Эффективность интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом

В настоящее время и ближайшие несколько десятилетий главная роль в обеспечении энергетической безопасности и стабильности в нашей стране будет принадлежать тепловой и атомной энергетике.

Программой развития атомной энергетики России до 2020 г предусмотрено существенное увеличение доли АЭС в энергосистемах европейской части страны. При такой тенденции развития атомной энергетики вопросы повышения безопасности и эффективности работы АЭС приобретают особую актуальность.

В этой связи одним из приоритетных направлений повышения безопасности и эффективности работы АЭС является обеспечение их базисной электрической нагрузкой. С этой целью использование водородных энергетических комплексов, основанных на внепиковом электропотреблении, может быть направлено на производство товарной продукции, дополнительную выработку пиковой электроэнергии АЭС и как способ резервирования собственных нужд станции, приводящий к повышению её безопасности. На этом основании актуальным является исследование эффективности АЭС с использованием водородных энергетических комплексов.

Методы исследований.

Методика оценки термодинамической эффективности циклов теплоэнергетических установокметодика оценки технико-экономических показателей в энергетикеметодика оценки надёжности теплоэнергетического оборудования в энергетике.

Связь диссертационной работы с приоритетными НИР.

Данная диссертационная работа выполнялась на базе бюджетных тематик фундаментальных научных исследований Отделения энергетики, механики, машиностроения и процессов управления РАН «Обоснование приоритетных направлений развития энергогенерирующих мощностей с учетом обеспечения безопасности, устойчивого развития и долгосрочных интересов страны» 2006 -2008 гг- «Разработка научных основ повышения коэффициента использования установленной мощности АЭС в энергосистеме» 2009 — 2011 ггв рамках ГРАНТа РФФИ «Разработка научных основ построения водородных циклов на АЭС» 2007 — 2009 гг.

Научная новизна.

Разработана методика оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса в интеграции с АЭС на примере с ВВЭР-1000 (ПТУ К-1000/60−1500) в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока для производства водорода и кислорода, позволяющая произвести оценку системной эффективности такой интеграции.

Уточнена и обоснована расчётная схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом.

Разработана наиболее эффективная система сжигания водорода для перегрева свежего пара в цикле АЭС без использования охлаждения балластиро-вочным компонентом (охлаждающей водой), что способствует наибольшей эффективности такого перегрева.

Разработаны условия конкурентной эффективности АЭС с использованием водородного энергетического комплекса в сравнении с ГАЭС.

Разработаны условия целесообразности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов с использованием электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС. Получено экстраполяционное уравнение оценки удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности, а также оценки удельных капиталовложений и мощности вновь создаваемых компрессорных агрегатов применительно к условиям работы водородного энергетического комплекса.

Приведено обоснование наиболее приемлемого способа хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла. Получены эффективные технические и стоимостные показатели системы хранения водорода и кислорода в ёмкостях цилиндрического типа.

Практическая значимость результатов диссертационной работы следует из актуальности исследуемой проблемы.

Использование водородных энергетических комплексов позволяет отказаться от принудительной разгрузки АЭС по диспетчерскому графику в часы ночного провала электропотребления и, тем самым, обеспечить работу станции с высоким коэффициентом использования установленной мощности. При этом выработанные водород и кислород могут использоваться в паротурбинном цикле АЭС (водородный перегрев свежего пара) с обеспечением выработки дополнительной (пиковой) электроэнергии (мощности) и с повышением общей эффективности работы станции или могут служить конкурентоспособной товарной продукцией. В этой связи проведенные оценки показали, что использование водородного топлива в цикле АЭС может привести к повышению электрического КПД станции брутто в диапазоне 0,9 — 7,3%, КПД станции нетто — 0,7 — 7,0% в зависимости от количества сжигаемых водорода и кислорода при водородном перегреве свежего пара. При этом предложенная система сжигания водорода в цикле АЭС способствует наибольшей эффективности такого перегрева.

Производство водорода на базе электролизных установок повышенной мощности при определённых условиях оказывается эффективным. При этом попутной полезной продукцией может оказаться производство озона для коммунально-бытовых целей, а также наработка тяжёлой воды в процессе электролиза.

