Сравнение условий экономической эффективности систем аккумулирования энергии на АЭС: аккумулятор фазового перехода и автономный водородный энергокомплекс

Увеличение доли атомных электростанций в энергосистемах, неравномерное потребление электрической энергии и активный ввод в энергетические системы мира возобновляемых источников с нестабильным режимом выработки электроэнергии вынуждают атомные станции работать в переменном режиме. При этом АЭС целесообразно эксплуатировать с максимальным коэффициентом использования установленной мощности по причине значительных капиталовложений в строительство станции при относительно низкой цене на ядерное топливо. В работе проведен сравнительный анализ разработанных ранее авторами систем аккумулирования энергии на АЭС: система аккумулирования тепловой энергии на основе фазового перехода специально выбранного материала и, как альтернатива тепловому аккумулятору фазового перехода, в работе исследован автономный водородный энергокомплекс, включающий в себя электролизное хозяйство для производства водорода и кислорода, хранилища газов, компрессорные установки, водород-кислородную камеру сгорания, а также бак горячей воды. Для исследуемых энергокомплексов были определены условия технические и системные, при которых достигается положительный экономический эффект, показаны граничные условия, при которых достигается окупаемость вложенных средств. Системы аккумулирования исследованы на примере установки на АЭС с ВВЭР-1200 совместно с дополнительной паровой турбиной, которая, как было доказано авторами ранее, может использоваться для электроснабжения собственных нужд станции при ее отключении от энергетической системы посредством использования мощности реактора или его остаточного тепловыделения. Таким образом, разработанные системы аккумулирования позволяют при определенных условиях получать дополнительную прибыль, окупая капиталовложения в себя, и обеспечивают дополнительное резервирование собственных нужд станции на случай отключения от энергосистемы.

1. 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. – P. 112364. DOI: 10.1016/j.nu-cengdes.2023.112364.

2. Yurin V. E., Egorov A. N., Bashlykov D. O. The concept of autonomous hydrogen energy complex: Adaptation of large nuclear power units to uneven energy consumption schedules // Nuclear Engineering and Design. – 2024. – V. 426. – P. 113328. DOI: 10.1016/j.nuceng-des.2024.113328.

3. Aminov R. Z., Egorov A. N., Yurin V. E. Hydrogen cycle based backup for NPP internal needs during a blackout // Atomic Energy. – 2013. – V. 114. – I. 4. – Pp. 289-292. DOI: 10.1007/s10512-013-9712-0.

4. Faizan M., Alkaabi A. K., Nie B., Afgan I. Thermal energy storage integration with nuclear power: A critical review // Journal of Energy Storage. – 2024. – V. 96. – P. 112577.

5. Al Kindi A. A., Aunedi M., Pantaleo A. M., Strbac G., Markides C. N. Thermo-economic assessment of flexible nuclear power plants in future low-carbon electricity systems: Role of thermal energy storage // Energy Conversion and Management. – 2022. – V. 258. – P. 115484.

6. Carlson F., Davidson J. H. Parametric study of thermodynamic and cost performance of thermal energy storage coupled with nuclear power // Energy Conversion and Management. – 2021. – V. 236. – P. 114054. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.

7. Carlson F., Davidson J. H., Tran N., Stein A. Model of the impact of use of thermal energy storage on operation of a nuclear power plant Rankine cycle // Energy Conversion and Management. – 2019. – V. 181. – Pp. 36-47. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.11.058.

8. Aminov R. Z., Egorov A. N. Increasing capacity of a nuclear power plant unit using the hydrogen-fueled feedwater heating system // International Journal of Energy Research. – 2020. – V. 44. – I. 7. – Pp. 5609-5620. DOI: 10.1002/er.5310.

9. Rocha T. M., Trevizoli P. V., de Oliveira R. N. A timeline of the phase-change problem for latent thermal energy storage systems: A review of theoretical approaches from the 1970′s to 2022 // Sol. Energy. – 2023. – V. 250. – Pp. 248-284.

10. Liu B., Zhang X., Ji J. Review on solar collector systems integrated with phase-change material thermal storage technology and their residential applications // International Journal of Energy Research. – 2021. – V. 45. – I. 6. – Pp. 8347-8369.

