Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор по свойствам, производству, хранению и использованию водорода как энергоносителя в энергетике 13
1.1 Свойства водорода как энергоносителя 14
1.2 Состояние вопроса производства водорода методом электролиза воды в настоящее время 16
1.2.1 Перспективы развития водородной энергетики 16
1.2.2 Электролиз воды - перспективный способ производства водорода 19
1.3 Технологии хранения водорода 25
1.4 Использование водорода в циклах теплоэнергетических установок 34
1.5 Цели и задачи исследования 48
Глава 2. Анализ эффективности производства водорода методом электролиза воды за счёт электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС 50
2.1 Критерий и методика оценки эффективности производства водорода 50
2.2 Оценка удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности 53
2.3 Обоснование КПД и основных рабочих параметров электролизных установок повышенной мощности 55
2.4 Обоснование исходных данных к расчёту эффективности производства водорода 56
2.5 Условия целесообразности производства водорода 58
Глава 3. Оценка стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла 64
3.1 Обоснование варианта хранения водорода и кислорода в цилиндрических ёмкостях 64
3.2 Методика оценки стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода 65
3.3 Результаты расчёта стоимостных характеристик системы хранения 69
3.4 Оценка влияния водородной коррозии на сталь ёмкостей 74
Глава 4. Системная эффективность интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом 77
4.1 Обоснование и описание уточнённой расчётной схемы интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом 77
4.2 Узел водородного перегрева свежего пара паропроизводящей установки АЭС 83
4.3 Методика оценки эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом 87
4.4 Оценка эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом 96
4.5 Оценка экономии условного топлива в энергосистеме 100
4.6 Обоснование и оценка надёжности водородного энергетического комплекса 101
4.6.1 Основные сведения о комплексных показателях надёжности эксплуатации объекта 101
4.6.2 Обоснование вероятности отказов основного оборудования водородного энергетического комплекса 103
4.6.3 Оценка комплексных показателей надёжности водородного энергетического комплекса 105
4.7 Оценка конкурентной эффективности АЭС с водородным энергетическим комплексом и ГАЭС 107
4.7.1 Основные положения сравнительного анализа водородного энергетического комплекса на АЭС с ГАЭС. 107
4.7.2 Обоснование экологичности технологии производства электроэнергии с использованием водородного энергетического комплекса 115
4.7.3 Методика оценки экономической эффективности вариантов 117
4.7.4 Сравнение эффективности АЭС с водородным энергетическим комплексом и ГАЭС 121
Выводы 128
Направления дальнейших исследований 131
Список использованных источников 132
- Электролиз воды - перспективный способ производства водорода
- Оценка удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности
- Методика оценки стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода
- Оценка эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом
Введение к работе
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 установок; методика оценки технико-экономических показателей в энергетике; методика 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 гг; в 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, 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. Н. 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. 1-І. 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 работы; д. 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.
Электролиз воды - перспективный способ производства водорода
Teledyne Technologies Inc. серийно производит щелочные электролизные установки производительностью 6-325 кг Н2/день. General Electric разрабатывает электролизёры с протонно-обменной мембраной. Электролизные установки с твердополимерным электролитом (серия HOGEN) КПД имеют 41-53%, со щелочным электролитом - 73% [36]. КПД российских электролизных установок составляет 60% [33, 36]. Таким образом, КПД электролизных установок различных производителей находится в диапазоне 60-75%. Общий энергетический КПД процесса с учетом КПД генерирования электроэнергии — 28% [10]. Все выше упомянутые электролизные установки имеют невысокую мощность относительно их использования во внепиковые часы электропотребления с целью производства водорода для покрытия пиков электрических нагрузок и предназначены для работы в с гационарном малоцикличном режиме. В работе [25] показана эффективность производства водорода в период провала электрической нагрузки в энергосистеме с использованием электролизных установок малой мощности. Для целей крупномасштабного производства водорода и кислорода в период провала электрической нагрузки АЭС необходимо создание электролизных установок более высокой мощности и возможностью работы с частыми пусками и остановами без сокращения срока службы (или хотя бы без значительного сокращения срока службы). В этой связи имеет место оценка и анализ эффективности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов.
Известен и практически реализован ме год разложения воды под действием центробежных сил в электро-водородном генераторе (ЭВГ) [38]. В качестве энергии используется кинетическая энергия вращения генератора и тепловая энергия, подводимая извне для поддержания эндотермической реакции разложения воды. В данном процессе возникающее поле центробежных сил порождает поле электрических сил, которое, преодолевая энергию гидратации, реализует электролиз.
