Анализ эффективности технологии производства водорода на мини-ТЭЦ на местных видах топлива термохимическим методом

В рамках политики «обезуглероживания» экономики предлагается технология получения водорода из местных видов топлива и горючих отходов человеческой деятельности в рамках развития функциональности теплофикационных циклов производства энергии. Целью исследования является оценка энергетической эффективности паросиловой мини-ТЭЦ, работающей на местных видах топлива, с модулем производства водорода термохимическим способом. Представлен краткий литературный обзор термохимических циклов производства водорода и показано, что наиболее перспективными считаются гибридные циклы медь-хлор Cu–Cl. В программной среде Aspen Hysys была синтезирована математическая модель мини-ТЭЦ с пятиступенчатым циклом производства водорода, которая может в дальнейшем быть использована как компонент в составе цифрового двойника. По результатам анализа математической модели было определено, что удельное потребление электрической энергии на 1 кг водорода для такой схемы составит 9,11 (кВт∙ч)/кг, что в среднем в пять раз меньше, чем при производстве водорода электролизом, остальная часть требуемой энергии замещена тепловой, при этом максимальный коэффициент использования топлива мини-ТЭЦ с модулем производства водорода, использующей в качестве топлива отходы древесины, составил 83,1 %, в том числе тепловой КПД составляет 51,5 %, эффективность производства водорода по низшей теплоте сгорания – 31%, электрический КПД по отпуску электроэнергии в сеть – 0,6 %. Для сравнения максимальный коэффициент использования топлива паросиловой мини-ТЭЦ той же электрической мощности достигает 90,9 %. Расширение опций мини-ТЭЦ на местных видах топлива путем ввода в ее схему блока производства водорода гибридным термохимическим методом позволяет повысить маневренность станции, что предполагает возможность организации функционирования мини-ТЭЦ в соответствии с требованиями тепловых потребителей и электрического графика нагрузок энергосистемы в часы максимумов и минимумов ее потребления за счет изменения электрической мощности отпуска в сеть или увеличения мощности потребления электроэнергии из внешней сети до мощности, требуемой для производства водорода. В заключение указывается на возможность развития исследуемой схемы мини-ТЭЦ на местных видах топлива в сторону дальнейшей утилизации продуктов сгорания с целью генерации искусственного природного газа, который в этом случае можно назвать «зеленым».

1. Парижское климатическое соглашение [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://minpriroda.gov.by/ru/paris-ru/. Дата доступа: 09.11.2022.

2. Maradin, D. Advantages and Disadvantages of Renewable Energy Sources Utilization / D. Maradin // International Journal of Energy Economics and Policy. 2021. Vol. 11, № 3. P. 176–183. https://doi.org/10.32479/ijeep.11027.

3. A review of Four Case Studies Assessing the Potential for Hydrogen Penetration of the Future Energy System / A. Chapman [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, № 13. С. 6371–6382. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.168.

4. Hydrogen and the Decarbonization of the Energy System in Europe in 2050: A detailed Model-Based Analysis / G. S. Seck [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 167. P. 112779. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112779.

5. Место водорода в современных энерготехнологических метасистемах. Ч. 3. Водород в качестве топлива для энергетических систем / В. А. Седнин [и др.] // Энергоэффективность. 2021. № 5. С. 16–21.

6. Седнин, В. А. Прогнозная оценка себестоимости водорода в разрезе различных технологий производства / В. А. Седнин, А. А. Абразовский // Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики. Киев, 2021. С. 190–194.

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

8. Rosen, M. A. Advances in Hydrogen Production by Thermochemical Water Decomposition: A Review / M. A. Rosen // Energy. 2010. Vol. 35б № 2, 1068–1076. https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.06.018.

9. Романюк, В. Н. К вопросу о диверсификации вариантов регулирования мощности генерации Белорусской энергосистемы / В. Н. Романюк, А. А. Бобич // Энергия и менеджмент. 2015. № 6 (87). С. 3–7.

10. Orhan, M. F. Process Simulation and Analysis of a Five‐Step Copper – Chlorine Thermochemical Water Decomposition Cycle for Sustainable Hydrogen Production / M. F. Orhan, I. Dincer, M. A. Rosen // International Journal of Energy Research. 2014. Vol. 38, Iss. 11. P. 1391–1402. https://doi.org/10.1002/er.3148.

11. Nuclear-Based Hydrogen Production with a Thermochemical Copper-Chlorine Cycle and Supercritical Water Reactor: Equipment Scale-Up and Process Simulation / M. A. Rosen [et al.] // International Journal of Energy Research. 2010. Vol. 36(4), P. 456–465. https://doi.org/10.1002/er.1702.3.

