В работе, проведённой специалистами Университета Центральной Флориды, изучается перспектива применения солевых расплавных реакторов для накопления остаточного тепла и его последующей отдачи в моменты роста потребления электроэнергии.
Ирина Медведева
Иллюстративное изображение. Источник: Kairos Power
Американские исследователи создали метод моделирования, дающий атомным станциям возможность подстраивать выработку под изменчивый спрос в энергосистеме, избегая необходимости непрерывно уменьшать мощность реактора.
Предлагаемая конфигурация объединяет реакторы на расплавах солей с тепловыми накопителями: это даёт возможность сберегать излишки тепла при низком энергопотреблении и задействовать их для дополнительной генерации в часы повышенного спроса.
Подход, предложенный группой из Университета Центральной Флориды (UCF), способен помочь атомным станциям функционировать совместно с солнечными и ветровыми установками, чья выработка определяется погодой и временем суток.
Специалисты совместили термодинамическое моделирование с экономическим анализом, чтобы выяснить, каким образом накопление и сброс тепла реактора повышают гибкость эксплуатации и помогают атомным станциям откликаться на ценовые колебания на электроэнергию.
Накопление тепла в периоды спада
В противоположность солнечным и ветровым станциям обычные атомные станции, как правило, проектируются под непрерывную выработку электроэнергии. Подстройка их мощности под резкие изменения спроса способна вызвать эксплуатационные сложности.
По мере роста доли возобновляемых источников в генерации атомным станциям, вероятно, придётся стать более гибкими, не жертвуя стабильностью работы реакторов.
«Атомная энергетика должна быть гибкой, тогда как сами реакторы работают в устойчивом режиме, поскольку потребление в сети меняется на протяжении суток, и особенно это заметно в сетях с высокой долей солнечной генерации, которая обычно достигает максимума около полудня и идёт на спад к ночи», — отметил Аугусто Делавальд Маркес, доктор наук, принимавший участие в исследовании.
Аккумулирование тепловой энергии даёт возможность развести производство тепла и выработку электроэнергии.
Вместо того чтобы пускать всё тепло, производимое реактором, напрямую в систему генерации, часть его можно отводить в накопитель в часы низкого спроса.
Сбережённое тепло можно задействовать для дополнительной выработки в периоды повышенного потребления.
Подобная схема позволила бы реактору сохранять относительно ровный уровень работы, тогда как система генерации регулировала бы свою мощность.
Исследователи сделали акцент на реакторах на расплавах солей — усовершенствованной конструкции ядерного реактора, где теплоносителем выступают расплавленные соли. В ходе работы изучалась возможность объединения таких реакторов с системами накопления тепла для более гибкой выработки электроэнергии.
Согласование результатов с ценами
В исследовании также анализировалось, каким образом рыночные условия на электроэнергию могут влиять на работу атомных станций, оснащённых тепловыми накопителями.
Цены на электроэнергию колеблются в течение суток в зависимости от спроса и доступной генерации. Они могут падать, когда выработка возобновляемых источников велика, и расти, когда спрос увеличивается или производство из возобновляемых источников снижается.
Сберегая тепло в периоды низких цен и отдавая его, когда электроэнергия дорожает, атомные станции потенциально способны повысить прибыль от своей деятельности.
Исследователи применяли термодинамическое моделирование для изучения работы предлагаемой системы и метод экономической оптимизации для оценки того, как она может откликаться на меняющиеся рыночные условия.
Их анализ включал метод скользящего горизонта, при котором операционные решения оцениваются на протяжении последовательных временных отрезков, а не по фиксированному графику.
Однако данная работа остаётся лишь моделированием. Команда не демонстрировала работу интегрированной системы на действующей атомной станции.
В заявлении университета также не приводятся конкретные цифры, касающиеся роста эффективности, дополнительных доходов или стоимости установки теплоаккумулятора. Исследование было опубликовано в
Journal of Energy Resources Technology, Part A: Sustainable and Renewable Energy.
Инженерный взгляд на модель
Однако, предложенная схема требует решения ряда инженерных задач, которые в исследовании лишь обозначены. Ключевым элементом становится теплообменный контур между первичным контуром реактора и ёмкостью с расплавленной солью. Такой контур должен выдерживать высокие температуры, химическую агрессивность теплоносителя и перепады нагрузки, связанные с циклическим чередованием зарядки и разрядки.
Материалы теплообменников и запорной арматуры должны сохранять прочность при многократных тепловых циклах, поскольку именно циклические нагрузки чаще всего становятся причиной усталостных повреждений в энергетическом оборудовании.
Отдельного внимания требует выбор солевого состава: смеси на основе нитратов имеют отработанную промышленную практику, но ограничены по температуре, тогда как хлоридные составы допускают более высокие рабочие параметры ценой повышенной коррозионной активности.
Существенным остаётся вопрос согласования мощностей. Ёмкость теплового накопителя определяет, сколько часов дополнительной выработки станция может обеспечить при пиковом спросе, и этот параметр напрямую влияет как на капитальные затраты, так и на экономический эффект.
Слишком малый накопитель не позволит покрыть вечерний максимум, слишком большой — увеличит стоимость проекта без соразмерной отдачи. В моделировании этот баланс можно оптимизировать, однако реальная эксплуатация добавит факторы, которые трудно формализовать: деградацию свойств расплавленных солей, тепловые потери в ёмкостях, ограничения по скорости изменения нагрузки со стороны турбинного оборудования.
Отдельно стоит вопрос интеграции с энергосистемой. Гибкость атомной станции с тепловым накопителем ценна лишь при наличии рынка, где такая гибкость оплачивается.
В системах с преобладанием возобновляемой генерации пиковые цены могут быть высокими, но кратковременными, а число циклов зарядки-разрядки в сутки — значительным. Это повышает требования к ресурсу оборудования и меняет экономику проекта по сравнению с традиционными базовыми станциями.
Метод скользящего горизонта, использованный авторами, позволяет учесть подобную динамику, но точность прогноза цен и выработки возобновляемых источников остаётся ограничивающим фактором для любой оптимизационной модели.
Коммерческая перспектива проекта
Немаловажен и регуляторный аспект. Лицензирование реакторов с интегрированными системами накопления тепла АЭС потребует обоснования безопасности при новых режимах работы, включая переходные процессы при переключении потоков теплоносителя.
Надёжность отвода остаточного тепла должна быть гарантирована независимо от состояния накопителя, а взаимодействие между реакторным контуром и тепловой ёмкостью не должно создавать путей, снижающих безопасность станции. Эти требования способны существенно повлиять на итоговую конфигурацию системы и её стоимость.
Наконец, коммерческая перспектива подхода зависит от сопоставления с альтернативами: строительством газовых пиковых мощностей, накопителей электроэнергии на основе батарей или гидроаккумулирующих станций.
Тепловое накопление в связке с атомной генерацией имеет преимущество по масштабу и длительности хранения, но проигрывает батареям по скорости отклика.
Итоговое место технологии определится после демонстрации на пилотном объекте и появления реальных данных по капитальным и эксплуатационным затратам, которых на сегодняшний день в опубликованной работе не приводится.
