Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями

УДК 621.1+621.039
ББК 31.374+31.47
          А62

Рецензенты:

член-корреспондент РАН, советник РАН В.М. Батенин,

доктор технических наук, профессор Ю.Е. Николаев

Аминов Р.З., Байрамов А.Н.

Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электро- 

станциями / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов ; Саратовский научный центр РАН. –  
М. : Наука, 2016. – 254 с. – ISBN 978-5-02-039956-3.

Показано, что в условиях растущей доли атомных электростанций в структуре ге
нерирующих мощностей энергосистем и неравномерных графиков электропотребления становится экономически оправданным производство водорода на базе внепиковой электроэнергии. Изложены вопросы совершенствования циклов влажно-паровых 
АЭС при их комбинировании с водородными технологиями. Приведены результаты 
исследований по повышению безопасности АЭС за счет создания резервов питания 
собственных нужд на основе водорода в аварийных ситуациях с полным обесточиванием. Рассмотрены вопросы безопасного обращения с водородом.

Для научных работников, специалистов, аспирантов, студентов старших курсов 

теплоэнергетических специальностей.

ISBN 978-5-02-039956-3 
©  Аминов Р.З., Байрамов А.Н., 2016

 
©  Саратовский научный центр РАН, 2016

 
©  ФГУП “Издательство “Наука”,  

редакционно-издательское оформление, 
2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программой развития атомной энергетики России предусмотрено суще
ственное увеличение доли АЭС в энергосистемах Европейской части страны. В связи с этим вопросы повышения безопасности и эффективности их 
работы по условиям обеспечения базисной электрической нагрузкой, а также вопросы эффективного аккумулирования внепиковой электроэнергии 
в условиях неравномерных графиков электропотребления являются особо 
актуальными.

Данная монография посвящена изучению этой проблемы и заключает 

в себе новое развитие возможных путей ее решения. Это относится к поиску путей эффективного комбинирования водородных циклов с атомными 
электростанциями, что создает предпосылки по обеспечению базисной нагрузкой реакторного оборудования. При этом выработанные водород и кислород за счет внепиковой электроэнергии АЭС могут использоваться как 
для выработки дополнительной сверхноминальной мощности на станции, 
так и в качестве товарной продукции. Такой подход полностью отвечает сложившейся концепции водородной энергетики в XXI в., согласно которой 
получение водорода и кислорода предполагается из воды с использованием атомных или возобновляемых источников энергии. В свою очередь, при 
окислении водорода кислородом вновь образуется вода (водяной пар).

Изучение эффективности комбинирования водородного теплоэнергети
ческого цикла с АЭС рассматривается также с позиции поиска наилучших 
путей по обеспечению общестанционного резерва собственных нужд станции на случай крупных системных аварий с обесточиванием.

Весьма важную роль играют вопросы безопасности обращения с водо- 

родом.

Кроме этого, электролизное получение водорода и кислорода сопряжено 

с наработкой тяжелой воды, что может рассматриваться на уровне многопродуктового энергетического производства.

Глава 1 посвящена изучению состояния производства и потребления 

водорода в мире как на современном этапе, так и в перспективном плане. 
Наиболее освоенным в настоящее время является получение водорода из 
природных органических топлив, главным образом на основе паровой конверсии метана. Доля производства водорода методом газификации угля и из 
продуктов переработки нефти невелика. В перспективе предполагается 
значительное увеличение доли производимого водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС и возобновляемых источников энергии. При этом 

открывается возможность использования водорода в качестве источника 
энергии как для выработки пиковой электроэнергии, так и в процессах совершенствования циклов атомных электростанций.

Глава 2 включает научные основы построения водородных циклов в со
четании с влажно-паровыми циклами АЭС. Анализ современных графиков 
потребления электрической энергии указывает на их значительную суточную неравномерность. В этих условиях оказывается оправданным производство водорода и кислорода электролизом воды на базе внепиковой (ночной) 
электроэнергии атомных электростанций с последующим использованием 
их в период максимума электропотребления для покрытия пиковых электрических нагрузок. Комбинирование водородного энергетического комплекса и АЭС потребовало разработок схемно-параметрических решений, 
обоснования систем аккумулирования, а также принципов сжигания водорода в кислородной среде.