Использование водородных энергетических комплексов в интеграции с АЭС может обеспечить системную эффективность станции в сравнении с ГАЭС при покрытии пиков электрических нагрузок в энергосистеме, покрытие переменного графика электропотребления без изменения режимов работы реакторной установки. При этом становится возможным отказ от использования пиковых ГТУ, что приводит к экономии органического топлива в энергосистеме и уменьшению масштабов выбросов парниковых газов в атмосферу.

С эффективным способом хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла связана возможность реализации водородных энергетических комплексов. С этой точки зрения предложенный способ хранения водорода и кислорода в цилиндрических ёмкостях является одним из возможных.

В условиях становления и развития водородной энергетики в экономически развитых странах, в том числе и в России, 1 неизбежно получит своё формирование рынок водородных технологий. Реализация водородных энергетических комплексов связана с созданием энергетического оборудования новых типоразмеров, пригодного для целей водородной энергетики, которое может занять свою соответствующую нишу в формирующемся рынке водородных технологий. В данной диссертационной работе на основе разработанной методики оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса выработаны основные рекомендации к созданию такого энергетического оборудования и его основные возможные характеристики.

Разработанная методика может быть использована проектными организациями с целью оценки технико-экономических показателей обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой за счёт использования водородного энергетического комплекса с повышением эффективности работы станции при новом проектировании.

Разработанные научные основы интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом могут использоваться в учебном процессе с целью изложе К настоящему времени в России разработана национальная программа по водородной энергетике с переходом к водородной экономике, а также разработана стратегия развития водородной энергетики, в рамках которой во многих институтах и различных научно-производственных объединениях широким фронтом ведутся НИОКР по созданию эффективных водородных технологий. ния концепции эффективного обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой в условиях увеличения их доли в энергосистемах европейской части страны.

Основные результаты работы вошли в научные отчёты Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН за 2008, 2009 гг., в том числе совместно с Объединённым институтом высоких температур РАН по эффективности оценки вариантов обеспечения АЭС базовой нагрузкой.

Апробация результатов диссертационной работы.

Некоторые из основных результатов, а также главные положения концепции диссертационной работы докладывались на: внутривузовских конференциях молодых учёных СГТУ в 2007, 2008 гг.- Всероссийской конференции молодых учёных, проводимой концерном «Росэнергоатом» в 2007 г.- Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика энергосбережения и ресурсосбережения в промышленности» в 2007 г.- Международной конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» 15−16 сентября 2009 г.

Структура, объём и содержание диссертации.

Диссертация включает предисловие, четыре главы, выводы, направления дальнейших исследований, список использованных источников, содержащий 104 наименования. Объём диссертации составляет 142 страницы.

В предисловии обоснована актуальность исследуемой проблемы.

Первая глава посвящена обзору выполненных работ по производству, хранению и использованию водорода, как энергоносителя в энергетике. На основании выполненного обзора поставлены цель и основные задачи исследования.

Во второй главе приводится обоснование использования электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов для производства водорода и кислорода в период провала электрической нагрузки АЭС, производится оценка удельных капиталовложений в такие электролизные установки. Разрабатываются условия целесообразности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности.

В третьей главе приводится обоснование системы хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла, представляющей собой ёмкости цилиндрического типа. Выполнены оценка и анализ стоимостных характеристик предложенной системы хранения с учётом влияния водородной коррозии.

В четвёртой главе проведена оценка системной эффективности интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом. Приводится уточнённая расчётная схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом. Анализируется эффективность водородного перегрева свежего пара АЭС в зависимости от доли использования внепиковой мощности энергоблока с ВВЭР-1000 для производства водорода и кислорода. Приведена методика оценки эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом. Эффективность использования водородного энергетического комплекса на АЭС сопоставляется с ГАЭС. Делаются выводы о наличии зон конкурентной эффективности сравниваемых энергоаккумулирующих комплексов.

Публикации по исследуемой проблеме.