12. Жизнин, С. З. Экономические аспекты развития ядерно-водородной энергетики в мире и в России / С. З. Жиэнин, В. М. Тимохов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2020. № 1–6. С. 40–59.

13. Лесной фонд [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://mlh.by/our-main-activites/forestry/forests/. Дата доступа: 31.10.2022.

14. Zamfirescu, C. Thermophysical Properties of Copper Compounds in Copper–Chlorine Thermochemical Water Splitting Cycles / C. Zamfirescu, I. Dincer, G. F. Naterer // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. № 10. P. 4839–4852. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.08.101.

15. HSC Chemistrytm Software [Electronic resource]. Mode of access: https://www.mogroup.com/portfolio/hsc-chemistry. Date of access: 12.12.2022.

16. Safari, F. A Review and Comparative Evaluation of Thermochemical Water Splitting Cycles for Hydrogen Production / F. Safari, I. Dincer // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 205. С. 112182. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112182.

17. Recent Canadian Advances in Nuclear-Based Hydrogen Production and the Thermochemical Cu–Cl Cycle / G. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, Iss. 7. P. 2901–2917. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.01.090.

18. Future Hydrogen Production Using Nuclear Reactors / R. R. Sadhankar [et al.] // 2006 IEEE EIC Climate Change Conference. IEEE, 2006. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/EICCCC.2006.277205.

19. Sadhankar, R. R. Leveraging Nuclear Research to Support Hydrogen Economy / R. R. Sadhankar // International Journal of Energy Research. 2007. Vol. 31, No 12. P. 1131–1141. https://doi.org/10.1002/er.1324.

20. Энерготехнологическая установка на базе нагревательной печи прокатного стана с опцией производства водорода / В. А. Седнин [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. oбъединений СНГ. 2022. Т. 65, № 2. С. 127–142. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-127-142.

21. Balta, M. T. Energy and Exergy Analyses of Magnesium-Chlorine (Mg-Cl) Thermochemical Cycle / M. T. Balta, I. Dincer, A. Hepbasli // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. No 6. P. 4855–4862. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.12.044.

22. Lewis, M. A. Evaluation of Alternative Thermochemical Cycles, Part I: The Methodology / M. A. Lewis, J. G. Masin, P. A. O'Hare // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, No 9. P. 4115–4124. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.06.045.

23. High efficiency Generation of Hydrogen Fuels Using Solar Thermo-chemical Splitting of Water (Solar Thermo-Chemical Splitting for H2) [Electronic Resource]: Annual Report for the Period October 1, 2003 through September 30, 2004: GA-A24972 / B. W. McQuillan [et al.]. General Atomics, 2010. Mode of access: https://kurl.ru/zjoIW.

24. Иванов, М. Г. Свойства металлов [Электронный ресурс] / М. Г. Иванов, А. В. Нечаев. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. Режим доступа: https://studylib.ru/doc/2274742/svojstva-metallov-m.g.-ivanov%E2%80%94a.v.-nechaev-uchebnoe-e-lektr.

25. Engineering Process Model for High-Temperature Steam Electrolysis System Performance Evaluation [Electronic Resource]: AIChE 2005 Annual Meeting / Stoots C. M. [et al.]. Idaho National Laboratory, 2005. Mode of access: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc886919/.

26. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / под ред. Н. В. Кузнецова [и др.]. М.: Энергия, 1973. 296 с.

27. Green Hydrogen Cost Reduction. Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5 C Climate Goal [Electronic Resource]. 2020. Mode of access: https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction.

28. Water Electrolysis: From Textbook Knowledge to the Latest Scientific Strategies and Industrial Developments / M. Chatenet [et al.] // Chemical Society Reviews. 2022. Vol. 51, No 11. P. 4583–4762. https://doi.org/10.1039/D0CS01079K.

29. Sednin, V. A. Analysis of Hydrogen Use in Gas Turbine Plants / V. A. Sednin, A. V. Sednin, A. A. Matsyavin. Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Vol. 66, № 2, 158–168. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-2-158-168.

30. Седнин, В. А. Анализ эффективности технологий извлечения диоксида углерода из продуктов сгорания / В. А. Седнин, Р. С. Игнатович // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 6. С. 524–538. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-6-524-538.

31. Седнин, В. А. Интеграционные тенденции в системах теплоснабжения / В. А. Седнин,А. В. Седнин // Энергоэффективность. 2021. № 6. С. 23–27.

32. Sednin, A. V. An Approach to Data Processing for the Smart District Heating System / A. V. Sed-nin, A. V. Zherelo // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 3. P. 240–249. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022- 65-3-240-249.