Особенности электролиза воды высокого давления при оценке термодинамической эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом

Актуальность. Исследования комбинирования АЭС с водородным комплексом обосновывается необходимостью адаптации атомных станций к переменному энергопотреблению в течении суток в условиях их привлечения к регулированию неравномерности суточных графиков электрической нагрузки при сохранении базисной нагрузки.

Цель. Оценка термодинамической эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом для покрытия пиковой нагрузки в энергосистеме с учетом особенностей процесса электролиза воды под высоким давлением.

Методы. На основе мирового опыта проанализирован механизм перекрестного проникновения водорода и кислорода, а также решения, направленные на предотвращение этого явления. Оценка термодинамической эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом выполнялась на основе математико-термодинамической модели развернутой тепловой схемы ПТУ АЭС с использованием формуляций IAPWS-IF97.

Результаты. На основе обобщенного анализа авторами установлена и объяснена закономерность снижения КПД электролиза с ростом давления из-за явления перекрестного проникновения. Разработаны комплексные номограммы закономерности влияния рабочего давления на основные характеристики электролиза, в частности, КПД, удельный расход электроэнергии на производство водорода, рабочее напряжение на ячейке. Получено, что водородный комплекс на основе электролиза высокого давления оказывается эффективнее системы с использованием компрессоров по критериям преобразованию провальной мощности в пиковую и КПД АЭС.

Выводы. Авторами разработан и запатентован новый принцип комбинирования АЭС с водородным комплексом на основе электролиза воды высокого давления и показана его эффективность в условиях влияния перекрестного проникновения водорода и кислорода в сравнении с системой при использовании компрессорных машин в составе водородного комплекса.

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. / Правительство Российской федерации. – Москва, 2020 г. – 79 с.

2. Егоров А.Н., Байрамов А.Н. Электролиз воды и обратимые топливные элементы – перспективные «зеленые» технологии для водородной энергетики // Энергобезопасность и энергосбережение. 2023. Т.3. №111. С. 23-32.

3. Байрамов А.Н., Макаров Д.А. Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией. Патент РФ на изобретение №2821330. 21.06.2024. Бюл. № 18.

4. Байрамов А. Н., Макаров Д. А. Разработка и обоснование нового принципа комбинирования АЭС с водородным комплексом // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2024. Т. 5. №422. С. 30-50.

5. Байрамов А. Н. Разработка научных основ повышения эффективности АЭС при комбинировании с водородным комплексом [Текст]: дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук: 05.14.01 / Артем Николаевич Байрамов; науч. конс. Р. З. Аминов. – Саратов, 2022. – 397 с.

6. Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями. М.: Наука, 2016. 254с.

7. Schalenbach M., Carmo M., Fritz D.L., et al. Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38, N35. pp. 14921-14933.

8. Dang J., Li Y., Liu B., et al. Design and economic analysis of high-pressure proton exchange membrane electrolysis for renewable energy storage // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, N28. pp. 10377-10393.

9. Sethuraman V., Weidner J., Haug A., et al. Hydrogen Peroxide Formation Rates in a PEMFC Anode and Cathode: Effect of Humidity and Temperature // Journal of The Electrochemical Society. 2008. Vol. 155, N1.

10. Kopitzke R., Linkous C., Anderson R., et al. Conductivity and Water Uptake of Aromatic-Based Proton Exchange Membrane Electrolytes // Journal of The Electrochemical Society. 2000. Vol. 147, N5. pp. 1677-1681.

11. Slade S., Campbell S., Ralph T., et al. Ionic Conductivity of an Extruded Nafion 1100 EW Series of Membranes // Journal of The Electrochemical Society. 2002. Vol. 149, N12. pp. 1556-1564.

12. Silva R., Francesco M., Pozio A. Tangential and normal conductivities of Nafion® membranes used in polymer electrolyte fuel cells // Journal of Power Sources. 2004. Vol. 134, N1, pp. 18-26.

13. LaConti A., Liu H., Mittelsteadt C. Polymer electrolyte membrane degradation mechanisms in fuel cells – findings over the past 30 years and comparison with electrolyzers // ECS Transactions. 2006. Vol. 1, N8. pp. 199-219.

14. Millet P., Ngameni R., Grigoriev SA, et al. PEM water electrolyzers: From electrocatalysis to stack development // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol 35, N10. pp. 5043-5052.

15. Grigoriev SA, Fateev VN, Bessarabov DG, et al. Current status, research trends, and challenges in water electrolysis science and technology // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, N49. pp. 26036-26058.