Глава 3 посвящена изучению свойств высокотемпературного диссо- 

циированного пара, образующегося при окислении водорода в кислородной 
среде. Рассмотрены основные цепные реакции, протекающие через стадии 
образования активных промежуточных состояний. Построены скелетные 
таблицы диссоциированного водяного пара с началом отсчета от 0 °C и положительными значениями энтальпий во всем диапазоне изменения температур. Выполнен анализ существующих современных горелочных устройств 
для получения высокотемпературного пара. Отмечен достаточно высокий 
уровень недожога водорода в конечном состоянии получаемого пара в этих 
устройствах.

В главе 4 рассмотрены получившие развитие в мировой практике тех
нологии аккумулирования энергии. Для осуществления масштабного аккумулирования, которое необходимо в энергетике, эффективным оказывается сооружение гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Однако 
сооружение ГАЭС требует наличия особых рельефных условий, больших 
запасов воды, отчуждения больших площадей земли под водохранилища, 
длительных сроков сооружения. По этой причине сооружение ГАЭС не получило широкого развития. Альтернативным источником аккумулирования 
энергии может стать водородный энергетический комплекс. Показана конкурентная эффективность комбинирования водородных циклов с получением высокотемпературного пара для осуществления перегрева рабочего тела 
влажно-паровых АЭС. Рассмотрена электрохимическая генерация (топливные элементы) на основе водородных циклов и ее конкурентоспособность на 
современном этапе развития.

В главе 5 рассмотрены пути повышения безопасности АЭС за счет резер
вирования собственных нужд водородным комплексом в аварийных состояниях с полным обесточиванием. Создание таких систем позволит снизить 
риск появления крупных аварий с повреждением активной зоны реакторов. 
На основе метода графов приведена методика укрупненной оценки снижения вероятности крупных аварий на АЭС при резервировании собственных 
нужд водородным комплексом.

Глава 6 связана с изучением безопасного обращения с водородом на 

АЭС. Рассмотрены вопросы взрывопожаробезопасности при хранении, 

транспортировке водорода и использовании высокотемпературного пара 
в паро-водяном цикле АЭС.

Все разделы монографии выполнены под научным руководством доктора 

технических наук Р.З. Аминова. В выполнении отдельных разделов принимали участие кандидат технических наук А.Н. Байрамов (разделы 2.2–2.6, 
главы 1, 4), кандидат технических наук А.Ф. Шкрет, научный сотрудник 
М.В. Гариевский (раздел 2.1), доктор технических наук В.А. Хрусталев, кандидат технических наук А.В. Портянкин (разделы 2.3, 2.6, а также глава 6), 
кандидат технических наук А.А. Гудым (глава 3), кандидат технических наук 
А.Н. Егоров (разделы 2.3, 2.5–2.7, 4.1, а также глава 5), кандидат технических 
наук В.Е. Юрин (глава 5).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного 

фонда (грант № 15-19-10027).

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БРУ
– быстродействующая редукционная установка 

