Разработка концепции использования ГТУ при комбинировании АЭС с водородным комплексом

В статье предложена и обоснована концепция комбинирования атомной электростанции (АЭС) с водородным комплексом и газотурбинной установкой (ГТУ) для эффективного преобразования «провальной» (невостребованной) электроэнергии АЭС в пиковую. Водородный комплекс является средством обеспечения АЭС базисной нагрузкой в условиях их привлечения к регулированию суточной неравномерности электрической нагрузки при увеличении их доли в энергосистеме, а также с учетом стратегии декарбонизации. Невостребованная электроэнергия используется для электролиза воды с получением водорода (и кислорода), который затем сжигается в среде кислорода в камере сгорания ГТУ в часы пикового спроса. Представлена принципиальная технологическая схема водородного комплекса, включая двухступенчатую водород-кислородную камеру сгорания на основе ультравысокотемпературной керамики в составе ГТУ. Предварительно установлено, что режим пуск-останов ГТУ является наиболее экономичным по расходу водорода. Обоснована целесообразность отказа от компрессоров в составе водородного комплекса за счёт применения электролиза под высоким давлением. Приведён обзор международного опыта, подтверждающего технологическую готовность к использованию ГТУ на водороде.

1. Аминов Р. З. Комплексная оценка эффективности системы производства и транспортировки водорода / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов, С. П. Филиппов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 10. – С. 167-199.

2. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2050 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 12.04.2025 № 908-р. – Москва: Официальный сайт Правительства РФ, 2025.

3. Байрамов А. Н. Эффективность интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом: специальность 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Байрамов Артем Николаевич; Саратовский государственный технический университет. – Саратов, 2010. – 142 с.

4. Аминов Р. З. Обоснование типа дополнительной турбинной установки при комбинировании АЭС с водородным энергетическим комплексом / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Труды Академэнерго. – 2015. – № 3. – С. 67.

5. Байрамов, А. Н. Разработка и обоснование нового принципа комбинирования АЭС с водородным комплексом / А. Н. Байрамов, Д. А. Макаров // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 5(422). – С. 30-50.

6. Патент № 2758644 Российская Федерация, МПК G 21D 5/16, F22B 1/26. Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультра-высокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции: № 2021112668/07: заявлено 29.04.2021: опубликовано 01.11.2021 / Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. – 17 с.: ил.

7. Патент № 2709237 Российская Федерация. № 2018134273: заявлено 27.09.2018: опубликовано 17.12.2019, Бюл. № 35.

8. Портнова Е. Н. Получение ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборидов циркония и гафния: специальность 05.16.06: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Портнова Екатерина Николаевна; научный руководитель В. З. Пойлов. – Пермь, 2016. – 137 с.

9. Ультравысокотемпературная керамика для авиационно-космической техники / О. Н. Григорьев, И. А. Подчерняева, А. Д. Панасюк и др. // Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных аппаратов. – 2012. – № 8(95). – С. 119-128.

10. Казо И. Ф. Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана / И. Ф. Казо, С. В. Чернобук, П. П. Когутюк // Наноносители, наноматериалы, нанотехнологии. – 2012. – Т. 10, № 1. – С. 27-38.

11. Ткаченко Л. А. Защитные жаропрочные покрытия углеродных материалов / Л. А. Ткаченко, А. Ю. Шаулов, А. А. Берлин // Неорганические материалы. – 2012. – Т. 48, № 3. – С. 261-271.

12. Получение ультравысокотемпературных материалов спеканием композиций на основе боридов циркония и гафния / Ю. Б. Лямин, Е. Н. Прямилова, В. З. Пойлов и др. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2016. – Т. 18, № 1. – С. 147-158.

13. Получение ультравысокотемпературной керамики на основе боридов циркония и гафния искровым плазменным спеканием / В. З. Пойлов, Е. Н. Прямилова, Ю. Б. Лямин и др. // Журнал неорганической химии. – 2016. – Т. 61, № 2. – С. 160-166.

