Инновации на службе непрерывной генерации низкоуглеродной энергии

Ключом к снижению выбросов в энергетическом секторе является внедрение всех низкоуглеродных источников энергии. В энергосетях растет доля систем на основе возобновляемых источников энергии с прерывистой генерацией, поэтому для обеспечения круглосуточного снабжения энергией с низким уровнем выбросов углерода в гибридных энергетических системах используются атомные электростанции, позволяющие компенсировать нехватку электроэнергии, производимой за счет энергии солнца и ветра.

Ядерная энергетика, допускающая диспетчерское управление генерацией энергии в зависимости от меняющегося спроса на нее, позволяет вести круглосуточное и бесперебойное производство огромного количества низкоуглеродной электроэнергии. Благодаря этой стабильности ядерная энергия обычно используется для обеспечения базовой нагрузки, поскольку генерация энергии ведется непрерывно, а ее выдаваемая мощность не меняется или меняется незначительно. Ядерная энергия в сочетании с возобновляемыми источниками энергии способствует также стабильности электросетей, нивелируя колебания в выработке энергии из возобновляемых источников. Например, производительность некоторых атомных электростанций в Соединенных Штатах Америки регулярно корректируется примерно на 10–15 процентов с учетом общих колебаний спроса на электроэнергию и прерывистой генерации энергии из возобновляемых источников.

«Гибридные энергосистемы на основе ядерной и возобновляемой энергии несут в себе мощный синергетический эффект, сочетая ядерную энергию, которая надежна и способна обеспечивать базовую нагрузку, с возобновляемыми источниками энергии с прерывистой генерацией. Такой комплексный подход является ключом к созданию в будущем невосприимчивых к внешним воздействиям низкоуглеродных источников энергии, которые позволят удовлетворить растущий спрос на нее и одновременно смягчить последствия изменения климата», — объясняет руководитель группы МАГАТЭ по разработке технологий водяных реакторов Татьяна Евремович.

Для того чтобы декарбонизировать каждый киловатт-час потребляемой энергии, необходимо использовать все безуглеродные технологии. Потенциал синергии между этими энергоресурсами использован еще не полностью, и эксперты изучают стратегические преимущества прямой интеграции этих альтернативных систем. В гибридных энергосистемах на основе ядерной и возобновляемой энергии предполагается связать эти источники энергии, задействовав все их преимущества. Цель — обеспечить надежное и устойчивое электроснабжение сети, одновременно создав низкоуглеродные источники энергии для различных секторов энергопотребления.

Связанные системы

Гибридные системы включают несколько источников генерируемой энергии, которые задействованы двумя различными способами. Первый способ — когда системы связаны слабо, а вырабатываемая мощность из различных источников в них объединяется для повышения общей производительности и надежности системы. Второй — который еще предстоит внедрить в гибридных энергосистемах на основе ядерной и возобновляемой энергии — предполагает создание более интегрированной, тесно связанной системы. В системах такого типа используются уникальные сильные стороны каждого компонента для оптимизации производства энергии и достижения экологических преимуществ.

«Переход к более интегрированным энергетическим системам потенциально позволит постоянно удовлетворять потребности энергосетей, независимо от источника генерируемой энергии, будь то ядерная энергия, энергия ветра, воды, солнца, биомассы или геотермальная энергия. Для эффективного регулирования колебаний общего спроса на мощность в идеале в таких системах должно быть возможно накапливать энергию, — говорит Татьяна Евремович. — Кроме того, если учитывать углеродные сборы в экономической оценке внедрения гибридных энергетических систем на основе ядерной и возобновляемой энергии, то их эксплуатационные затраты потенциально могут быть даже ниже, чем у традиционных ископаемых источников энергии».

В будущем тесно связанные гибридные энергосистемы будут проектироваться таким образом, чтобы максимально использовать синергию и оптимизировать выработку электроэнергии в зависимости от текущих условий. Например, возобновляемые источники могут быть более тесно интегрированы с атомными электростанциями, чтобы выдавать дополнительную мощность во время пикового спроса, компенсируя неспособность ядерной энергетики быстро изменять выдаваемую мощность. Или, например, если интегрировать ядерные энергетические объекты с гидроэлектрическими системами, то избыточную энергию, вырабатываемую ядерными реакторами в непиковые часы, можно использовать для закачки воды в напорные емкости, с которых впоследствии она может подаваться на турбины гидроэлектростанции для приведения их в движение в периоды высокого спроса.

Кроме того, гибридные энергетические системы на основе ядерной и возобновляемой энергии могут использоваться для контроля и координации выработки электроэнергии в удаленных районах или в автономном режиме, чтобы обеспечить электроснабжение критически важных объектов инфраструктуры, таких как больницы или транспортные склады. Айдахская национальная лаборатория недавно продемонстрировала автономную систему «микросеть в коробке». В этой системе малый модульный реактор работает в комплексе с установкой по производству электроэнергии за счет энергии ветра, солнца или воды, чтобы обеспечивать электроснабжение в случае его отключения или возникновения масштабных перебоев.

Роль МАГАТЭ

Недавно МАГАТЭ приступило к осуществлению проекта координированных исследований по технической оценке и оптимизации гибридных энергетических систем на основе ядерной и возобновляемой энергии. Цель проекта — усовершенствовать методики оценки роли, которую гибридные энергосистемы на основе ядерной и возобновляемой энергии могут играть в современных и будущих энергетических системах, а также выявить возможности, способствовать международному сотрудничеству и обмену знаниями в этой области, чтобы помочь странам достичь нулевого уровня выбросов. Одной из стран — участниц проекта является Пакистан. «Принимая во внимание потребности Пакистана в энергии и учитывая глобальные проблемы в области экологии, стратегия интеграции ядерной и возобновляемой энергии представляется крайне многообещающей», — говорит Хасиб ур-Рехман, главный инженер и доцент Пакистанского института инженерных и прикладных наук (PIEAS). — Солнечного света и ветра у нас много, а ядерная энергия обеспечивает стабильную основу. Благодаря такой комбинации снижаются выбросы и повышается энергетическая безопасность».

Совместно с центром сотрудничества МАГАТЭ в PIEAS Агентство разработало платформу «Центр онлайновых тренажеров для отработки отдельных задач на АЭС» (HOPS). HOPS включает два тренажера гибридных энергетических систем: на основе ядерной энергии и энергии ветра, а также на основе ядерной и солнечной энергии. Эти онлайновые тренажеры позволяют пользователям познакомиться с эксплуатационными характеристиками систем и подсистем АЭС. Тренажеры и соответствующая документация распространяются по запросу бесплатно среди специалистов ядерной отрасли всего мира.