Выбор опреснительной части многоцелевых атомных комплексов на примере стран Ближнего Востока и Северной Африки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Соколова Екатерина Андреевна

• Соколова Екатерина Андреевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Соколова Екатерина Андреевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕСНЕНИЯ, КАК СРЕДСТВО СОКРАЩЕНИЯ ИЛИ ПОЛНОГО УСТРАНЕНИЯ ДЕФИЦИТА ПРЕСНОЙ ВОДЫ

1.1. Проблема дефицита пресной воды в странах Ближнего Востока и Северной Африки

1.2. Обзор опреснительных технологий, наиболее подходящих для использования в Королевстве Саудовская Аравия, Объединенных Арабских Эмиратах, Арабской Республике Египет и Королевстве Марокко

1.3. Современное состояние опреснительных производств с атомным источником

энергии

ГЛАВА 2. СХЕМЫ МНОГОЦЕЛЕВЫХ АТОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КРУПНОТОННАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРЕСНОЙ ВОДЫ В СТРАНАХ БЛИЖНЕГО ВОСТОКА И СЕВЕРНОЙ АФРИКИ

2.1. Потребности и возможности их реализации у рассматриваемых стран

2.2. Схемы многоцелевых атомных комплексов и их оборудование, предлагаемые разработчиками различных стран

2.3. Разработанные в разных странах методы математического моделирования, направленные на обеспечение безопасности ядерной части многоцелевых атомных комплексов

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА МНОГОЦЕЛЕВЫХ АТОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

3.1. Технико-экономическая оценка схем опреснения методами многоколонной дистилляции, мгновенного вскипания и обратного осмоса

3.1.1. Капитальные расходы на опреснительную установку

3.1.2. Стоимость тепловой энергии

3.1.3. Стоимость резервного источника теплоты для термических опреснительных установок

3.1.4. Стоимость электроэнергии

3.1.5. Стоимость покупной электроэнергии

3.1.6. Стоимость обслуживания и эксплуатации опреснительных установок

3.2. Технико-экономическая оценка гибридных схем опреснения

3.3. Технико-экономическая оценка интегрированной гибридной схемы опреснения... 105 ГЛАВА 4. ВЫБОР НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СХЕМ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ АТОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

4.1. Результаты термодинамического анализа для термических систем опреснения, использующих в качестве энергоисточника ядерный реактор типа ВВЭР-1000 или ВВЭР-440

4.2. Результаты экономических расчетов для систем опреснения методами многоколонной дистилляции, мгновенного вскипания и обратного осмоса

4.3. Результаты экономических расчетов для гибридных схем опреснения

4.4. Результаты экономических расчетов для интегрированной гибридной схемы опреснения

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор опреснительной части многоцелевых атомных комплексов на примере стран Ближнего Востока и Северной Африки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Проблема устранения (или хотя бы уменьшения) дефицита пресной воды, необходимой людям в их повседневной жизни, в промышленных производствах, а также для орошения сельскохозяйственных полей, лугов, парков, садов, во многих странах мира обостряется с каждым годом. Действительно, численность населения этих стран растёт, а процесс наступления пустынь продолжается и ускоряется в связи с сокращением площадей лесов. В связи с потеплением климата на Земле растет площадь засушливых территорий. Решение упомянутой проблемы может быть только одно - развитие производств крупнотоннажного опреснения морских и солоноватых подземных и наземных вод, благо, что многие страны с засушливым климатом и с безводными регионами имеют протяжённые береговые территории, омываемые водой морей и океанов. В настоящее время значительный дефицит пресной воды, приводящий к социальным проблемам (голод, миграция населения с уходом с засушливых территорий регионов и стран в места с лучшим обеспечением пресной водой), и грозящий конфликтами, и в том числе военными, имеет место в таких странах, как Исламская Республика Иран, Тунисская Республика, Королевство Марокко, Алжирская Народная Демократическая Республика, Султанат Оман, Мексиканские Соединенные Штаты, Арабская Республика Египет (см. Рисунки 1.1 и 1.2). В ряде других стран (Королевство Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Государство Израиль, Государство Кувейт, Государство Катар и др.) пока что опреснительные производства в основном обеспечивают население и промышленность водой. Тем не менее, и для этих стран необходимо (и это происходит) расширение масштабов этих производств. На Рисунке 1.1 приведены данные о нехватке воды в регионе Ближнего Востока и Северной Африки (БВСА), полученные из Института мировых ресурсов ^Ы) [1]. На этом рисунке показана степень нехватки воды в диапазоне от нуля до пяти в Исламской Республике Иран, Государстве Катар, Королевстве Бахрейн, Государстве Кувейт, Султанате Оман, Объединенных Арабских Эмиратах, Арабской Республике Египет, Королевстве Саудовская Аравия, Алжирской Народной Демократической Республике и Королевстве Марокко на 2010 и 2040 годы. Все эти страны имеют территории, омываемые водами Персидского залива, Оманского моря и Средиземного моря.