14. Прямилова Е. Н. Термохимическая стойкость керамики на основе боридов циркония и гафния / Е. Н. Прямилова, В. З. Пойлов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. – 2014. – № 4. – С. 55-66.

15. Симоненко Е. П. Новые подходы к синтезу тугоплавких нанокристаллических карбидов и оксидов по получению ультравысокотемпературных керамических материалов на основе диборида гафния: специальность 02.00.01: диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук / Симоненко Елизавета Петровна; научный консультант В. Г. Севастьянов. – Москва, 2016. – 219 с.

16. 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 (ISJAEE). – 2020. – № 7-18(330-341). – С. 68-79.

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

18. 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. – Vol. 47, Issue 65. – Pp. 28176-28187.

19. Hancke R. High-pressure PEM water electrolyser performance up to 180 bar differential pressure / R. Hancke, P. Bujlo, T. Holm, Ø. Ulleberg // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 49, Issue 5. – Pp. 2345-2358.

20. Егоров А. Н. Разработка и обоснование системы сжигания водорода в кислороде с использованием рециркуляции на основе экспериментального исследования / А. Н. Егоров, А. Н. Байрамов, А. И. Счастливцев // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 5(422). – С. 51-67.

21. Аминов Р. З. Оценка эффективности участия АЭС в покрытии пиковых электрических нагрузок на основе водородных технологий / Р. З. Аминов, А. Н. Егоров, А. Н. Байрамов // Теплоэнергетика. – 2024. – № 2. – С. 1-18. – DOI: 10.56304/S0040363624020012.

22. Bade G. Capstone Turbine expands product line to include hydrogen-fueled microturbines / G. Bade // Journal of Power Engineering. – 2018. – Vol. 42, № 5. – Pp. 87-93.

23. Capobianco M. Hydrogen-rich fuel combustion in microturbine systems: Performance and emissions analysis / M. Capobianco, A. Traverso // Applied Energy. – 2019. – Vol. 237. – Pp. 603-615.

24. Kumar S. Integration of hydrogen in microturbine systems: Technical challenges and solutions / S. Kumar, R. P. Saini // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Issue 23. – Pp. 12876-12889.

25. Sharma P. Capstone’s commercial deployment of hydrogen microturbines: Case study of Australian integration / P. Sharma, R. H. Williams // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2019. – Vol. 112. – Pp. 109-118.

26. Thompson J. Capstone Green Energy: Market transformation through hydrogen technology integration / J. Thompson, V. Ramaswamy // Energy Policy. – 2021. – Vol. 149. – Article 112110.

27. Davidson F. T. Thirty-year evolution of hydrogen-compatible gas turbines: A retrospective analysis / F. T. Davidson, A. Elgowainy // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, Issue 8. – Pp. 5372-5389.

28. Goldmeer J. Hydrogen-capable gas turbines: Technical specifications and operational experience / J. Goldmeer, J. Catillaz // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Vol. 143, № 4. – Article 041010.

29. Taamallah S. Performance evaluation of the GE 7HA.02 turbine in hydrogen-natural gas blends / S. Taamallah, K. Vogiatzaki // Applied Energy. – 2020. – Vol. 276. – Article 115463.

30. Goldmeer J. GE Gas Turbines: Hydrogen Experience and Capabilities / J. Goldmeer // GE Power White Paper. – 2022.

31. Clark R. Long Ridge Energy Terminal: Multimodal logistics hub and energy transition showcase / R. Clark, P. Mitchell // Energy Research & Social Science. – 2019. – Vol. 62. – Article 101354.

32. Li Y. Low-carbon energy transition through multi-functional energy hubs: Case study of Long Ridge Energy Terminal / Y. Li, I. Dincer // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Vol. 145. – Article 111098.

33. Barone G. Hydrogen blending in conventional gas turbines: Operating experience at Long Ridge Energy Terminal / G. Barone, C. Manfredi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Issue 58. – Pp. 33782-33797.

34. Jackson T. Pathways to hydrogen economy: Lessons from Long Ridge Energy Terminal implementation / T. Jackson, R. Agrawal // Energy Policy. – 2022. – Vol. 160. – Article 112662.