16. Yigit T., Selamet O. Mathematical modeling and dynamic Simulink simulation of high-pressure PEM electrolyzer system // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41, N32. pp. 13901-13914.

17. Якименко Л. М., Модылевская И.Д., Ткачек З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970. 263с.

18. Bensmann B., Hanke-Rauschenbach R., Arias I., et al. Energetic evaluation of high pressure PEM electrolyzer systems for intermediate storage of renewable energies // Electrochimica Acta. 2013. Vol. 110. pp. 570-580.

19. Degiorgis L., Santarelli M., Cali M. Hydrogen from renewable energy: A pilot plant for thermal production and mobility // Journal of Power Sources. 2007. Vol. 171, N1. pp. 237-246.

20. Marangio F., Santarelli M., Cali M. Theoretical model and experimental analysis of a high pressure PEM water electrolyser for hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, N3. pp. 1143-1158.

21. Волощенко Г.Н., Порембский В.И. Электролизная установка высокого давления. Патент РФ на изобретение №2660902. 11.07.2018. Бюл. № 20.

22. Сьоли Д. Электролизер высокого давления. Патент РФ на изобретение №2496918. 27.10.2013 Бюл. № 30.

23. Kim H., Park M., Lee K. One-dimensional dynamic modeling of a high-pressure water electrolysis system for hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38, N6. pp. 2596-2609.

24. Ito H., Maeda T., Nakano A., et al. Properties of Nafion membranes under PEM water electrolysis conditions // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, N17. pp. 10527-10540.

25. Zawodzinski T., Davey J., Valerio J., et al. The water content dependence of electro-osmotic drag in proton-conducting polymer electrolytes // Electrochimica Acta. 1995. Vol. 40, N3. pp. 297-302.

26. Sartory M., Wallnöfer-Ogris E., Salman P., et al. Theoretical and experimental analysis of an asymmetric high pressure PEM water electrolyser up to 155 bar // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N52. pp. 30493-30508.

27. Grigoriev SA, Millet P., Korobtsev SV, et al. Hydrogen safety aspects related to high-pressure polymer electrolyte membrane water electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, N14. pp. 5986-5991.

28. Добровольский Ю.А., Волков Е.В., Писарева А.В., и др. Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). 2006. Т. 1. №6. С. 95-104.

29. Klose C., Trinke P., Böhm T., et al. Membrane Interlayer with Pt Recombination Particles for Reduction of the Anodic Hydrogen Content in PEM Water Electrolysis // Journal of The Electrochemical Society. 2018. Vol. 165, N16.

30. Correa G., Marocco P., Muñoz P., et al. Pressurized PEM water electrolysis: Dynamic modelling focusing on the cathode side // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47, N7. pp. 4315-4327.

31. Hancke R., Holm T., Ulleberg O. The case for high-pressure PEM water electrolysis // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 261, N115642.

32. Dang J., Zhang J., Deng X., et al. Hydrogen crossover measurement and durability assessment of high-pressure proton exchange membrane electrolyzer // Journal of Power Sources. 2023. Vol. 563, N232776.

33. Grigoriev SA, Porembskiy VI, Korobtsev SV, et al. High-pressure PEM water electrolysis and corresponding safety issues // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, N3. pp. 2721-2728.

34. Кулешов Н.В., Григорьев С.А., Кулешов В.Н., и др. Низкотемпературные электролизеры воды для автономных энергоустановок с водородным накоплением энергии // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2013. Т. 06/1. №127. С. 23-27.

35. Hancke R., Bujlo P., Holm T., et al. High-pressure PEM water electrolyser performance up to 180 bar differential pressure // Journal of Power Sources. 2024. Vol. 601, N234271.

36. Hourng L., Tsai T., Lin M. The analysis of energy efficiency in water electrolysis under high temperature and high pressure. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Conference on New Energy and Future Energy System (NEFES 2017), Kunming, China. 22-25 Sep 2017.

37. Байрамов А.Н. Программа вычисления технико-экономической эффективности использования водородных надстроек на АЭС. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660650. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14 ноября 2013 г.

38. Holm T., Borsboom-Hanson T., Herrera O., et al. Hydrogen costs from water electrolysis at high temperature and pressure // Energy Conversion and Management. 2021. Vol. 237, N114106.

39. Hamdan M. High Pressure PEM Electrolysis: Status, Key Issues, and Challenges. In: Electrolytic Hydrogen Production Workshop NREL, Golden, Colorado. 27-28 Feb 2014. Available at: https://www.energy.gov/sites/default/files/2014/08/f18/fcto_2014_electrolytic_h2_wkshp_hamdan1.pdf