Рисунок 1.1 - Рост дефицита воды в некоторых странах региона БВСА в 2010 и 2040 гг. [1]

(0 - нет дефицита, 5 - дефицит максимален)

Рисунок 1.2 - Карта дефицита воды в мире по состоянию на 2019 год [1]

Опреснение морской воды в больших количествах (его называют крупнотоннажным при производстве пресной воды в объеме нескольких десятков и сотен тысяч кубометров в сутки) есть естественный и необходимый путь решения вышеуказанной проблемы. В настоящее время в системах опреснения используют следующие технологии:

- обратный осмос (RO - Reversed Osmosis);

- термический (испарительный) метод - дистилляция в системе серии аппаратов (камер) мгновенного вскипания (MSF - Multi Stage Flash);

- другой - также термический (испарительный) метод - многоступенчатая дистилляция в системе испарительных пленочных аппаратов (колонн) (MED - Multi Effect Distillation);

- гибридные технологии, когда в одном опреснительном производстве используется сочетание двух или трёх вышеупомянутых технологий (MED+RO, MSF+RO, MED+MSF+RO).

Все виды технологий опреснения требуют значительных затрат энергии: электрической -на привод насосов закачки морской воды и вывода пресной воды, на привод насосов высокого давления (ВД), «продавливающих» морскую воду через мембраны (фильтры) обратного осмоса, а также тепловой (обычно в виде пара) - для обогрева испарительных колонн в системе MED и подогрева опресняемой воды в системе MSF. Поэтому все опреснительные установки (ОУ) должны быть снабжены источниками энергии. Эти источники можно с некоторой степенью условности разделить на два класса: традиционные и нетрадиционные. Типичным традиционным источником (и в настоящее время наиболее распространённым) является тепловая электрическая станция (ТЭС) или котельная, в топках которой сжигается органическое топливо (уголь, нефть, мазут, природный газ). К нетрадиционным источникам можно отнести солнечную энергию и энергию, получаемую от других возобновляемых источников, например ветровых, а также рассматриваемый в настоящей работе «антропогенный» источник энергии - атомный. Атомные источники могут представлять собой «обычные» атомные станции (электрические - АЭС и атомные станции теплоснабжения - АСТ), а могут быть и специализированными, т.е. специальным образом «приспособленными» (по мощностям, параметрам, составу оборудования) для производства пресной воды. В данной работе рассматриваются именно специализированные атомные многоцелевые энерготехнологические комплексы ^АХ), предназначенные для одновременного производства электрической энергии, теплоснабжения и опреснения морской воды. Поскольку при проектировании таких комплексов могут быть в полной мере учтены потребности в электрической энергии, теплоте и воде данного региона, использование МАКов логично и весьма перспективно - при условии, что будут решены все проблемы и преодолены все трудности, связанные с освоением этого нетрадиционного источника. Основных проблем на этом пути две. Первая - дороговизна как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным затратам, в частности, в виде необходимости иметь высококвалифицированный обслуживающий оборудование МАК персонал, и вторая - потенциальная опасность радиационной аварии. По мнению многих специалистов, которое обосновывается, в частности, в регулярно публикуемых материалах МАГАТЭ, см. например [2; 3], эти две весьма серьезные проблемы разрешимы - и по следующим причинам. При проектировании МАКов могут быть выбраны более дешёвые

решения, чем при проектировании «обычных» АЭС, поскольку для дистилляционной системы опреснения не требуется ее снабжение паром ВД - достаточно давления пара на уровне 2-6 атмосфер [4]. Это значит, что ядерная энергетическая часть МАКа может быть реализована с использованием оборудования (ядерные реакторы (ЯР), парогенераторы (ПГ), трубопроводы), действующего при относительно невысоких параметрах (давление, температура) и, следовательно - относительно более дешёвого и в тоже время более безопасного, чем оборудование ВД. Неплохие перспективы имеются в обеспечении безопасности МАКов при их эксплуатации. Во-первых, современная атомная энергетика располагает обширным арсеналом средств обеспечения безопасности ядерных объектов, и в частности - пассивных систем безопасности (ПСБ), действующих без подвода энергии от внешних источников и без участия персонала этих объектов [5]. Использование этого арсенала уже дает свои плоды, - за последние годы неуклонно снижается число аварий на АЭС (после аварии на АЭС «Фукусима-1» в Государстве Япония в 2011 году тяжелых аварий на АЭС мира не было). Положительно сказывается также и повышение общего уровня подготовки проектировщиков АЭС и их персонала (уровня «культуры безопасности» [6]). Во-вторых, как выше уже упоминалось, при проектировании МАКов могут выбираться наиболее безопасные решения в смысле выбора относительно невысоких параметров, и использования дополнительного оборудования, защищающего опреснительную часть МАК от попадания в неё радиоактивных веществ при авариях.

