Перспективы эффективности ГАЭС и водородных надстроек на АЭС при неравномерном потреблении электроэнергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.039.533.6

В.А. Хрусталев, А.В. Портянкин

ПЕРСПЕКТИВЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЭС И ВОДОРОДНЫХ НАДСТРОЕК

НА АЭС ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ3

Статья посвящена сравнительной эффективности сооружения ГАЭС и водородных надстроек на АЭС при неравномерном потреблении электроэнергии. Обоснованы последовательные сценарии реализации ввода водородных надстроек на АЭС.

Атомная электрическая станция, гидроаккумулирующая электростанция, водородная надстройка

V.A. Khrustalyov, A.V. Portyankin

PROSPECTS OF EFFICIENCY OF STORAGE POWER STATIONS AND HYDROGEN SUPERSTRUCTURES ON ATOMIC POWER STATION AT THE NON-UNIFORM ELECTRIC POWER CONSUMPTION1

Article is devoted comparative efficiency of construction storage power station and hydrogen superstructures on the atomic power station at non-uniform electric power consumption. Consecutive scenarios of realizations of input of hydrogen superstructures on the atomic power station are proved.

Atomic power station, storage power station, hydrogen superstructur.

По энергетической стратегии России на период до 2020 года [1] для обеспечения надёжного функционирования единой энергетической системы России при неравномерном потреблении электроэнергии в условиях увеличения доли базисных атомных электрических станций (АЭС) в европейской части страны предусмотрено сооружение гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС).

Электроэнергия, вырабатываемая недогруженными электростанциями энергосистемы (в основном в ночные часы суток), используется ГАЭС для перекачивания воды насосами или обратимыми гидротурбинами из нижнего водоёма в верхний, аккумулирующий бассейн. Количество аккумулированной электроэнергии определяется ёмкостью бассейнов и рабочим напором ГАЭС. Верхний бассейн ГАЭС может быть искусственным или естественным (например, озеро); нижним бассейном нередко служит водоём, образовавшийся вследствие перекрытия реки плотиной [2].

3 Статья выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 09-08-00496 а, 09-08-13533 офи-ц)

196

Таким образом, возможны следующие способы работы ГАЭС:

1 При перекрытии реки плотиной, воду можно забирать с нижнего уровня плотины и перекачивать в верхний уровень (самый дешевый способ, так как подобную ГАЭС можно использовать на действующих ГЭС);

2 Сооружение одного дополнительного верхнего бассейна, со сбросом воды в реку;

3 Сооружение двух бассейнов верхнего и нижнего.

Основными недостатками данных способов работы ГЭАС являются следующие:

1 Нельзя использовать Г АЭС в весенний и зимний периоды, что может привести особенно в зимнее время к обмелению участков реки ниже плотины и гибели рыбы;

2 Сброс воды в реку с верхнего бассейна может привести к поднятию со дна ила, что в экологическом отношении недопустимо;

3 Сооружение двух бассейнов - самый дорогой способ, связанный с изъятием наибольшей площади. К тому же необходимы естественные геодезические условия. В России их практически нет.

Общий КПД ГАЭС в оптимальных расчётных условиях работы приближается к 0,75; в реальных условиях среднее значение КПД с учётом потерь в электрической сети не превышает 0,66 [2].

Существует другой альтернативный способ покрытия переменных нагрузок с помощью водородных надстроек на АЭС. Суть способа заключается в следующем: в провальные часы графика электрических нагрузок часть электроэнергии выработанной электрогенератором турбоустановки энергоблока АЭС, расходуется на электролиз воды в блоке электролизеров для получения водорода и кислорода, которые направляются в хранилище. В пиковые часы графика электрических нагрузок, запасенные водород и кислород направляются в камеру сгорания. В камере сгорания в результате горения водорода в кислородной среде образуется пар, который используется для получения пиковой электрической мощности [3].

Произведем сравнение водородной надстройки (ВН) с ГАЭС, расположенной вблизи АЭС при одинаковом отпуске пиковой электроэнергии при следующих исходных данных таблица 1 по курсу 1 долл. = 30 рублей.

Таблица 1

Исходные данные для расчета Г АЭС и ВН на АЭС___________________

Показатель Значение

ГАЭС ВН

Пиковая мощность, МВт 50 50

Удельные капиталовложения, долл./кВт 1500 5000

Коэффициент рекуперации электроэнергии, % 70 25

Доля постоянных издержек от капиталовложений, % 10 10

В таких условиях себестоимость вырабатываемой пиковой электроэнергии от ГАЭС составит 3 руб./кВт^ч, а от водородной надстройки 9,5 руб./кВт^ч.