1. Байрамов А. Н. Эффективность производства водорода на основе современных технологий / Р. 3. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. — 2009. — № 1. — С. 128−137.

2. Байрамов А. Н. Оценка эффективности водородных циклов на базе внепиковой электроэнергии АЭС / Р. 3. Аминов, А. Н. Байрамов, О: В. Шацкова // Теплоэнергетика.- 2009. — № 11. — С. 41 — 45.

3. Байрамов А. Н. Оценка удельных капиталовложений в цилиндрические емкости для хранения газообразного водорода / Р. 3. Аминов, А. Н. Байрамов //.

Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики. — 2007. — № 5−6. -С.69−77.

4. Байрамов А. Н. Эффективность водородной конверсии на АЭС/ Р. 3. Аминов, А. Н. Байрамов // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: сб. науч. тр. по материалам Международной научно-практической конференции. Саратов. 12−15 сентября. 2007 / СГТУ. — Саратов, 2007. — Т. 1. — С. 6−11.

5. Байрамов А. Н. Оценка стоимости производства водорода методом электролиза воды / Р. 3. Аминов, А. Н. Байрамов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр./ СГУ. — Саратов, 2006. -Вып. 4. — С. 46−56.

6. Байрамов А. П. Пути экономии органического топлива при использовании водородных технологий на АЭС / Р. 3. Аминов, М. К. Крылов, А. Н. Байрамов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. научн. тр. / СГУ. — Саратов, 2006. — Вып.4. — С.56 — 61. *.

7. Байрамов А. П. Технические и экологические аспекты использования водородных технологий для снижения неравномерностей покрытия электрических нагрузок / М. К. Крылов, А, Н. Байрамов // Информационные технологии в науке, производстве и социальной сфере: сб. науч. тр. / Научная книга. — Саратов, 2005.-С. 216−219.

Автор благодарит своего научного руководителя, Лауреата Ордена Дружбы, Заслуженного деятеля науки и техники РФ, заведующего кафедрой ТЭС д. т. н., проф. Аминова Р. 3. сотрудников Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН: вед. научн. сотр., к.т.н. Шкрет А. Ф., научн. сотр. Гариевского М. В. за оказанные консультации в процессе написания работыд. т. н., проф. каф. ТЭС Хрусталёва В. А., д. т. н., проф. каф. ТЭ Хлебали-на Ю. М., к. т. н., доц. каф. ТЭ Дубинина А. Б. за критический подход и высказанные замечания и пожелания на этапе завершения работы.

Выводы.

1. Использование водородных энергетических комплексов на паротурбинных влажно-паровых АЭС для увеличения температуры рабочего тела приводит к повышению их эффективности. Показано, что эффективность использования водородного топлива в цикле АЭС (эффективность выработки пиковой электроэнергии в цикле АЭС) может составить 71,9−80,6%- эффективность использования «провальной» электроэнергии может составить 38,9 — 43,6%. При этом прирост абсолютного электрического КПД брутто энергоблока АЭС может составить 0,9 — 7,3%- прирост абсолютного электрического КПД нетто энергоблока АЭС может составить 0,7 — 7,0%.

2. Использование 16% внепиковой мощности энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 для выработки водорода и кислорода и их использование для водородного перегрева свежего пара соответствует достижению предела перегрузочных возможностей существующих турбин ПТУ. При использовании мощности энергоблока для выработки водорода и кислорода свыше 40% паро-водородный перегрев позволяет отказаться от сепаратора. При этом температура перегретого пара при входе в ЦВД ПТУ не превышает освоенного уровня температур, что позволяет использовать имеющиеся стали и материалы при создании новых паротурбинных установок повышенной мощности.

При использовании водородного перегрева свежего пара АЭС в пределах перегрузочных возможностей турбин удельные капиталовложения водородного энергетического комплекса не превышают 10 тыс. руб./кВт. Удельные капиталовложения водородных энергетических комплексов других вариантов при использовании 20, 40, 50, 80, и 100% мощности энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 оказываются в диапазоне 27 — 25 тыс. руб./кВт.