Атомное опреснение уже имеет положительный опыт промышленного использования. Так в СССР, начиная с 1973 года и до 1999 года успешно эксплуатировался атомный опреснительный комплекс с использованием энергии ядерного реактора на быстрых нейтронах БН-350 в г. Шевченко (ныне город Актау в Республике Казахстан) на побережье Каспийского моря [7]. В настоящее время проходит стадию освоения первая построенная на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге Плавучая АЭС «Академик Ломоносов», имеющая опреснительную часть, использующую энергию атомного реактора ледокольного типа КЛТ-40С [8]. В ряде стран мира, и в частности в США, Республике Индия, Государстве Япония [9], действуют опреснительные приставки к атомным электростанциям.

Атомное опреснение имеет хорошие перспективы развития и расширения использования по причине бесспорных его достоинств и преимуществ перед традиционным опреснением, а именно:

- возможность реализации в широком ряде мощностей (от нескольких МВт до нескольких тысяч МВт), эта возможность имеет значение при его использовании в странах и регионах с различными потребностями в количествах энергии и опресненной воды;

- хорошая обеспеченность топливом - относительно дешёвым ураном (стоимость менее 80 $/кг [10]) на ~100 лет, - а в случае успеха освоения реакторов - бриддеров и вовлечения тория в ядерный топливный цикл - на тысячи лет [11]. Стоит заметить также, что в настоящее время стоимость ядерного топлива стабилизировалась [12], а стоимость органического топлива неминуемо будет расти в связи с исчерпанием его ресурсов и необходимостью его использования в неэнергетических производствах (химических, на транспорте и пр.);

- экологичность ядерной энергоустановки, т.к. она не потребляет кислорода и не выбрасывает в атмосферу углекислый газ и другие вредные продукты сгорания.

Российская Федерация (РФ) не имеет значительных засушливых территорий и имеет хорошую обеспеченность пресной водой большей части своей территории. Достаточно вспомнить крупнейшее в мире хранилище чистейшей, пригодной для питья без какой-либо подготовки, воды - озеро Байкал. Только в отдельных регионах РФ возникает проблема опреснения. Так, по заключению экспертов Санкт-Петербургского горного университета целесообразно организовать крупнотоннажное опреснение морской воды в Крыму, причём «атомный» вариант такого опреснения признается ими вполне целесообразным для реализации [13].

Однако, главный путь развития (проектирование и изготовление оборудования) российских технологий атомного опреснения (и в том числе создания МАКов) - экспортный, ибо РФ обладает следующими важными конкурентными преимуществами при выходе на мировые рынки опреснения морской воды [14]:

- она имеет развитую атомную энергетику, развитое атомное машиностроение и развитое химическое машиностроение - отрасли, необходимые для создания ядерного энергетического, теплообменного и другого оборудования МАК;

- она обладает мощной сырьевое базой атомного и химического (опреснительного) машиностроения в виде железных руд, руд легирующих стали металлов (никель, хром и так далее), а также титановых руд, необходимых для получения коррозионно-устойчивого в морской воде материала - титана и его сплавов [15]. В Свердловской области Российской Федерации, в городе Верхняя Салда действует самое мощное в мире предприятие по производству металлургических полуфабрикатов (листового и профильного проката, труб и т.д.), а также различных аппаратов (включая теплообменные) из титана и его сплавов - Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение (ОАО «ВСМПО»).

Следует также отметить, что в РФ давно освоены производство и эксплуатация оборудования для судовых ядерных энергетических установок (атомные подводный и ледокольный флоты), мощность и параметры которых во многих случаях соответствует мощностям и параметрам оборудования, входящего в состав энергетической части МАКа.

Богатый опыт судового атомного машиностроения вполне может (и должен) быть применен при создании МАКов, которые РФ предложит на экспорт.