В настоящем примере водородная надстройка для отпуска пиковой электроэнергии не конкурентоспособна в сравнении с ГАЭС.

Однако водородная надстройка может покрыть 200 МВт провальной мощности, отдавая 50 МВт - пиковой. При покрытии ГАЭС 200 МВт провальной мощности, пиковая мощность может составить 140 МВт, из которых 68,5 МВт у потребителя окажется невостребованной. Следовательно, ГАЭС будет работать не на полную расчетную мощность, т.е. с пониженным КПД.

Рассмотрим базовый случай, когда провальная мощность на АЭС составляет 200 МВт, а пиковая потребная мощность 50 МВт. В таком случае возможна совместная работа ГАЭС с водородной надстройкой АЭС, на которую будет приходиться 128,5 МВт провальной мощности. Водородная надстройка работает для коммерческой продажи водорода и кислорода чистотой 99,999%.

Таким образом, от совместной работы ГАЭС с водородной надстройкой на АЭС будет достигаться наибольший эффект:

- полное покрытие ночного провала нагрузки;

- соблюдение баланса пиковой мощности при высоком КПД ГАЭС.

При совмещении работы ГАЭС с водородной надстройкой скорее начнется внедрение водородных технологий на АЭС, в которые уже в ближайшее время в это связи может начаться снижение удельных капиталовложений.

После 2015 - 2020 гг. при дальнейшем строительстве ГАЭС возникнет необходимость в отводе больших площадей под сооружение бассейнов и проблема нахождения территорий, где их можно построить с минимальными (приемлемыми) экологическими последствиями.

Сооружение электролизного цеха, хранилищ водорода и кислорода потребует отвода намного меньшей площади по сравнению с ГАЭС. С развитием новых технологий производства, хранения водорода и кислорода потребная площадь строительства уменьшится в несколько раз. Этому должны объективно способствовать следующие факторы:

1 Сооружение электролизного цеха из 2-4 электролизных установок большой мощности по сравнению с установками малой единичной мощностью с числом 50 и более в нынешнее время.

2 Водород и кислород в больших количествах и более безопасно будет храниться в компактных системах хранения в связанном состоянии в легком дешевом пористом материале.

к

5

X

I

О

ц

ш

о

5

с

2

о

л

X

л

5

5

■5%

• 10% ■ 15%

Год

Рис. 1. Удельные капиталовложения в ГАЭС при ежегодном росте на 5,10,15 %

Таким образом, электролизный цех с компактной и безопасной системой хранения водорода и кислорода может располагаться полностью на площадке АЭС площадью в несколько сотен м2.

Из-за отвода большого количества земли под Г АЭС и установлением новых нормативов на использование земельных и водных ресурсов с 2015-2020 гг. начнет дорожать удельная площадь, отводимая под сооружения. Все это приведет к опережающему росту удельных капиталовложений в ГАЭС.

Спрогнозируем ежегодный рост удельных капиталовложений 5,10,15 % в ГАЭС с 2015 г. по 2040 от 1500 до 3000 долл./кВт, приведенный на рис. 1.

К 2015 г. в зависимости от внедрения водородных технологий удельные капиталовложения могут составить 4500,4000,3500 долл./кВт. Себестоимость электроэнергии в ГАЭС в 2015 г. будет на уровне 3 руб./кВт ч, а от водородной надстройки в зависимости от удельных капиталовложений составит при 4500 долл./кВт - 8,9 руб./кВт ч,

4000 долл./кВт - 8,2 руб./кВт ч и 3500 долл./кВт - 7,5 руб./кВт ч.

Произведем расчет себестоимости электроэнергии с 2015 г. по 2040 г. от ГАЭС и от водородной надстройки (рис.2-4) (при снижении удельных капиталовложений в последнюю на 5 % в год)

5

5

и

а

ф

х

§ £ о5 £

I! *

Год

Рис. 2. Себестоимость электроэнергии ГАЭС и водородной надстройки (при снижении удельных капиталовложений в последнюю на 3 % в год)

Год

Рис. 3. Себестоимость электроэнергии ГАЭС и водородной надстройки

5

5

|_

а

о

х

6г 7

® V

5 V

Л -

ю

а

О

Год

Рис. 4. Себестоимость электроэнергии ГАЭС и водородной надстройки (при снижении удельных капиталовложений в последнюю на 10 % в год)

Из рис. 2 видно, что при принятом снижении удельных капиталовложений в водородную надстройку себестоимость пиковой энергии от нее будет выше, чем от ГАЭС в течение всего рассматриваемого горизонта времени. В дальнейшем этот вариант не анализировался.