Диссоциация серной кислоты, гидратация молекулами воды ионов элек-тролита, а затем обратимое и равномерное распределение в объеме ионов SO4" , Н30+: ЭВГ прост, органично вписывается в компоновку различных силовых дви- гательных установок транспортных средств, хорошо агрегатируется с тепловыми турбинами. Однако в настоящее время ЭВГ не получил широкого распространения в промышленности. Актуально производство водорода методом электролиза воды на основе возобновляемых источников энергии, например, энергии ветра и солнца [1, 10, 36]. Так, например, Департамент Энергетики США и Национальная Исследовательская Энергетическая Лаборатория (NREL) с 2006г. проводят научно-исследовательские работы по получению водорода с использованием ветряных энергетических установок [39]. Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (СНР) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнеч-ных концентраторов. Площадь зеркал установки - 93 м", в фокусе концентрате 24 pa температура достигает 2200 С, производство водорода на этой установке может составить 3800 кг/год [39]. Общий энергетический КПД процесса производства водорода из воды с использованием солнечной энергии - 11 - 30% [10]. По оценкам США (2004г.) себестоимость процесса электролиза воды при использовании электричества из промышленной сети — 6 — 7 долл./кг (177— 207 руб./кг при 1 долл. = 29,55 руб.) [39]. По данным [4] (2005г.) стоимость производства водорода при использовании электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС с учетом капитальных затрат в производственное оборудование, компрессоры, хранилища и т.д. составляет 12-14,5 долл./ГДж (1,4-1,7 долл./кг, 40-48,5 руб./кг при 1 долл. = 28,55 руб.). В этот же интервал попадает значение себестоимости производства водорода по данным [40]. В [41] (2006г.) приводится диапазон себестоимости производства водорода в зависимости от тарифа на электроэнергию и единичной мощности установки 22 - 45 долл./ГДж (2,6-5,4 долл./кг, 72-149,5 руб./кг при 1 долл. = 27,68 руб.). По оценкам США (2004г.) себестоимость производства водорода с использованием солнечной энергии составляет 10-30 долл./кг (296 - 886,5 руб./кг). Согласно расчетам NREL 2006 г., в ближайшем будущем себестоимость производства водорода за счет энергии ветра составит 4,03 долл./кг (111,6 руб./кг), в долгосрочной перспективе - 2,33 долл./кг [39]. По данным [4] себестоимость производства водорода на основе возобновляемых источников энергии - 36-72 долл./ГДж (4,3-8,7 долл./кг, 123-248,4 руб./кг). Высокотемпературный электролиз (ВТЭ) является разновидностью обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара, делая процесс более эффективным. Эффективность метода ВТЭ зависит от цены электроэнергии и температуры потребляемого тепла. Электролизу может подвергаться пар с па 25 раметрами 0,1, 3 МПа и 800С. Удельный расход электричества, которое составляет большую часть потребляемой энергии, составляет 2,5 кВт-ч/нм3. При этом массовое соотношение потребляемого пара и производимого водорода составляет 9:1 [42]. Для температур до 900 С разработана концепция стыковки высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) с высокотемпературными электролизёрами, позволяющая иметь суммарный КПД производства водорода из воды до 50% [10, 43 -45].
Оценка удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности
Изменение мощности турбины может быть достигнуто либо за счёт изменения перегрева пара на входе в турбину, либо путём изменения расхода пара в турбину. По схеме рисунка 1.11, а, увеличение мощности и покрытие электрической нагрузки производятся за счёт перегрузочной способности базовых паротурбинных АЭС путём регулируемого подогрева насыщенного пара до необходимой температуры перегрева. Пароконденсационный процесс такой установки в h диаграмме представлен на рисунке 1.11, а, где также показан процесс расширения пара базовой АЭС (на насыщенном паре). Перегрев пара осуществляется путём смешения в специальной камере сгорания (пароперегревателе) высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде с насыщенным паром АЭС [66].
Для обычных параметров АЭС на насыщенном паре может быть получено фактическое увеличение КПД цикла до 25 % за счёт повышения расчётной начальной температуры от 274 до 565 С вследствие внутреннего сгорания водорода в кислороде, при этом коэффициент полезного использования водорода достигает 65 % [66].