БТЭ
– батареи топливных элементов 

ВАЭС
– воздушно-аккумулирующая электростанция 

ВВЭР
– водо-водяной энергетический реактор 

ВИЭ
– возобновляемые источники энергии 

ВКПГ
– водород-кислородный парогенератор 

ВТГР
– высокотемпературный газоохлаждаемый реактор 

ВЭК
– водородный энергетический комплекс 

ГАЭС
– гидроаккумулирующая электростанция 

ГТУ
– газотурбинная установка 

ГЦН
– главные циркуляционные насосы 

ДВС
– двигатель внутреннего сгорания 

ДГ
– дизель-генератор 

КПД
– коэффициент полезного действия 

КУ
– котел-утилизатор 

КЭС
– конденсационная электростанция 

ПГ
– парогенератор 

ПГУ
– парогазовая установка 

ПКМ
– паровая конверсия метана 

ПТУ
– паротурбинная установка 

РЗМ
– редкоземельные металлы 

РКТЭ
– расплавкарбонатные топливные элементы 

САЭ
– системы аварийного электроснабжения 

СН
– собственные нужды

СНВ
– сплавы-накопители водорода 

СПИН
– сверхпроводящие индуктивные накопители энергии 

СЭХК
– силовые электрохимические конденсаторы 

ТИЭ
– традиционные источники энергии 

ТОТЭ
– твердооксидные топливные элементы 

ТПТЭ
– твердополимерные топливные элементы 

ТУХ
– технология улавливания и хранения

ТЭ
– топливные элементы 

ТЭЦ
– теплоэлектроцентраль 

ФКТЭ
– фосфорно-кислотные топливные элементы 

ЦВД
– цилиндр высокого давления 

ЦНД
– цилиндр низкого давления 

ЧДД
– чистый дисконтированный доход 

ЧПАЗ
– частота повреждения активной зоны 

ЩТЭ
– щелочные топливные элементы 

ЭХГ
– электрохимический генератор

Г Л А В А  1

СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА  

И ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДОРОДА В МИРЕ  

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ И В ПЕРСПЕКТИВЕ.  

ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА 

В ЦИКЛАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Существующие способы производства водорода базируются на исполь
зовании в качестве исходного сырья угля и природного газа (паровая и парокислородная конверсия), воды (электролиз, фотолиз и радиолиз), сероводорода (химическое и плазмохимическое разложение) и некоторых других 
водородсодержащих веществ. Основное направление совершенствования 
всех процессов производства водорода состоит в уменьшении капитальных 
затрат и эксплуатационных расходов, увеличении надежности и технологической гибкости.

На рис. 1.1 показано долевое участие различных путей производства во
дорода в настоящее время [1].

В табл. 1.1 приведены данные по ценам на водород различных россий
ских организаций.

Получение водорода из природных органических топлив в настоящее 

время является наиболее широко освоенным процессом. Основная технология – паровая конверсия метана. Как видно на рис. 1.1, по указанной технологии получают около 85% производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой энергетической эффективностью (порядка 80%), 
его реализацией на уровне крупномасштабного производства, сравнительно 
невысокой стоимостью и отлаженностью инфраструктуры транспортировки 
исходного сырья.

Доля производства водорода методом газификации угля не превышает 

4%, столько же приходится на электролизный метод получения водорода. 
Производство водорода из газообразных продуктов переработки нефти – относительно развитый и распространенный метод (доля в структуре мирового производства 7%), очевидно, его доля будет снижаться ввиду удорожания 
и истощения запасов исходного сырья.

Эксперты многих стран мира считают, что уже в первой половине XXI в. 

заметную роль в развитии мировой энергетики предстоит сыграть водороду [2].

Наиболее последовательно в этом отношении выступает Евросоюз. Так, 

в World Energy Technology Outlook-2050 (WETO H2), экспертами Еврокомиссии представлен, наряду с базовым, водородный сценарий развития мировой 
экономики, предусматривающий значительное участие технологий водородной энергетики. Важное место в исследовании отведено анализу этих двух 
альтернативных сценариев [2].

Базовый сценарий предполагает производство водорода на базе тради
ционных источников энергии (уголь, нефть, газ) путем термохимической 
конверсии первичной энергии [2].

Водородный сценарий – производство водорода на базе альтернативных, 

в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), включая гидро- 
энергетику, путем электролиза воды [2].

В соответствии с водородным сценарием Еврокомиссии широкомас
штабное производство водорода в мире начнется после 2030 г. и будет стимулироваться существенным снижением стоимости водородных технологий 
и ростом потребления водорода в транспортном секторе. С 2030 по 2050 г. 

Таблица 1.1. Цена продажи газообразного сжатого водорода различными российскими 
организациями (2015–2016 гг., без учета НДС)

Чистота водорода, 

%

“ПГС Сервис”, 

г. Москва

ПТК “Крио
ген”, г. Арамиль 
(Свердловская 

обл.)