Объект исследования. Многоцелевые атомные энерготехнологические комплексы, предназначенные для одновременного производства электрической энергии, теплоснабжения и крупнотоннажного опреснения морской воды.

Степень разработанности темы. В настоящее время разработанность темы соответствует стадии научного обоснования выбора схем МАК, предназначенных для одновременного производства электрической энергии, теплоснабжения и крупнотоннажного опреснения морской воды, а также обоснования и выбора наиболее подходящих видов ядерных реакторов и опреснительных систем для этих комплексов применительно к требованиям и возможностям потенциальных заказчиков таких комплексов, в частности стран БВСА. В дальнейшем предполагается на основе рекомендаций и выводов разработок автора перейти к проектированию упомянутых выше комплексов, изготовлению их оборудования, его монтажа на месте установки и его эксплуатации. Эти дальнейшие работы предполагается проводить совместно с проектными институтами, предприятиями-изготовителями оборудования и эксплуатационниками многоцелевых комплексов. Разработанность темы диссертации, как научного обоснования выбора многоцелевых атомных комплексов, является стопроцентной.

Цель и задачи. Цель выполнения работы состояла в том, чтобы на основе анализа потребностей и возможностей типичного ряда стран и с помощью разработанной методики выполнить технико-экономическое исследование по выбору наиболее подходящих мощностей, структур и состава опреснительной части МАК.

Все выбранные четыре страны являются типичными, испытывающими дефицит в пресной воде, две из которых (ОАЭ и Королевство Саудовская Аравия) - богатые страны, а две другие (Арабская Республика Египет и Королевство Марокко) - бедные. Мы надеемся, что обсуждаемые в данной работе пути и способы решения этой задачи и результаты ее решения (они приводятся в четвертой главе данной диссертации) в части структуры и параметров будущих МАКов смогут быть предложены странам-заказчикам и представят для них интерес. Учитывая вышеизложенные соображения в пользу использования значительного по масштабам экспортного потенциала РФ, в данной работе рассматриваются те атомные технологии (типы ядерных реакторов), которые успешно реализованы в атомной стационарной и атомной судовой энергетике РФ, а именно ядерные энергетические установки с реакторами типа ВВЭР малых (в диапазоне 50-300 МВтэл) и умеренных (в диапазоне 300-600 МВтэл) мощностей. Такой выбор реакторной части МАК в диссертационной работе был обусловлен тем обстоятельством, что реакторы типа ВВЭР давно и хорошо освоены (как в РФ, так и в мире), достаточно безопасны и имеют хорошие референции.

Однако это не означает, что при создании МАКов не могут быть использованы реакторы других типов и конструкций.

Задачи исследования:

- сбор и анализ информации о потребности в пресной воде (по каждой из рассматриваемых стран в отдельности), о масштабах и технологиях существующих опреснительных производств в этих странах, об их промышленных и финансовых возможностях;

- разработка (на основе использования литературных источников и собственных оценок, а также на основе использования авторской методики) наиболее подходящего для данной страны типа схемы опреснительной части МАК, параметров МАК и их мощностей.

- составление на основании этого выбора рекомендаций для заказчиков и проектировщиков МАК, также применительно к каждой стране - потенциальному заказчику МАК в отдельности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получение сведений о подходящих (оптимальных, наиболее экономичных) схемах опреснительной части многоцелевых энерготехнологических комплексов. Кроме того, методическая новизна работы заключается в получении сертифицированной методики технико-экономического анализа, разработанной совместно с аспирантами Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого: Газаи С.Х. и Садеги Х. (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020610901, 21.01.2020, заявка № 2019667664 от 30.12.2019) [16];

- обоснован выбор схем и оборудования опреснительной части вышеупомянутых комплексов;

- проведено технико-экономическое обоснование установки атомных опреснительных комплексов в странах Ближнего Востока и Северной Африки.

- разработан новый алгоритм технико-экономической оценки атомного опреснения морской воды на основе выбора точек отбора пара из турбины.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

- в нем использованы современные теоретические методы и подходы технико-экономического анализа предлагаемых комплексов, а также современные компьютерные коды и программы компьютерного моделирования. Теоретические методы исследования могут быть использованы при проведении дальнейших разработок в данной области, при выполнении диссертаций и проектов комплексов.

Практическая значимость исследования обоснована тем, что:

- на его основе даны практические рекомендации по проектированию опреснительной части многоцелевых атомных энерготехнологических комплексов, по выбору их оборудования и по его изготовлению;

- предлагается конструкция интегральной реакторной установки с естественной циркуляцией теплоносителя первого контура, как более безопасной и экономичной по сравнению с существующими реакторными установками петлевой схемы с принудительной циркуляцией реакторного теплоносителя;

- установлено влияние типа схем опреснения, как простых, так и гибридных на экономические показатели комплекса.