11. Mohamed S. A., Al-Sulaiman F. A., Ibrahim N. I., Zahir Md. H., Al-Ahmed A., Saidur R., Yılbaş B. S., Sahin A. Z. A review on current status and challenges of inorganic phase change materials for thermal energy storage systems // Renewable Sustainable Energy Rev. – 2017. – V. 70. – Pp. 1072-1089.

12. Nomura T., Okinaka N., Akiyama T. Technology of latent heat storage for high temperature application: A review // ISIJ Intern. – 2010. – V. 50. – I. 9. – Pp. 1229-1239.

13. Zhang N., Yuan Y., Cao X., Du Y., Zhang Z., Gui Y. Latent heat thermal energy storage systems with solid-liquid phase change materials: A review // Adv. Eng. Mater. – 2018. – V. 20. – I. 6. – P. 1700753.

14. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1987.

15. Dinçer İ., Rosen M.A. Thermal energy storage: systems and applications. John Wiley & Sons, 2010.

16. Dutil Y., Rousse D. R., Salah N. B., Lassue S., Zalewski L. A review on phase-change materials: Mathematical modeling and simulations // Renewable Sustainable Energy Rev. – 2011. – V. 15. – I. 1. – Pp. 112-130.

17. Laing D., Bauer T., Breidenbach N., Hachmann B., Johnson M. Development of high temperature phase-change-material storages // Appl. Energy. – 2013. – V. 109. – Pp. 497-504.

18. Johnson M., Vogel J., Hempel M., Dengel A., Seitz M., Hachmann B. High temperature latent heat thermal energy storage integration in a co-gen plant // Energy Procedia. – 2015. – V. 73. – Pp. 281-288.

19. Бабаев Б. Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // ТВТ. – 2014. – Т. 52. – № 5. – С. 760-776.

20. Wallace J., Hirschi C. J., Vann C., Memmott M. A ranking methodology for the coupling of pressurized water nuclear reactors and molten salt thermal energy storage // J. Energy Storage. – 2023. – V. 59. – P. 106562.

21. Аминов Р. З., Гариевский М. В. Оценка эффективности АЭС при использовании аккумуляторов фазового перехода // Теплоэнергетика. – 2023. – № 2. – С. 78-89.

22. Murtazov M. A., Yurin V. E. Variable research of the efficiency of a combined thermal storage system when used at NPPs with VVER // International Scientific and Practical Conference «Improving Energy Efficiency, Environmental Safety and Sustainable, Development in Agriculture» (EESTE 2023). E3S Web of Conferences. – 2023. – № 463. – P. 03003. DOI: 10.1051/e3s-conf/202346303003.

23. Aminov R. Z., Yurin V. E., Murtazov M. A. Efficiency and economic assessment of combining nuclear power plants with multifunctional heat accumulation systems // International Journal of Energy Research. – 2021. – V. 45. – I. 8. – Pp. 12464-12473.

24. Аминов Р. З. Применение многофункциональных систем с тепловыми аккумуляторами фазового перехода как путь повышения безопасности и эффективности АЭС // Теплоэнергетика. – 2022. – № 8. – С. 5-13.

25. Аминов Р. З., Егоров А. Н., Юрин В. Е., Бессонов В. Н. Многофункциональное резервирование собственных нужд атомных электростанций // Атомная энергия. – 2016. – Т. 121. – № 5. – C. 256-261.

26. Aminov R. Z., Yurin V. E., Kuznetsov D. Y. Investigation of the Cooling of Water-Cooled and -Moderated Reactors Based on Electricity Generation Via Residual Heat in Emergency Situations with De-Energization // Atomic Energy. – 2020. – V. 128(4). – Pp. 211-217.

27. Krüger M., Knödler P., Muslubas S., Çam E., Lehmann D., Polenz S., Dreißigacker V., Klasing F. Technical Development and Economic Evaluation of the Integration of Thermal Energy Storage in Steam Power Plants // Energies. – 2022. – V. 15.

28. Пат. РФ 2680380. Способ повышения мощности и безопасности энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР на основе теплового аккумулирования / Аминов Р. З., Юрин В. Е., Муртазов М. А. – 2019. Бюл. № 5.

