Источник: New Energy Exploitation and Application (2024). DOI: 10.54963/neea.v3i1.234
Энергетическая инфраструктура будущего может сильно отличаться от инфраструктуры, на которую мы полагаемся сегодня. Исследования группы экспертов из Национальной ядерной лаборатории показывают, что производство водорода с использованием ядерной энергии может быть экономически выгодным.
Это исследование было опубликовано в журнале New Energy Exploitation and Application.
Марк Бэнкхед, менеджер группы химического моделирования, объясняет предысторию исследования: «Водород и альтернативные жидкие виды топлива на основе водорода являются ключевым фактором, позволяющим Великобритании достичь нулевых выбросов к 2050 году. Ядерная энергетика может быть объединена с различными технологиями производства водорода. Чтобы информировать нашу стратегию по демонстрации ценности этих технологий к 2030-м годам, мы разработали модель, которая дает представление об их технико-экономических показателях.
«Существуют конкурентные преимущества термохимического производства водорода в сочетании с высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (HTGR), и мы знаем, что предстоит еще много работы по оптимизации этих технологий и реализации потенциала этой технологии».
Новый способ определения эффективности и затрат
В новом подходе к определению экономики этих технологий была построена новаторская математическая модель, которая связала ядерную энергетику с технологией производства водорода. Модель позволяет связать разные технологии производства водорода, что означает возможность сравнения разных сценариев.
Модель была построена в двух частях. Во-первых, были смоделированы физические и химические процессы различных технологий производства водорода. Это дало новый метод определения общей эффективности этих промышленных процессов путем выражения выхода модели в виде единиц произведенного водорода на единицу поставленной энергии. Во второй части модели эта мера эффективности была введена в экономическую модель.
Кейт Тейлор, специалист по моделированию процессов в NNL, работавшая над экономической моделью, говорит: «Чтобы определить продажную цену водорода, модель объединяет стоимость строительства и эксплуатации водородного завода со стоимостью электроэнергии и/или тепла, необходимых для его поставки.
«Мы также включили оценки того, как улучшится технология производства водорода, и как строительство парка ядерных реакторов улучшит наши знания о сопряжении атомных электростанций с этими технологиями. Мы прогнозируем, что произойдет в будущем, основываясь на наших текущих знаниях о развитии технологий. И прогнозы очень обнадеживают».
Тестирование различных сценариев
Водород можно производить с помощью высокотемпературного электролиза пара, для которого требуется как тепло, так и электричество. Его также можно производить с помощью термохимического цикла, для которого требуется только тепло. При моделировании оба типа технологий были соединены с высокотемпературным газовым реактором, передовым типом ядерной энергетики.
Модель показала, что высокотемпературный электролиз пара может быть экономически эффективным способом производства водорода при соединении с высокотемпературным газовым реактором, с оценкой затрат от 1,24 до 2,14 фунтов стерлингов/кг, тогда как для термохимического цикла она составляет от 0,89 до 2,88 фунтов стерлингов/кг.
Электролиз пара — более развитая технология, чем любой термохимический цикл, что означает, что не только меньше колебаний в предполагаемой стоимости, но и развертывание может произойти раньше. По сравнению с другими технологиями производства энергии с низким содержанием углерода, которые также могут быть объединены с заводами по производству водорода, эти результаты показывают, что затраты, связанные с ядерной энергией, конкурентоспособны.
Модель является идеальной отправной точкой для сравнения технологий. Кристофер Коннолли, разработчик моделей процессов в NNL и ведущий автор исследования, разработал модели физических и химических процессов. Он объясняет, как разработки в области технологий производства водорода могут улучшить модель, поскольку она опирается на данные, описывающие, как молекулы перемещаются и взаимодействуют с материалами, используемыми для производства водорода.
Коннолли говорит: «Прогнозирование эффективности производства водорода означает, что вам нужно смоделировать практические процессы, используемые для расщепления воды. Поиск надежных данных о кинетике некоторых процессов на переднем крае проектирования свойств материалов может быть сложной задачей, и технология постоянно совершенствуется.
«Например, когда мы рассматривали высокотемпературный паровой электролиз, нам нужно было построить модель электролизных ячеек, которые используют твердый оксид в качестве электролита. Твердый оксид обычно изготавливается из стабилизированного иттрием циркония, но в различных конструкциях используются вариации этого оксида. В конечном счете, производительность электролита зависит от того, насколько хорошо он изготовлен».
Прогнозирование будущего
Экономически эффективное производство водорода — это лишь одно из преимуществ ядерной технологии. Хотя в исследовании моделировалась только эффективность химических и физических процессов для технологии производства водорода, существуют и другие преимущества в сочетании этих технологий с ядерной энергетикой, такие как высокая производительность по производству водорода, гибкость в расположении близко к пользователям и возможность масштабирования развертывания. Ядерная энергетика также представляет собой надежный, бесперебойный источник энергии, который снизит потребность в буферном хранении водорода.
Высокотемпературный газовый реактор уже находится в разработке, а демонстрационный образец планируется в Великобритании в 2030-х годах. Тем временем другие типы ядерных технологий могут быть объединены с заводом по производству водорода, чтобы помочь достичь чистых нулевых показателей.
Дополнительная информация: Кристофер Коннолли и др., Технико-экономический анализ производства водорода с помощью тепла из ядерной энергетики, Новая эксплуатация и применение энергии (2024). DOI: 10.54963/neea.v3i1.234 Предоставлено Национальной ядерной лабораторией