Методология и методы исследования: компьютерное моделирование и расчетные методы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Лидером на рынке опреснительных технологий в регионе БВСА являются ОАЭ, имеющие достаточный опыт создания и эксплуатации опреснительных комплексов и его оборудования, а также располагающие мощной экономикой. Для этой страны, имеющей большой дефицит пресной воды в перспективе 2030 года, оцениваемый в 22 1 06 м3/год предлагается использовать опреснительную установку (ОУ) простого гибридного типа МЕБ+ЯО или гибридного типа МЕБ+МБЕ+ЯО со СГ=30% для получения достаточно хорошего качества питьевой воды, с учетом приемлемых стоимостей замены труб для низкотемпературных МЕБ-установок и замены мембран в ЯО-установке, а также низкой удельной стоимости химикатов для ее дополнительной очистки. Можно также предложить ОАЭ, с учетом последнего из упомянутых фактора и высокого уровня годового производства электроэнергии в ОАЭ (134553 ГВтч/год), использовать чистую ЯО-технологию.

2. Для Королевства Саудовская Аравия мы рекомендуем использовать простую ЯО-установку, т.к. дефицит пресной воды в стране в два раза меньше, чем в ОАЭ, а производство электроэнергии - большое (326990 ГВтч/год).

3. Для Арабской Республики Египет, учитывая ее неблагоприятные экономические и технологические условия, а также наибольший дефицит пресной воды, рекомендуется использовать простую ЯО-установку для получения наименьшей величины СВ.

4. Для последней из рассматриваемых в настоящей работе стран (Королевство Марокко), где годовое производство электроэнергии самое незначительное (из этих стран) (29770 ГВтч/год), предлагаются к использованию простая гибридная (МЕБ+ЯО) или интегрированная схемы со СГ=30% и СГТУ=40% для получения высокого качества питьевой воды.

Степень достоверности и апробации результатов исследования определяется использованием достоверных (апробированных) расчетных методик и методов моделирования,

а также сопоставлением полученных результатов с уже известными достоверными сведениями из практики эксплуатации реакторного и опреснительного оборудования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: международной конференции «The 14th Conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems - SDEWES Conference» в 2019 году в Дубровнике (Республика Хорватия); международной конференции «CYSENI 2019» в Каунасе (Литовская Республика); конференции «Неделя Науки СПбПУ 2019»; международной конференции «International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE - 2019)» в Санкт-Петербурге; специальной сессии по заслушиванию результатов работы в Бранденбургском техническом университете г. Котбус (Федеративная Республика Германия) 11.12.2019; 54-ой Зимней школе НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ 11.03.2020; III Международной научно-практической конференции «Современные технологии и экономика энергетики» в 2020 году; международной конференции «The 15th Conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems - SDEWES Conference» в 2020 году в Кельне (Федеративная Республика Германия); онлайн-конференции Харбинского технического института 02.12.2021; международном семинаре по атомному опреснению в ФГАОУ ВО «СПбПУ» 22.07.2022; молодежном форуме «Россия - Африка: ядерное образование для устойчивого развития» 23.11.2022; конференции «Будущее атомной энергетики» в Обнинске 28.11.2022.

Также материалы работы были поданы в качестве заявки на научные конкурсы: Международная энергетическая премия «Глобальная энергия»; Конкурс лучших инновационных проектов в сфере науки и высшего профессионального образования Санкт-Петербурга 2019 года; «Лидеры России»; Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, проводимый РФФИ и Национальным научным фондом Исламской Республики Иран; Конкурс на соискание финансовой поддержки для подготовки и опубликования научных обзорных статей; Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, проводимого совместно РФФИ и Немецким научно-исследовательским сообществом; конкурс 2020 года на соискание медалей РАН с премиями для молодых ученых РФ за лучшие научные работы, а также оглашены в рамках семинара «Атомное опреснение» Международной Политехнической Летней школы и Зимней школы 2020-2022 гг. По результатам исследования присуждена Стипендия Президента Российской Федерации на 2021-2022 гг. и получен грант программы «Приоритет-2030» на 2022 год.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 21 работа, в т.ч. 3 - в изданиях из перечня РИНЦ, 4 - в издании из перечня ВАК, 12 - в изданиях, индексируемых в МБД Scopus, WoS, Springer; получено 6 свидетельств о регистрации программы для ЭВМ (см. [16; 79-83]).

