采用封闭氢循环技术以扩大核电厂控制范围的技术和经济合理性论证

《International Journal of Hydrogen Energy》：Technical and economic justification for the use of a closed hydrogen cycle to expand the control range of a nuclear power plant

　　

A.N. Egorov|D.M. Anoshin|D.A. Makarov|V.E. Yurin

以尤.A.加加林命名的萨拉托夫国立技术大学，Politekhnicheskaya St. 77，410054，俄罗斯联邦萨拉托夫

摘要

核电站 在电力系统中的比重不断增加，这要求它们必须参与调节日常电力需求的波动，而这可能对其经济效率产生不利影响。在当前系统条件下，确保核电站经济效率的一种有前景的方法是将氢能综合体整合到核电站的发电单元中。这种综合体能够在核电站非高峰时段以氢气和氧气的形式储存能量，目的是在高电力需求期间通过燃烧储存的气体来增加发电单元的容量。本文研究了一种具有闭合氢循环的氢能综合体，该综合体显著提高了核电站使用氢燃料的安全性。鉴于这项技术的前景，本研究提出了对其进行技术和经济分析的任务，并将其与其他储能技术进行比较。考虑的替代方案包括：抽水蓄能水电厂；基于相变材料的热能储存系统；可逆燃料电池。根据研究结果，开发了一个诺模图，用于评估不同初始条件下氢能综合体的技术和经济效率。所得结果证实了将氢能综合体与核电站发电单元结合的方案具有进一步发展的潜力。

引言

根据当前的全球脱碳议程，预计未来几十年内可再生资源（RES）和核电站（NPP）将在电力系统中得到大规模整合。然而，可再生资源的高渗透率加上核电站有限的运行灵活性可能会对电网的稳定性和运行效率产生不利影响。

与可再生资源相关的一个根本挑战是它们发电量受气象条件的直接影响，这降低了电力系统对外部干扰的抵御能力，并危及电网的稳定性。历史事实表明，在可再生资源发电占比高的电力系统中发生过全网停电事件。2025年4月，伊比利亚半岛（葡萄牙和西班牙）记录了一次大规模的发电单元与电网断开连接的案例。事故的起因是西班牙和法国电力系统之间的电力互联线路断裂。事故发生时，可再生资源设施占西班牙电力系统发电量的70%。互联线路的断裂导致孤立的西班牙电网频率迅速上升，由于技术限制，可再生资源设施不得不紧急停机以补偿功率失衡并提供频率支持。随后，大量可再生发电单元的断开导致了发电量严重不足，进而引起了超负荷和其余传统发电厂的自动跳闸[[1], [2], [3]]。

核电站的机动性能使它们能够在较低的负载水平下运行，并能够充分满足电力需求的波动，法国的经验证明了这一点，法国的核电站发电量占比最大。然而，核电站的特点是资本投资巨大（这源于严格的安全标准），且相比化石燃料发电设施，燃料成本相对较低。因此，这些特点要求确保核电站以尽可能高的容量利用率（CUF）运行。

在强制降低核电站负荷的情况下，根据系统条件的不同，其经济表现可能会显著恶化。同时，随着核电站在能源结构中的比重增加，调节可变电力负荷的需求也随之出现，这使得在电力需求较低的时期需要减少核电站的出力。俄罗斯联邦2050年的能源战略中也规定了此类措施[4]。相比之下，法国的能源政策旨在减少对核能发电的依赖[5]。

上述因素推动了储能系统（ESS）领域的深入研究和开发，这些系统能够储存多余的能源，并在电力系统的高需求时段释放出来。目前有多种成熟的储能技术可供选择：

1)

抽水蓄能水电厂（受到水资源和地形条件的限制）；

2)

热能储存系统（具有较高的质量和体积参数）[6]；

3)

电能储存系统（目前具有较高的质量和体积参数以及成本；电池电池快速劣化的潜在问题也可能出现）[7,8]；

4)

其他储能方法，如压缩气体储能和低温气体储能、重力储能等（效率相对较低且成本较高）[9]。

储存多余能源的一种有前景的方法是通过水电解生产并储存氢气和氧气。这种方法克服了上述储能系统的许多限制。氢气的生产、储存和利用技术的主要缺点包括其相对较高的成本和易燃性（存在爆炸风险）。这些因素需要额外的资源和新的技术解决方案来确保必要的安全水平，特别是在富含氧气的环境中燃烧氢气时[10,11]。

这项技术使得可以利用核电站的多余能源为电解单元提供动力，同时生产和储存氢气和氧气。在高电力需求期间，氢气可以在氧气环境中燃烧，从而在核电站循环中产生额外的热量。这反过来可以提高发电单元的发电量。

氢能技术的应用将使核电站能够适应满足日常电力需求波动的要求，同时保持或提高发电单元的经济效率。

章节片段

在核电站中使用具有闭合氢循环的氢能复合体的方法

之前已经开发并研究了将核电站发电单元与具有闭合氢循环的氢能综合体结合的方案[[12], [13], [14]]。在参考文献[15]中，作者比较了多种实现闭合氢循环以提高核电站经济效率和机动性的方案。基于这项分析，选择了最具前景的方案进行进一步研究。图1展示了所选的集成方案

带有辅助湿蒸汽涡轮机的氢能复合体的资本投资估算

对于所考虑的方案，已经确定了核电站内氢气和氧气生产、储存及利用所需的主要设备的投资，以及氢能综合体所需的全部资本投资。

在作者[30]的研究中，根据选定的非高峰期发电容量、所需的氢/氧储存压力以及充电和

结合核电站与氢能复合体的经济效率的比较评估

根据俄罗斯联邦的税收法，对财产税和折旧成本进行了计算，其中使用寿命（ULP）根据监管法案[37]确定，该法案对纳入折旧组的固定资产进行了分类。本研究采用了线性折旧方法。计算期间考虑了设备的年度维护成本，占总资本投资的2%

系统效应

除了对氢能综合体效率进行技术和经济比较评估之外，还必须考虑系统效应对最终内部收益率（ANPV）的影响，这主要反映了通过使用氢能综合体在核电站替代燃气轮机单元后所节省的燃料成本。

考虑到系统效应和非高峰期未售出的电力，实施氢能综合体在核电站中的年收入

结论

• 1.
  已知的将具有闭合氢循环的氢能综合体集成到核电站发电单元中的方案得到了改进。该方案在满足某些条件的情况下，能够在电力需求不均衡的情况下使核电站高效运行。根据所制定的方案，氢能综合体（包括额外涡轮机）的全部资本投资为2.135亿美元。
• 2.

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持（授权号：23-79-10287，链接：https://rscf.ru/project/23-79-10287/