ООО “ОксиГаз-Сервис”, 

г. Нижний 
Новгород

“Уралкриогаз”, 
г. Екатеринбург

Водород особой 
чистоты, марка А 
(99,99999)

1974 руб./нм3
21 933 руб./кг

—
—
2121 руб./нм3
23 567 руб./кг

Водород особой 
чистоты, марка Б
(99,9999)

1733 руб./нм3
19 256 руб./кг

1697 руб./нм3
18 856 руб./кг

—
1750 руб./нм3
19 444 руб./кг

Водород особой 
чистоты, марка В 
(99,999)

—
1262 руб./нм3
14 022 руб./кг

—
1273 руб./нм3
14 144 руб./кг

Водород техни- 
ческий, марка А 
(99,99)

275 руб./нм3
3056 руб./кг

385 руб./нм3
4278 руб./кг

315 руб./нм3
3500 руб./кг

284 руб./нм3
3156 руб./кг

Рис. 1.1. Структура мирового производства водорода

производство водорода вырастет до 1 млрд т н.э. (1 тонна нефтяного эквивалента равна 41,868 ГДж, или 11,63 МВт·ч) (в базовом сценарии объем производства водорода в конце 2050 г. составит 250 млн т н.э.). К 2050 г. водород, 
по водородному сценарию, будет обеспечивать 13% конечного потребления 
энергии по сравнению с 2% в базовом сценарии [2].

На рис. 1.2 показаны структура и объемы производства водорода в ми
ровом энергобалансе на период до 2050 г. [2]. Причем 2/3 объема водорода до 
2030 г. будет производиться на традиционных источниках энергии (ТИЭ), из 
которых 40% – паровым риформингом природного газа и 60% – газификацией угля. Впоследствии из-за высокой стоимости технологий улавливания 
и хранения диоксида углерода производство водорода на базе угля и природного газа упадет до 10%. Доля ВИЭ в производстве водорода к концу рассмат- 
риваемого периода составит 50% и АЭС – 40%. При этом доля биомассы 
в производстве водорода составляет 70% всех ВИЭ. Около 65% предприятий 
по производству водорода на базе ТИЭ в 2050 г. будут оснащены технологией улавливания и хранения (ТУХ) диоксида углерода по сравнению с 35% 
в 2030 г.

На рис. 1.3 приведена структура производства водорода в мире на пер
спективу. Согласно водородному сценарию в 2050 г. доли АЭС и ТЭС на угле 
и природном газе в производстве электроэнергии составят соответственно 
38 и 32%, доля ВИЭ (включая большую и малую гидроэнергетику, геотермальные, ветровые и солнечные электростанции, а также электростанции на 
биомассе и отходах) – 29%. В то же время при производстве водорода будут 
лидировать ВИЭ – 52%, на втором месте АЭС – 38%.

Рис. 1.2. Производство водорода в мировом энергобалансе на перспективу (водородный сценарий), млн т н. э.

1, 2 – электролиз воды: 1 – на базе ВИЭ; 2 –на базе АЭС; 3 – риформинг природного газа; 

4 – газификация угля

Рис. 1.3. Структура производства водорода в мире на перспективу (водородный сценарий), млн т н.э.

1, 2 – электролиз на базе: 1 – ветроэнергоустановок и электроэнергии из энергосистемы; 

2 – на базе АЭС; 3 – термолиз на базе АЭС; 4 – термолиз на базе солнечных энергоустановок 
и газификация биомассы; 5 – газификация угля в комбинировании с технологией улавливания и хранения СО2;  6 – газификация угля; 7 – риформинг природного газа с комбинированием технологии улавливания и хранения СО2; 8 – риформинг природного газа

Рис. 1.4. Потребление водорода по секторам мировой экономики (водородный сценарий), млн т н.э.

1 –жилой комплекс/услуги; 2 –транспорт; 3 – промышленность