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, списка литературы и приложений. Работа содержит 173 страницы, 62 иллюстрации, 33 таблицы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, д.т.н., чл.-корр. РАН, профессору Сергееву Виталию Владимировичу за поддержку при работе над диссертацией, профессору, д.т.н. Федоровичу Евгению Даниловичу за доверие, неоценимую помощь, постоянное внимание и консультации в части анализа схем МАК, старшим преподавателям, к.т.н. Газаи Сейеду Хади и Садеги Хашаяру за совместную разработку программы технико-экономического анализа МАК.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕСНЕНИЯ, КАК СРЕДСТВО СОКРАЩЕНИЯ ИЛИ ПОЛНОГО УСТРАНЕНИЯ ДЕФИЦИТА ПРЕСНОЙ ВОДЫ

1.1. Проблема дефицита пресной воды в странах Ближнего Востока и Северной Африки

С начала 20го века проблема нехватки водных ресурсов рассматривается как глобальная проблема современности. Особо остро она ощущается в странах Ближнего Востока и Северной Африки, расположенных на побережьях Персидского залива, Аравийского или Средиземного морей (см. Рисунок 1.3). В рамках диссертационного исследования были выбраны 4 типичные страны, расположенные на прибрежных территориях и остро нуждающиеся в пресной воде для бытовых, промышленных и сельскохозяйственных нужд. Причем две из них - бедные страны с уровнем дохода ниже среднего, определяемые как страны с валовым национальным доходом (ВНД) на душу населения от 1026 до 4035 $. К ним относятся Арабская Республика Египет и Королевство Марокко. Королевство Саудовская Аравия и Объединенные Арабские Эмираты выбраны как две страны с высоким уровнем дохода (с ВНД выше 12476 $) [17]. Рассмотрим далее каждую из стран в отдельности.

Рисунок 1.3 - Карта региона БВСА (данные Всемирного банка) [1]

Арабская Республика Египет - тропическое, засушливое государство, большую часть которого (более 95%) занимает пустыня; страна со слабой экономикой, сильно зависимой от туризма и продажи хлопка. Согласно Таблице 1.1, Арабская Республика Египет демонстрирует низкую подверженность «водному стрессу» (water stress - нехватки водных ресурсов), но сильно зависит от количества воды в Ниле. Ситуация усугубляется возможностью затопления многих прибрежных территорий вследствие глобального изменения климата, что неминуемо приведет к увеличению солености грунтовых вод, в том числе и Нила. В стране отсутствует координация между различными ведомствами, что осложняет управление водными ресурсами. Ухудшение качества воды из-за неочищенных сточных вод, промышленных и сельскохозяйственных стоков, содержащих удобрения, способствует снижению уровня доступности пресной воды. За

последние 20 лет в систему водоснабжения Арабской Республики Египта было вложено много инвестиций, благодаря чему доступ к безопасной и чистой воде увеличился с 39% до 93%. К канализационной же системе подключено только около половины жителей страны. Среди всех стран региона БВСА Арабская Республика Египет имеет наибольший объем повторного использования сельскохозяйственных дренажных вод [17].

Королевство Марокко - полузасушливая страна, омывается Средиземным морем и Атлантическим океаном, делится на четыре физико-географических региона с несколько разным климатом. Большую территорию страны занимают горы, полупустыня и пустыня. Из-за переменчивого климата Королевство Марокко часто испытывает дефицит осадков, и не смотря на то, что в последние пятьдесят лет активно строятся водохранилища, нация все-равно сталкивается с проблемами водных ресурсов, связанными с ухудшением качества воды и ее нерациональным использованием. Наиболее нерациональное использование связано с ресурсами подземных вод, при этом ключевые бассейны подземных вод, такие как бассейн Тенсифт, в настоящее время близки к истощению. Чтобы ограничить нерациональное водопользование, правительство разрабатывает политику, направленную на сохранение грунтовых вод. Королевство Марокко также имеет один из самых низких показателей продуктивности воды в регионе (т.е. отношения валового продукта к объему потребленной воды), что свидетельствует о том, что национальные программы (например Национальная программа экономии воды для орошения), инвестиции в ирригационные системы и эффективные опреснительные комплексы могут способствовать водной безопасности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Соколова Екатерина Андреевна, 2023 год

И И

1 1

| 1 ! 1 1

1 3 1-1 п ! п п

- 1 - 1 1 г-.