35. Valerio G. Commercial viability assessment of hydrogen-fueled gas turbines: Comparative analysis of four market-ready models / G. Valerio, M. C. Romano // Applied Energy. – 2021. – Vol. 298. – Article 117223.

36. Mazzetti M. J. Evolution of Ansaldo Energia’s gas turbine technology for hydrogen applications / M. J. Mazzetti, V. Brandani // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Issue 55. – Pp. 30234-30248.

37. Guagliardi A. Design principles for dedicated hydrogen gas turbines: Ansaldo Energia’s GT26 and GT36 series / A. Guagliardi, A. Traverso // Energy Conversion and Management. – 2021. – Vol. 232. – Article 113865.

38. Riccio G. Low-emission combustion chambers for hydrogen-rich fuels: Design and operational experience with Ansaldo Energia gas turbines / G. Riccio, M. Gazzani // Applied Thermal Engineering. – 2022. – Vol. 205. – Article 118024.

39. Parente A. Sequential two-stage combustion technology for NOx and CO reduction in hydrogenenriched gas turbines / A. Parente, C. Galletti // Combustion and Flame. – 2021. – Vol. 226. – Pp. 534-548.

40. Tuccillo R. Comparative analysis of combustion chamber designs for hydrogen-rich fuels in GT26 and GT36 turbines / R. Tuccillo, M. C. Cameretti // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2020. – Vol. 142, № 7. – Article 071017.

41. Fantozzi F. Technical specifications and component design of Ansaldo AE94.3A gas turbine / F. Fantozzi, P. Laranci // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 156. – Pp. 483-493.

42. Bianchi M. Performance optimization in combined cycle configurations with Ansaldo AE94.3A turbines / M. Bianchi, A. De Pascale // Energy. – 2020. – Vol. 198. – Article 117298.

43. Cocchi S. Progressive hydrogen enrichment in Ansaldo gas turbines: Historical evolution and experimental validation from 2006 to 2020 / S. Cocchi, S. Sigali // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 33. – Pp. 17295-17311.

44. Oliva P. Operational reliability of hydrogenenriched fuel in AE94 gas turbines: Analysis of 715,000 cumulative operating hours / P. Oliva, E. Rossi // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2022. – Vol. 97. – Article 104359.

45. Brunetti I. Advanced architecture optimization in Ansaldo AE94.3A gas turbines for enhanced operational flexibility / I. Brunetti, A. Traverso // Applied Energy. – 2020. – Vol. 261. – Article 114382.

46. Cappelletti A. Start-up dynamics and control strategies in modern heavy-duty gas turbines: The case of AE94.3A / A. Cappelletti, F. Martelli // Energy Procedia. – 2019. – Vol. 158. – Pp. 6072-6077.

47. Fortunato V. Technological upgrades in hot gas path components for improved environmental performance in Ansaldo Energia turbines / V. Fortunato, S. M. Camporeale // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Vol. 143, № 9. – Article 091009.

48. Tola V. Premixed fuel gas technology applications for load management and transition regime stabilization in hydrogen-capable gas turbines / V. Tola, A. Pettinau // Applied Thermal Engineering. – 2021. – Vol. 192. – Article 116932.

49. Finkenrath M. Sequential fuel combustion technology and its effect on combined cycle efficiency in GT26 and GT36 turbines / M. Finkenrath, P. Chiesa // International Journal of Energy Research. – 2022. – Vol. 46, Issue 2. – Pp. 1153-1168.

50. Sabia P. Selective chamber deactivation strategy for NOx reduction in hydrogen-enriched turbines under part-load conditions / P. Sabia, M. de Joannon // Energy. – 2020. – Vol. 213. – Article 118758.

51. Ferrari N. Fuel flexibility in next-generation gas turbines: Technology enablers for hydrogen integration without hardware modifications / N. Ferrari, J. Szego // Journal of Energy Resources Technology. – 2021. – Vol. 143, № 7. – Article 070908.

