Принципы организации и функционирования мини-ТЭЦ на местных видах топлива в условиях водородной энергетики

В статье рассмотрены принципы организации и функционирования мини-ТЭЦ на местных видах топлива (МВТ) в условиях водородной и безуглеродной энергетики. В ходе анализа литературных источников на тему текущего состояния развития мини-ТЭЦ на МВТ в структуре энергетического баланса страны выявлен ряд вопросов, связанных с их эксплуатацией и строительством, образовавшихся после ввода в эксплуатацию Белорусской АЭС. Отмечено, что потенциальным путем развития подобных энергоисточников является переход к многоцелевой выработке продуктов на основании принципов функционирования энергетического хаба, что потенциально позволит снижать зависимость энергоисточника от работы Объединенной энергетической системы (ОЭС). Произведен анализ открытых литературных источников о потенциальной роли МВТ при переходе к безуглеродной энергетике. В данном контексте рассмотрена работа мини-ТЭЦ на МВТ по двум сценариям: рекуперация из продуктов сгорания CO₂ с последующей очисткой до пищевого качества и продажей непосредственным потребителям, а также изменение режимов работы энергоисточника посредством накопления избыточной электрической энергии в виде водорода при работе мини-ТЭЦ в соответствии с тепловой нагрузкой потребителей. На базе архивных данных действующей мини-ТЭЦ, выбранной для исследования в качестве объекта-аналога, произведена оценка экономических условий развития мини-ТЭЦ на МВТ при интеграции в их схемы установок по извлечению CO₂ пищевого качества или для производства и накопления водорода. Для систем производства диоксида углерода пищевого качества построена функциональная зависимость, позволяющая производить предварительную оценку величины простого срока окупаемости при ее интеграции в схему. В принятых условиях для объекта исследования простой срок окупаемости, полученный с использованием построенной зависимости, составил величину менее трех лет. Для систем накопления избыточной электрической энергии в виде водорода рассмотрены три варианта организации работы. На базе объекта исследования определены граничные условия соотношения минимального и максимального дифференцированного тарифа на покупку электрической энергии ОЭС, при которых целесообразно дальнейшее рассмотрение экономических показателей проекта по интеграции в схему мини-ТЭЦ на МВТ модуля накопления электрической энергии в виде водорода.

1. Об утверждении концепции энергетической безопасности Республики Беларусь: постановление Совета Министров Респ. Беларусь от 23 дек. 2015 г. № 1084 // Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. URL: https://pravo.by/document/?guid=3871&p0=C21501084.

2. О государственной программе «Энергосбережение» на 2021–2025 годы: постановление Совета Министров Респ. Беларусь от 24 фев. 2021 г. № 103 // Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. URL: https://pravo.by/document/?guid=3871&p0=C22100103.

3. Программа комплексной модернизации производств энергетической сферы на 2021– 2025 годы: постановление М-ва энергетики Респ. Беларусь от 5 апр. 2021 г. № 19. URL: https://minenergo.gov.by/wp-content/uploads/2021/%D0%9F%D0%9A%D0%9C%D0%AD%202025-%D1%81.pdf.

4. Богдан, А. А. Синергетическая парадигма и инновационные решения в сфере энергетической безопасности / А. А. Богдан, Р. С. Игнатович // Информационные и инновационные технологии в науке и образовании: 5-я Всерос. науч.-практ. конф. Таганрог, 2020. С. 26–30.

5. Седнин, В. А. О целесообразности строительства мини-ТЭЦ на местных видах топлива в условиях Республики Беларусь. Ч. 1: Состояние использования местных видов топлива в системах теплоснабжения / В. А. Седнин, Р. С. Игнатович, И. Л. Иокова // Наука и техника. 2023. № 5. С. 418–427. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2023-22-5-418-427.

6. Седнин, В. А. О целесообразности строительства мини-ТЭЦ на местных видах топлива в условиях Республики Беларусь. Ч. 2: Роль мини-ТЭЦ в системах теплоснабжения городов и населенных пунктов Беларуси / В. А. Седнин, Р. С. Игнатович, И. Л. Иокова // Наука и техника. 2023. № 6. С. 508–518. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2023-22-6-508-518.