2,5 со и 2 1,5 1 0,5 га £ _ _ 1

- п - п 1-1 п

и МЕР+КО МБР+КО 30000 мЗ/сут МЕР+КО МБР+КО 60000 мЗ/сут МЕР+КО МБР+КО 90000 мЗ/сут МЕР+КО МБР+КО 120000 мЗ/сут

пСГ=0 1,658 1,658 1,631 1,631 1,617 1,617 1,608 1,608

■сг=ю 1,846 2,018 1,801 1,972 1,779 1,95 1,765 1,936

НСГ=20 1,972 2,315 1,929 2,272 1,908 2,251 1,895 2,237

ПСГ=30 2,097 2,612 2,057 2,571 2,037 2,551 2,024 2,538

п СГ=40 2,222 2,908 2,184 2,87 2,165 2,851 2,154 2,839

ПСГ=50 2,347 3,204 2,311 3,168 2,293 3,15 2,282 3,139

ПСГ=60 2,47 3,498 2,437 3,465 2,421 3,449 2,411 3,439

ИСГ=70 2,593 3,792 2,562 3,762 2,547 3,747 2,538 3,738

П СГ=80 2,714 4,085 2,686 4,057 2,673 4,044 2,664 4,036

п СГ-90 2,832 4,375 2,807 4,35 2,796 4,338 2,789 4,331

ИСГ=100 2,942 4,656 2,922 4,636 2,912 4,626 2,907 4,621

Рисунок В.4 - Для Арабской Республики Египет с реактором мощностью 440 МВт

со

и

■

□

□

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

]СГ=0 СГ=10 'СГ=20 ]СГ=30 'СГ=40 СГ=50 ]СГ=60 3СГ=70 СГ=80

иСГ-90 ИСГ=100

МЕР+КО

30000

0,539 0,622 0,643 0,664 0,684 0,705 0,725 0,745 0,764 0,783 0,8

МБР+КО мЗ/сут

0,539 0,658 0,716 0,773 0,83 0,887 0,943 1

1,056 1,111 1,164

МЕР+КО

60000

0,532 0,595 0,616 0,638 0,659 0,68 0,701 0,721 0,742 0,761 0,779

МБР+КО мЗ/сут

0,532 0,631 0,689 0,747 0,805 0,862 0,919 0,977 1,033 1,09 1,144

1

МЕР+КО

90000

0,528 0,582 0,604 0,625 0,647 0,668 0,69 0,711 0,731 0,752 0,77

I

МБР+КО мЗ/сут

0,528 0,619 0,677 0,735 0,793 0,851 0,908 0,966 1,023 1,08 1,134

МЕР+КО МБР+КО

120000 мЗ/сут

0,526 0,574 0,596 0,618 0,64 0,661 0,683 0,704 0,725 0,746 0,764

0,526 0,611 0,669 0,727 0,786 0,844 0,902 0,959 1,017 1,074 1,129

Рисунок В.5 - Для Королевства Марокко с реактором мощностью 1000 МВт

со

и

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

МЕР+КО

МБР+КО

МЕР+КО

МБР+КО

МЕР+КО

МБР+КО

МЕР+КО

МБР+КО

30000 мЗ/сут 60000 мЗ/сут 90000 мЗ/сут 120000 мЗ/сут

пСГ=0 0,562 0,562 0,555 0,555 0,551 0,551 0,549 0,549

■сг=ю 0,649 0,691 0,622 0,664 0,609 0,651 0,601 0,643

"СГ=20 0,673 0,758 0,647 0,731 0,634 0,719 0,627 0,711

ПСГ=30 0,698 0,825 0,672 0,799 0,66 0,786 0,652 0,779

п СГ=40 0,722 0,891 0,697 0,866 0,685 0,854 0,678 0,847

ПСГ=50 0,747 0,958 0,722 0,933 0,71 0,921 0,704 0,915

ПСГ=60 0,771 1,024 0,747 1 0,736 0,989 0,729 0,982

ШСГ=70 0,794 1,09 0,771 1,067 0,76 1,056 0,754 1,049

ПСГ=80 0,818 1,155 0,795 1,133 0,785 1,123 0,779 1,116

® СГ=90 0,841 1,22 0,819 1,199 0,809 1,189 0,803 1,183

ЙСГ=100 0,861 1,283 0,84 1,262 0,831 1,253 0,826 1,248

Рисунок В.6 - Для Королевства Марокко с реактором мощностью 440 МВт

Приложение Г. Стоимость опресненной воды с использованием интегрированной гибридной схемы в зависимости от степени

гибридизации, мощности энергоисточника и производительности по воде, $/м3

(обязательное)