52. Bellucci J. Welded rotor design implications for maintenance optimization and life-cycle cost reduction in heavy-duty gas turbines / J. Bellucci, F. Rubechini // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2020. – Vol. 142, № 5. – Article 051006.

53. Braccesi C. Reliability assessment of GT26 gas turbines based on global operational data: 3.4 million hours and 44,000 starts field experience / C. Braccesi, F. Cianetti // Energy. – 2022. – Vol. 239. – Article 122173.

54. Russo G. GT26: A benchmark in high hydrogen content fuel gas turbine technology for combined cycle applications / G. Russo, D. Mazzei // Applied Energy. – 2021. – Vol. 290. – Article 116730.

55. Burlando M. Environmental performance and operational flexibility in modern GT26 hydrogencompatible gas turbines / M. Burlando, C. Solisio // Energy & Fuels. – 2020. – Vol. 34, № 10. – Pp. 12751-12762.

56. Magnani S. Design considerations for emission reduction and operational flexibility in hydrogen-capable gas turbines: Lessons from GT26 implementation / S. Magnani, A. Traverso // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2022. – Vol. 144, № 4. – Article 041008.

57. Spallina V. GT36: Technological assessment of dedicated hydrogen gas turbines in modern energy systems / V. Spallina, M. C. Romano // Energy Conversion and Management. – 2021. – Vol. 235. – Article 113972.

58. Iaquaniello G. Performance and environmental impact of GT36 hydrogen-compatible gas turbine in commercial applications / G. Iaquaniello, A. Salladini // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Issue 60. – Pp. 34478-34493.

59. ANSALDO ENERGIA. GT36 Advanced Gas Turbine Technology: Technical Report. – 2020.

60. Johnson M. J. Hydrogen-fired gas turbines: System integration for low emissions power generation / M. J. Johnson et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45. – Pp. 21972-21984.

61. Tuccillo R. Performance and Emissions of GT36 in Decarbonized Energy Systems / R. Tuccillo // Energy Conversion and Management. – 2020. – Vol. 205. – Article 112345.

62. Ansaldo Energia. Comparative Analysis of GT26 and GT36 Gas Turbines: White Paper. – 2019.

63. Ferrari M. L. H2H Power Project: Assessment of Hydrogen Integration in Power Generation / M. L. Ferrari et al. // Energy Procedia. – 2018. – Vol. 142. – Pp. 932-937.

64. Gabrielli P. Industrial hydrogen production and applications: A comprehensive review / P. Gabrielli et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2019. – Vol. 113. – Article 109290.

65. Siemens Energy. SGT-600 Gas Turbine: Technical Specifications: Technical Datasheet. – 2021.

66. Andersson M. Hydrogen blending in gas turbines: SGT series adaptation and performance / M. Andersson et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46. – Pp. 23524-23536.

67. Siemens Energy. Low Emission Technology for SGT-Series: Technical Report. – 2020.

68. Siemens Energy. SGT-800 Gas Turbine Technical Overview: Product Brochure. – 2022.

69. Magnusson F. Efficiency comparison of modern gas turbines in combined cycle operation / F. Magnusson et al. // Applied Energy. – 2020. – Vol. 278. – Article 115630.

70. Ditaranto M. Adaptation of Gas Turbine Technology for Hydrogen Operation: The HYFLEXPOWER Project / M. Ditaranto et al. // Energy. – 2021. – Vol. 215. – Article 119088.

71. International Energy Agency (IEA). The Role of Hydrogen in Energy Transition: Special Report. – 2021.

72. Engie. HYFLEXPOWER: The World’s First Hydrogen-Based Power Plant: Project Report. – 2022.

73. General Electric. 7HA.02 Gas Turbine Technical Specifications: Product Documentation. – 2020.

74. General Electric. Pathways to Decarbonization: The Role of Hydrogen in Gas Turbines: Technical Report. – 2021.

75. Patel S. Gas Turbine Technology for Future Hydrogen Energy Systems / S. Patel // Power Magazine. – 2021. – Vol. 165, № 3. – Pp. 42-49.