По двум другим схемам (рисунок 1.11 б, в) перегрев насыщенного пара АЭС осуществляется на входе сателлитной турбины, параллельно подключенной к основной турбине. При всех нагрузках тепловая мощность реактора и расход пара поддерживаются постоянными, так что открытие дроссельных клапанов, установленных на линии подачи пара в основную и сателлитную турбины, приводит к изменению расхода пара через турбины, а значит, и к изменению общей мощности турбоагрегатов. Увеличение расхода пара через сателлитную турбину при одновременном снижении его через основную турбину сопровождается ростом общей мощности энергоустановки, благодаря чему становятся возможным плавное регулирование мощности и покрытие графика электрической нагрузки [66].
Повышение температуры пара на входе сателлитной турбины до 565 С позволяет при расходе пара, равном 0,5 полного расхода, развить максимальную мощность. При этом коэффициент полезного использования водорода составляет около 70 %. В данном случае более высокая эффективность использования водорода в цикле достигается за счёт отсутствия регенеративных отборов са-теллитной турбины. [66]. По схеме рисунка 1.11 в, перегрев пара до необходимой температуры происходит не только на входе в сателлитную турбину, но и после того, как он отработал в части высокого давления турбины. Рабочие процессы пара в основной и сателлитной турбинах показаны на рисунке 1.11 в [66].
Согласно [66] для указанных параметров пара коэффициент полезного использования водорода составляет около 75 %.
Водород может быть использован и в случае комбинированного производства электроэнергии и тепла, при одновременном покрытии графиков электрической нагрузки и горячего водоснабжения. На рисунке 1.12 представлена схема комбинированной теплосиловой установки [66].
Многократный промперегрев пара повышает тепловую и общую экономичность энергетической установки [66]. При начальных параметрах пара 24 МПа и 450 С, промежуточных перегревах 475/565/565/565 С и давлении в конденсаторе 0,02 МПа показатель удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении с учётом затрат энергии на сжатие водорода и кислорода достигает 5000 кВт-ч/Гкал [66].
Другой способ использования водорода в циклах двухконтурных АЭС заключается в вытеснении промежуточного перегрева пара, когда промежуточный пар направляется в водородный пароперегреватель, куда одновременно подают водород, произведённый электролизом воды. При этом освобожденный поток греющего пара направляется в ЦВД и вырабатывает пиковую мощность [67].
В [68, 69] нашими учёными показана концепция создания первой в мире электрогенерирующей установки с КПД более 53 % на основе комплексного использования органического (природный газ) и водородного топлива.
Возможность водородного перегрева основного рабочего тела циклов турбоустановок нашла своё применение и в стационарных ГТУ. На рисунке 1.13 приведена схема такого перегрева В результате проведенного аналитического обзора по различным водородным технологиям можно заключить, что свойства водорода как энергоносителя позволяют рассматривать его в качестве реальной альтернативы существующим углеводородным энергоносителям, что подтверждается разработкой различных схем теплоэнергетических установок с его использованием. При этом одним из перспективных способов производства водорода может являться ме-тод электролиза воды с использованием внепиковой электроэнергии АЭС с обеспечением её базисной электрической нагрузкой.
Наиболее близкими работами по отношению к исследуемой проблеме в настоящей диссертационной работе являются [25, 61, 66]. Однако в этих работах эффективность водородного перегрева рассмотрена вне зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока АЭС для производства водорода и кислорода и без сравнения по конкурентоспособности с какими-либо другими энергоаккумулирующими мощностями в энергосистеме, например, в сравнении с ГАЭС. Следовательно, отсутствует методика оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергокомплекса в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока. При этом не обосновывается устройство для паро-водородного перегрева, но в [84, 85] разработаны некоторые схемы с использованием охлаждающей воды, что приводит к снижению термодинамической эффективности такого перегрева. Кроме того, в [66] эффективность использования водородного топлива в цикле влажно-паровой АЭС (двухконтурной) показана в отрыве от продолжительности провального и пикового периода электрической нагрузки. Там же в приведенной схеме с водородным перегревом с целью обеспечения стабильности водород-кислородного сжигания целесообразно использование дожимных компрессорных установок после хранилищ водорода и кислорода (в предположении их хранения в газообразном состоянии). То же самое относится и к схемам в [25, 61]. Также в [25, 66] производство водорода рассматривается на базе электролизных установок невысокой мощности единичных агрегатов, что потребует их в большом количестве и, следовательно, будут иметь место значительные капиталовложения и эксплуатационные затраты.