Таблица Г.1 - Для ОАЭ

Мощность ЯР, МВтэл Производительность, м3/сут Вид гибридной схемы Степень гибридизации, %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1000 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,442 0,592 0,618 0,644 0,669 0,695 0,720 0,745 0,769 0,793 0,815

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,435 0,545 0,571 0,597 0,624 0,650 0,676 0,701 0,727 0,751 0,774

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,432 0,523 0,549 0,576 0,603 0,629 0,655 0,681 0,707 0,732 0,756

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,429 0,509 0,536 0,563 0,590 0,617 0,643 0,669 0,695 0,721 0,745

440 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,456 0,608 0,637 0,665 0,694 0,722 0,750 0,778 0,805 0,832 0,856

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,449 0,561 0,590 0,619 0,648 0,677 0,706 0,734 0,762 0,790 0,815

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,446 0,539 0,569 0,598 0,627 0,656 0,685 0,714 0,743 0,771 0,797

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,443 0,526 0,556 0,585 0,615 0,644 0,673 0,702 0,731 0,759 0,786

Таблица Г.2 - Для Арабской Республики Египет

Мощность ЯР, МВтэл Производительность, м3/сут Вид гибридной схемы Степень гибридизации, %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1000 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,498 1,788 1,955 2,121 2,287 2,452 2,617 2,780 2,942 3,102 3,253

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,471 1,723 1,892 2,060 2,228 2,396 2,563 2,729 2,894 3,057 3,212

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,457 1,691 1,861 2,031 2,200 2,369 2,538 2,705 2,871 3,036 3,193

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,447 1,671 1,842 2,013 2,183 2,353 2,522 2,691 2,858 3,023 3,182

440 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,652 1,985 2,193 2,401 2,609 2,816 3,022 3,227 3,431 3,632 3,825

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,625 1,919 2,130 2,340 2,550 2,759 2,968 3,176 3,383 3,587 3,784

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,611 1,887 2,099 2,311 2,522 2,733 2,943 3,152 3,360 3,566 3,765

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 1,602 1,868 2,081 2,293 2,505 2,716 2,927 3,137 3,347 3,554 3,754

Мощность ЯР, МВтэл Производительность, м3/сут Вид гибридной схемы Степень гибридизации, %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1000 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,539 0,701 0,741 0,779 0,818 0,857 0,895 0,934 0,971 1,009 1,043

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,531 0,654 0,694 0,733 0,773 0,812 0,851 0,890 0,929 0,967 1,003

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,528 0,632 0,672 0,712 0,751 0,791 0,831 0,870 0,909 0,947 0,984

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,525 0,618 0,659 0,699 0,739 0,779 0,818 0,858 0,897 0,936 0,973

440 30000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,561 0,730 0,776 0,821 0,866 0,911 0,955 1,000 1,044 1,087 1,128

60000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,554 0,683 0,729 0,774 0,820 0,866 0,911 0,956 1,001 1,045 1,087

90000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,550 0,661 0,707 0,753 0,799 0,845 0,890 0,936 0,981 1,026 1,069

120000 МЕБ+МБЕ+ЯО 0,548 0,647 0,694 0,740 0,786 0,832 0,878 0,924 0,970 1,014 1,058

Приложение Д. Зависимость стоимости опресненной воды от производительности при мощности реакторной установки в 1000 и 440 МВтэл (обязательное)

0 25000 50000 75000 100000 125000 150000 Производительность (м3 / сут)

0 25000 50000 75000 100000 125000 150000

Производительность (м3 / сут)

Рисунок Д.1 - Для ОАЭ

3,2

3,0

2,8

2,6

2,4

2,2

Мощность АЭС = 1000 (МВтэл ) -■- СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,2 -•- СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,3 -А- СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,4 -Г- СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,2 СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,3 -4— СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,4

-

-•

■ 1 _

25000 50000 75000 100000 125000 150000

Производительность (м3 / сут)

Мощность АЭС = 440 (МВтэл ) —■— СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,2 —•— СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,3 ■ СГ = 0,3 ; СГТУ = 0,4 -Т- СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,2 —СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,3 ' -4— СГ = 0,4 ; СГТУ = 0,4

—•

_

3,4

,3,2

-3,0

2,8

2,6

2,4

25000

50000

75000

100000 125000 150000

Производительность (м3 / сут)

2

0

0

Рисунок Д.2 - Для Арабской Республики Египет

25000 50000 75000 100000 125000 150000

о

Производительность (м3 / сут)

25000 50000 75000 100000 125000 150000

о

Производительность (м / сут)

Рисунок Д.3 - Для Королевства Марокко