76. Gielen D. The role of renewable hydrogen in the transition of the power sector: Technical Report / D. Gielen et al. // International Renewable Energy Agency (IRENA). – 2022.

77. Fusina hydrogen power station // Wikipedia. – 2025. – URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Fusina_hydrogen_power_station. (Дата обращения: 10.05.2025).

78. Italy launches first clean hydrogen power plant // Phys.org. – 2009. – URL: https://phys.org/news/2009-08-italy-hydrogen-power-plant.html. (Дата обращения: 10.05.2025).

79. Inauguration of First Industrial-scale Hydrogen Plant in the World // Newswire Today – 2009. – URL: https://www.newswiretoday.com/news/inauguration-of-first-industrial-scalehydrogen-plant-in-the-world. (Дата обращения: 10.05.2025).

80. Enel’s Fusina Hydrogen-fed Power Generation Plant // Studylib. – 2010. – URL: https://studylib.ru/doc/xxxxxx/enel-fusina-hydrogen-fed-power-generation-plant. (Дата обращения: 10.05.2025).

81. Fusina combined cycle project // Modern Power Systems. – 2009. – URL: https://www.modernpowersystems.com/projects/fusina-combined-cycle. (Дата обращения: 10.05.2025).

82. Экономические и производственные характеристики Fusina Hydrogen Power Station // Power Engineering International. – 2010. – URL: https://www.powerengineeringint.com/projects/fusina-hydrogen. (Дата обращения: 10.05.2025).

83. Пресс-релиз Enel о запуске проекта Hydrogen Park // Enel. – 2008. – URL: https://www.enel.com/media/press-releases/2008/04/hydrogen-park-launch. (Дата обращения: 10.05.2025).

84. Конти Ф. О себестоимости электроэнергии на Fusina // Enel. – 2009. – URL: https://www.enel.com/media/interviews/2009/fulvio-conti-fusina-cost. (Дата обращения: 10.05.2025).

85. Информация о закрытии станции Fusina // Enel. – 2018. – URL: https://www.enel.com/media/announcements/2018/fusina-closure. (Дата обращения: 10.05.2025).

86. Hydrogen as a flexible energy storage for a fully renewable European POWER system // Cordis. europa.eu – 2023. – URL: https://cordis.europa.eu/project/id/884229. (Дата обращения: 10.05.2025).

87. HYFLEXPOWER project demonstrates 100 % hydrogen operation // Gas Turbine World. – 2023. – URL: https://gasturbineworld.com/siemens-hyflexpower/.(Дата обращения: 10.05.2025).

88. First successful demonstration with 100 % green H2 // Hyflexpower.eu. – 2023. – URL: https://www.hyflexpower.eu/2023/10/24/first-successful-demonstration-with-100-green-h2. (Дата обращения: 10.05.2025).

89. MHPS Successfully Tests Large-scale High-efficiency Gas Turbine Fueled by 30% Hydrogen Mix // Mitsubishi Power. – 2018. – URL: https://power.mhi.com/news/20180119.html. (Дата обращения: 10.05.2025).

90. MHPS Successfully Tests Large-Scale High-Efficiency Gas Turbine Fueled by 30% Hydrogen Mix // Business Wire. – 2018. – URL: https://www.businesswire.com/news/home/20180125005516/en//MHPS-Successfully-Tests-Large-Scale-High-EfficiencyGas-Turbine-Fueled. (Дата обращения: 10.05.2025).

91. Mitsubishi Tests Large-Scale Gas Turbine Fuelled by Hydrogen Mix // Process Worldwide. – 2018. – URL: https://www.process-worldwide.com/mitsubishi-tests-large-scale-gas-turbine-fuelled-by-hydrogen-mix-a-680190/. (Дата обращения: 10.05.2025).

92. Mitsubishi Hitachi Tests Turbine that Burns Natural Gas-Hydrogen Mix // Power Engineering. – 2018. – URL: https://www.power-eng.com/gas/turbines/mitsubishi-hitachi-tests-turbine-that-burns-natural-gas-hydrogen-mix/. (Дата обращения: 10.05.2025).