К настоящему времени освоено большое разнообразие способов хранения водорода, однако среди выработанных рекомендаций относительно применения того или иного способа ни один не увязывается с условиями водородного энер- гетического комплекса. В этой связи рассматривается способ хранения водорода и кислорода в специальных ёмкостях цилиндрического типа незначительно го объёма под давлением.
Методика оценки стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода
В результате проведенного аналитического обзора по различным водородным технологиям можно заключить, что свойства водорода как энергоносителя позволяют рассматривать его в качестве реальной альтернативы существующим углеводородным энергоносителям, что подтверждается разработкой различных схем теплоэнергетических установок с его использованием. При этом одним из перспективных способов производства водорода может являться ме-тод электролиза воды с использованием внепиковой электроэнергии АЭС с обеспечением её базисной электрической нагрузкой.
Наиболее близкими работами по отношению к исследуемой проблеме в настоящей диссертационной работе являются [25, 61, 66]. Однако в этих работах эффективность водородного перегрева рассмотрена вне зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока АЭС для производства водорода и кислорода и без сравнения по конкурентоспособности с какими-либо другими энергоаккумулирующими мощностями в энергосистеме, например, в сравнении с ГАЭС. Следовательно, отсутствует методика оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергокомплекса в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока. При этом не обосновывается устройство для паро-водородного перегрева, но в [84, 85] разработаны некоторые схемы с использованием охлаждающей воды, что приводит к снижению термодинамической эффективности такого перегрева. Кроме того, в [66] эффективность использования водородного топлива в цикле влажно-паровой АЭС (двухконтурной) показана в отрыве от продолжительности провального и пикового периода электрической нагрузки. Там же в приведенной схеме с водородным перегревом с целью обеспечения стабильности водород-кислородного сжигания целесообразно использование дожимных компрессорных установок после хранилищ водорода и кислорода (в предположении их хранения в газообразном состоянии). То же самое относится и к схемам в [25, 61]. Также в [25, 66] производство водорода рассматривается на базе электролизных установок невысокой мощности единичных агрегатов, что потребует их в большом количестве и, следовательно, будут иметь место значительные капиталовложения и эксплуатационные затраты.
К настоящему времени освоено большое разнообразие способов хранения водорода, однако среди выработанных рекомендаций относительно применения того или иного способа ни один не увязывается с условиями водородного энер- гетического комплекса. В этой связи рассматривается способ хранения водорода и кислорода в специальных ёмкостях цилиндрического типа незначительно го объёма под давлением.
На основе проведенного аналитического обзора по вопросам производства, хранения и использования водорода как энергоносителя в энергетике можно поставить цель диссертационной работы — оценка и анализ эффективности интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока (на примере ВВЭР-1000) для производства водорода и кислорода; и для её разработки поставить следующие основные задачи: 1. Разработка наиболее эффективного способа осуществления водородного перегрева свежего пара во влажно-паровых циклах АЭС. 2. Оценка эффективности использования водородного топлива во влажно паровых циклах АЭС в зависимости от доли используемой внепиковой мощно сти энергоблока (на примере ВВЭР-1000) для производства водорода и кисло рода. 3. Оценка эффективности использования «провальной» электроэнергии АЭС в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока для производства водорода и кислорода. 4. Оценка и анализ эффективности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов за счёт электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС. 5. Обоснование системы хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла. 6. Расчёт стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода. 7. Оценка технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом. 8. Анализ эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом в сравнении с ГАЭС. Для условий водородного энергетического комплекса на базе внепиковой электроэнергии АЭС необходимо создание электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов с возможностью работы в условиях частых пусков и остановов без существенного сокращения срока их службы. В данной главе исследуется эффективность производства водорода на базе таких электролизных установок. Так, в 2.1 приводится методика оценки эффективности производства водорода. В 2.2 показана оценка удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности. В 2.3 и 2.4 в предположении наложения опыта производства электролизных агрегатов в настоящее время на вновь создаваемые в перспективе (повышенной мощности) приведено обоснование их основных рабочих характеристик и условий эксплуатации. В 2.5 на основе проведенной оценки эффективности производства водорода разрабатываются условия целесообразности его производства, делается сопоставление себестоимости производства водорода с другими методами.