3. Совокупность технических сложностей и рисков при возведении ГАЭС предполагает их расположение не вблизи АЭС, что обусловливает потребление электроэнергии в ночной зоне суток по тарифам энергосистемы, превышающим тариф электроэнергии АЭС более чем в 2 — 3 раза. Это повышает конкурентоспособность АЭС с водородным энергетическим комплексом даже при существенно более низком коэффициенте полезного использования «провальной» электроэнергии. Так, при использовании 10% «провальной» мощности энергоблока (за счёт форсировочных возможностей турбоагрегата) себестоимость пиковой электроэнергии оказывается минимальнойпри соотношении тарифов электроэнергии более 1,3 и капиталовложениях в ГАЭС порядка 37 тыс. руб./кВт себестоимость пиковой электроэнергии АЭС с водородным энергетическим комплексом оказывается меньше, чем у ГАЭС.

4. Вариант ГАЭС при удельных капиталовложениях, не превышающих 30 тыс. руб./кВт с потреблением электроэнергии от АЭС по её себестоимости, оказывается наиболее эффективным по отношению к водородному энергокомплексу. Однако при использовании 10% «провальной» мощности энергоблока АЭС эффективнее оказывается вариант с водородным энергетическим комплексом.

При удельных капиталовложениях в ГАЭС более 30 тыс. руб./кВт и потреблении электроэнергии из энергосистемы по тарифу, превышающему себестоимость электроэнергии АЭС в 2 — 3 раза конкурентоспособность ГАЭС заметно снижается и при определенных условиях она оказывается экономически неэффективной.

Полученные результаты свидетельствуют о наличии зон конкурентной эффективности АЭС с водородными энергетическими комплексами. Проведенные разработки позволяют учесть конкретные условия сооружения энергоаккуму-лирующих станций при сопоставлении эффективности конкурирующих вариантов.

5. При крупномасштабном производстве водорода за счёт внепиковой электроэнергии АЭС необходимо создание электролизных установок повышенной мощности с возможностью работы с частыми пусками и остановами без сокращения срока их службы.

На основе оценки эффективности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности разработаны условия целесообразности производства водорода. Показано, что производство водорода при определённых условиях может быть конкурентоспособным с другими освоенными методами его производства.

6. В условиях АЭС, когда период хранения водорода и кислорода может составлять от нескольких часов до нескольких суток, наиболее приемлемым является наземное их хранение в сжатом виде в специальных ёмкостях (цилиндрические или сферические газгольдеры).

Определены стоимостные характеристики цилиндрических ёмкостей различного объёма для хранения газообразных водорода и кислорода. Показано, что хранение водорода и кислорода эффективно осуществлять в ёмкостях объёмом (400 — 800 м) и в интервале давлений 4,2 — 6,4 МПа. При этом стоимостные характеристики хранения водорода оказываются конкурентоспособными с другими освоенными методами.

7. Хранение газообразного водорода в ёмкостях необходимо осуществлять с учетом того, что водород в зависимости от его давления и температуры способен насыщать практически любые стали и сплавы. Т. е. прочностные свойства той или иной стали или сплава будут зависеть от параметров водорода, контактирующего с этой сталыо или сплавом. Показано, что для принятых в работе параметров хранения водорода в ёмкостях его растворение в стали отсутствует.

Направления дальнейших исследований.

В качестве перспективных направлений исследований по данной работе можно обозначить следующие задачи:

1. Оценка влияния частого и кратковременного повышения температуры металла паротурбинной установки вследствие осуществления паро-водородного перегрева на надёжность её функционирования и функционирования водородного энергетического комплекса в целом.

2. Разработка методики оптимизации технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса в зависимости от продолжительности периода провала электрической нагрузки АЭС.

3. Разработка методики оценки экономического эффекта в энергосистеме за счет повышения безопасности и системной эффективности АЭС на базе водородного энергетического комплекса.

4. Оценка системной эффективности АЭС в интеграции с водородным энергетическим комплексом при использовании паровой турбины как резервного источника собственных нужд станции.

5. Разработка экономико-математической модели, методики оценки эффективности и технико-экономических показателей функционирования энергосистем с АЭС в интеграции с водородными энергетическими комплексами.