – 438 с.

68. Правила устройства и безопасной эксплуатации компрессорных установок с поршневыми компрессорами, работающими на взрывоопасных и вредных газах (ПБ 03-582-03) // Российская газета. – 2003. – № 120/1 (3234/1).

69. Байрамов А. Н. Технико-экономические аспекты подземного расположения металлических ёмкостей хранения водорода и кислорода в составе водородного энергетического комплекса / А. Н. Байрамов // Труды Академэнерго. – 2014. – № 2. – С. 79-86.

70. Байрамов А. Н. Разработка и обоснование схемы подземного расположения металлических ёмкостей хранения водорода и кислорода в составе водородного энергетического комплекса / А. Н. Байрамов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса : сб. научн. тр. Вып.7. – Саратов: Изд-во СГУ, 2012. – С. 18-27.

71. Гранев В. В. Пособие по проектированию несущих и ограждающих конструкций промышленных зданий для взрывоопасных производств / В. В. Гранев, В. А. Коробков, В. В. Шрамко. – М.: ЦНИИпромзданий, 1994. – 95 с.

72. Аминов Р. З. Взрывопожароопасность на АЭС с водородными надстройками. Анализ проблемы и пути решения / Р. З. Аминов, В. А. Хрусталев, А. В. Портянкин // Труды Академэнерго. – 2013. – № 3. – С. 41-51.