Оценка эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом
Данный способ хранения водорода в ёмкостях по удельным энергозатратам оказывается конкурентоспособным по сравнению с другими способами, указанные на рисунке 1.6. Так, например, при Ракк = 4,2 МПа и t = 27 С диапазон удельных капиталовложений в ёмкости хранения с увеличением её объёма составляет 5700 - 5400 руб./кг Н2 или 5,7 - 5,4 долл./кВт-ч соответственно (при 1 долл. = 30 руб.). Из сопоставления видно, что хранение водорода в сжатом виде в ёмкостях цилиндрического типа оказывается конкурентоспособным со способом использования химических гидридов. В то же время такие способы хранения водорода, как металлогидридный, криогенный и компримированный в баллонах под высоким давлением оказываются неконкурентоспособными.
Как известно, водород имеет свойство взаимодействовать практически с любыми сталями. Воздействие водорода на сталь происходит в несколько стадий: адсорбция на поверхности стали, термическая диссоциация молекул водорода на атомы, растворение атомарного водорода в стали, диффузия водорода в глубь металла. В результате насыщения стали атомарным водородом, она начинает терять свою механическую прочность [80].
Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При низких температурах, когда кинетическая энергия молекул водорода мала, наблюдается физическая адсорбция. В этом случае контактируемая с газом поверхность стали может заполняться одним или несколькими слоями адсорбированных молекул водорода. При физической адсорбции молекулы газа не диссоциируют на атомы [80].
При повышенных температурах имеет место химическая адсорбция водорода. В этом случае адсорбированные молекулы водорода удерживаются на поверхности стали более прочными химическими связями. Химическая адсорбция вызывается силами химического сродства между молекулами газа и атомами металла. При этом молекулы газа и атомы металла обмениваются электронами с образованием ковалентной или ионной связи (или той и другой). При химической адсорбции происходит термическая диссоциация молекул водорода и формирование поверхностных комплексов. Концентрация растворенного водорода в стали будет зависеть от парциального давления молекулярного водорода и степени его термической диссоциации, которая зависит от температуры. Под степенью термической диссоциации понимается доля молекул подвергшихся диссоциации в результате нагрева водорода [80].
Таким образом, насыщение сталей водородом происходит в результате термической диссоциации молекулярного водорода на поверхности стали (но не в газовой фазе) с образованием различных химических комплексов, чему способствует каталитическое действие стали. Образование молекулы водорода происходит с выделением большого количества теплоты (435 кДж/моль). Выделившаяся энергия характеризует степень устойчивости молекулы водорода, поэтому термическая диссоциация молекул водорода происходит в области высоких температур и при температурах ниже 1000 С она очень мала [80]. Опыт показывает, что заметная термическая диссоциация водорода начинается при температуре 2000 С и стремительно растет с ее повышением [81]. В [82] приводятся данные по пределу применения некоторых конструкционных сталей при различных предельных температурах (tHl ) и парциальных давлениях водорода. В таблице 3.5 для конструкционной низколегированной стали марки 09Г2С приводятся следующие данные. Из приведенных данных в таблице 3.5 следует, что при контакте со сталью марки 09Г2С газообразного водорода с температурой, превышающей указанные значения при указанных давлениях, будет иметь место водородная коррозия стали. Следовательно, принятые параметры хранения водорода Ракк = 2,2—6,4 МПа и t = 7 - 27 С позволяют избежать водородной коррозия стали емкостей для хранения водорода. Системная эффективность интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом Обеспечение базисной электрической нагрузкой АЭС за счёт водородных энергетических комплексов, основанных на внепиковом электропотреблении ставит задачу оценки и анализа их эффективности. Так, в 4.1 приведено описание уточнённой расчётной схемы интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом. Исследуются возможные условия работы водородного энергокомплекса. В 4.2 показан принцип осуществления водородного перегрева свежего пара без использования балластировочного компонента (охлаждающей воды), что позволяет наиболее эффективно осуществлять такой перегрев. В 4.3 и 4.4 приведена методика оценки и результаты расчётов технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 от номинальной мощности. В 4.5 показана оценка возможной экономии условного топлива в энергосистеме в результате покрытия пиков электрической нагрузки за счёт водородного энергетического комплекса с вытеснением соответствующих энергогенерирующих мощностей, потребляющих органическое топливо, например, природный газ. В 4.6 приведена оценка некоторых показателей надёжности водородного энергетического комплекса. В 4.7 анализируется эффективность водородных энергетических комплексов в сравнении с ГАЭС.