При таком сценарии внедрения водородных технологий рисунок 3 себестоимость пиковой энергии от водородной надстройки будет равна себестоимости энергии ГАЭС только через 19,21 и 23 года.При снижении на 10 % в год рисунок 4 себестоимости пиковой энергии от водородной надстройки и от ГАЭС будут равны через 10 - 16 лет.

Представленные выше данные рисунки 2-4 по сравнительной себестоимости пиковой электроэнергии от ГАЭС и от водородной надстройки АЭС в целом не противоречат приоритетам энергетической стратегии России по плановому вводу Г АЭС до 2020 г.

Проанализирована эффективность следующих вариантов рисунки 3,4.

При этом учтены требования временного выравнивания начала энергетического эффекта. Исходные данные для расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2

Исходные данные для расчета эффективности ГАЭС и ВН на АЭС

Показатель Значение

ГАЭС ВН

Срок строительства, год 5 3

Начало строительства, год 2015 и т.д. 2017 и т.д.

Ввод в эксплуатацию, год 2020 и т.д.

Горизонт расчета до, год 2040

В связи с вышесказанным оптимальным вариантом будем считать, начало строительства водородной надстройки начнется с 2020 г., а умеренным - до 2025 г. и будет эффективней строительства ГАЭС.

Так, по результатам расчета только у наиболее оптимального варианта (рис. 4) себестоимости пиковой энергии от водородной надстройки и от ГАЭС равны через 10 лет. Поэтому целесообразно сооружение водородной надстройки до 2020 г. с отпуском электроэнергии потребителю, начиная с 2020 г.

В менее оптимистичных сценариях динамики ценовых показателей сопоставляемых источников пиковой мощности рис. 3,4 устойчивая конкурентоспособность водородных надстроек будет обеспечиваться с их пуском, начиная с 2025 г.

Таким образом, предварительно обоснованы последовательные сценарии реализации поэтапного ввода водородных надстроек на АЭС.

До 2020 г. целесообразно совместное использование как ГАЭС с отпуском пиковой электроэнергии, так и водородных надстроек на АЭС с отпуском только водорода и кислорода.

После 2020 г. ввод и сооружение водородных надстроек на АЭС становится эффективнее ГАЭС. В этот период целесообразно эксплуатация уже построенных ГАЭС, а также расширенный ввод водородных надстроек двойного назначения с отпуском пиковой энергии, а также производством водорода и кислорода высокой чистоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года [Электронный ресурс]. иЯЬ: http://www.minprom.gov.rU/docs/strateg/1 (дата обращения: 7.09.2009).

2. Гидроаккумулирующая электростанция [Электронный ресурс]. иЯЬ:

http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Гидроаккумулирующая%20электростанция/ (дата обращения: 7.09.2009).

3. Крылов М. К., Портянкин А. В. Новые подходы повышения электрической мощности АЭС с ВВЭР при применении водородных технологий // Проблемы энергетики. - Казань: Изд-во Казан. гос. эн. ун-та, 2006, № 7-8. С.110-114.

BIBLIOGRAPHY

1. Power strategy of Russia for the period till 2020 [the Electronic resource]. URL: http://www.minprom.gov.ru/docs/strateg/1 (reference date: 9/7/2009).

2. Hydroheat-sink power station [the Electronic resource]. URL: http://slovari.yandex.ru / ~ books / hydroaccumulating/BSE/Gidroakkumulirujushchaja power station / (date about-rashchenija: 9/7/2009).

3. Krylov M. K, Portjankin A.V. New approaches of increase of electric capacity of the atomic power station with ВВЭР at application of hydrogen technologies//power Problems. - Kazan: Publishing house Kazan. gov. en. Un y, 2006, № 7-8. p.110-114.

Хрусталев Владимир Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции»

Саратовского государственного технического университета Портянкин Алексей Владимирович -ассистент кафедры «Тепловые электрические станции» Саратовского государственного технического университета

Khrustalyov Vladimir Aleksandrovich -

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Thermal power station» of Saratov State Technical University

Portyankin Aleksey Vladimirovich -

Junior Member of Teaching Staff of the Department of «Thermal power station» of Saratov State Technical University