29. 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. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.225.

30. Malyshenko S. P., Gryaznov A. N., Filatov N. I. High-pressure H2/O2 – steam generators and they possible applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – V. 29. – Pp. 589-596.

31. Development of Hydrogen-combustion Turbine. 1998. Online. Available: https://www.enaa.or.jp/WE-NET/report/1998/english/8_2.htm.

32. Aminov R. Z., Egorov A. N. Evaluation of the efficiency of combining wet-steam NPPs with a closed hydrogen cycle // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. – 2018. – V. 1111. – P. 012022. DOI: 10.1088/1742-6596/1111/1/012022.

33. Aminov R. Z., Anoshin D. M., Garievsky M. V. Numerical modeling of discharge modes and evaluation of the major characteristics of latent heat thermal energy storage at a nuclear power plant // Journal of Energy Storage. – 2024. – V. 99. – P. 113209.

34. Yurin V. E, Garievsky M. V., Anoshin D. M. Conditions for economic efficiency of latent heat thermal energy storage systems at nuclear power plants // Nuclear Engineering and Design. – 2024. – V. 429.

35. Аношин Д. М. Оценка экономической эффективности системы теплового аккумулирования на основе аккумуляторов фазового перехода в комплексе с многофункциональной паровой турбиной в составе АЭС // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2024. – № 4. – С. 17-26.

36. Аминов Р. З., Гариевский М. В., Аношин Д. М. Разработка конструктивных решений аккумулятора фазового перехода в условиях его функционирования в едином энергокомплексе с АЭС // Теплоэнергетика. – 2024. – № 3.

37. Abhat A. Low temperature latent heat thermal energy storage: Heat storage materials // Solar energy. – 1983. – V. 30. – № 4. – P. 313-332.

38. АО Металлсервис. Прайс-лист – Металлсервис Москва. – 2024. Online. Available: https://mc.ru.

39. Aminov R. Z., Egorov A. N., Bairamov A. N. Assessment of the systemic efficiency of an NPP base load supply based on combination with hydrogen technologies // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – I. 87. – Pp. 33996-34008. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.05.165.

40. 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. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.197.

41. Yurin V. E., Egorov A. N. Predictive economic efficiency of combining nuclear power plants with autonomous hydrogen power complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 63. – Pp. 20-27. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.07.132.

42. 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.

43. Stewart W. R., Shirvan K. Capital cost estimation for advanced nuclear power plants // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – V. 155. – P. 111880.

44. Aminov R. Z., Bairamov A. N., Garievskii M. V. Assessment of the performance of a nuclear-hydrogen power generation system // Thermal Engineering. – 2019. – V. 66. – I. 3. – Pp. 196-209.

45. Grigoriev S. A. et al. Current status, research trends, and challenges in water electrolysis science and technology // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 49. – Pp. 26036-26058.

46. Тахтамышев А. Г. Примеры расчета стальных конструкций. – М.: Стройиздат, 1978. – 239 c.

47. Аминов Р. З., Байрамов А. Н. Оценка удельных капиталовложений в цилиндрические емкости для хранения газообразного водорода // Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2007. – № 5-6. – С. 69-77.

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

49. Текущий ремонт газотурбинных установок ГТУ ст. № 6-9 СП «Майская ГРЭС». Центр электронных торгов. Online. Available: www.b2b-center.ru.

50. Bairamov A. N., Yurin V. E. Development of layout solutions for a hydrogen complex in combination with a nuclear power plant // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2025. – V. 03(432). – Pp. 27-45.

51. Investor-Owned Electric Utilities, 2008 through 2018. Average Power Plant Operating Expenses for Major U.S. Online. Available: https://www.eia.gov/electricity/annual/html/epa_08_04.html.

52. Federal Energy Regulatory Commission. Summer energy market and reliability assessment. – 2020. Online. Available: https://www.ferc.gov/market-as-sessments/reports-analyses/mkt-views/2017/2017-summer-assessment.pdf.

53. European electricity markets panorama: France. AleaSoft Energy forecasting. 2020. Online. Available: https://aleasoft.com/european-electricity-markets-panorama-france.