7. Оценка эмиссии парниковых газов при использовании ископаемых топлив и биомассы / М. В. Губинский, А. Ю Усенко, Г. Л. Шевченко, Ю. В. Шишко // Интегрированные технологии и энергосбережение. 2007. № 2. С. 39–42.

8. Парижское климатическое соглашение // Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь. URL: http://minpriroda.gov.by/ru/paris-ru/ (дата обращения: 10.06.2023).

9. Об установлении определяемого на национальном уровне вклада Республики Беларусь в сокращение выбросов парниковых газов до 2030 г.: постановление Совета Министров Респ. Беларусь от 29 сент. 2021 г. № 553 // Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. URL: https://pravo.by/document/?guid=12551&p0=C22100553.

10. Biomass for Power Generation and CHP / IEA. 2007. URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/1028bee0-2da1-4d68-8b0a-9e5e03e93690/essentials3.pdf. (date of access: 18.07.2023).

11. Techno-Economic Assessment of an Off-Grid Biomass Gasification CHP Plant for an Olive Oil Mill in the Region of Marrakech-Safi, Morocco / D. Sánchez-Lozano, A. Escámez, R. Aguado [et al.] // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, No 10. P. 5965. https://doi.org/10.3390/app13105965.

12. Оценка термодинамической эффективности Объединенной энергетической системы Беларуси. Ч. 2 / В. Н. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 2. С. 141–157. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-2-141-157.

13. Игнатович, Р. С. Анализ и оптимизация режимов работы мини-ТЭЦ на местных видах топлива в условиях профицита электроэнергетических мощностей в Объединенной энергетической системе Беларуси. Ч. 2 / Р. С. Игнатович, В. А. Седнин, Е. С. Зуева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. № 4. С. 315–331. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-4-315-331.

14. Игнатович, Р. С. Прогнозирование потребления тепловой энергии для увеличения вовлеченности мини-ТЭЦ в структуру выработки энергии / Р. С. Игнатович, В. А. Седнин // Muqobil energetika = Альтернативная энергетика. 2024. № 12 (Спец. вып.). С. 102–106. URL: https://drive.google.com/file/d/1QuREX-WJupvSv2kCM51ZBsNQQG_zKPtO/view.

15. 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. № 6. С. 524–538. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-6-524-538.

16. Игнатович, Р. С. Технологии извлечения CO2 из продуктов сгорания = CO2 Recovery Technologies From Combustion Products / Р. С. Игнатович, В. А. Седнин // Энергетика Беларуси-2022: материалы Респ. науч.-практ. конф., 25–26 мая 2022 г. / сост. И. Н. Прокопеня. Минск: БНТУ, 2022. С. 43–48. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/121697/ 43-48.pdf?sequence=1&isAllowed=y.

17. Седнин, В. А. Анализ эффективности технологии производства водорода на мини-ТЭЦ на местных видах топлива термохимическим методом / В. А. Седнин, Р. С. Игнатович // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. № 4. С. 354–373. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-4-354-373.

18. Игнатович, Р. С. Технология производства синтетического природного газа на теплоисточниках, работающих на твердом топливе / Р. С. Игнатович // Энергостарт: материалы Всерос. молодеж. науч.-практ. конф., 12–14 нояб. 2020 г. / редкол.: Р. В. Беляеский (отв. редактор) [и др.]. Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева, 2021. URL: https://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/energos/2020/energstart/pages/Articles/110.pdf.

19. Игнатович, Р. С. Минитеплоэлектроцентраль на местных видах топлива с опцией производства синтетического природного газа / Р. С. Игнатович, В. А. Седнин // Актуальные проблемы энергетики: материалы 76-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов / ред. Т. Е. Жуковская. Минск: БНТУ, 2020. С. 104–107.

20. Виктор Каранкевич: «С вводом АЭС доля природного газа в энергобалансе Беларуси снизится до 60 %» // Министерство энергетики Республики Беларусь. URL: https://minenergo.gov.by/press/glavnye-novosti/viktor-karankevich-s-vvodom-aes-dolya-prirodnogo-gaza-v-energobalanse-belarusi-snizitsya-do-60-/?sphrase_id=52175 (дата обращения: 01.06.2023).

21. Nuclear Power and Climate Change: Decarbonization // IAEA. URL: https://www.iaea.org/topics/nuclear-power-and-climate-change (date of access: 01.11.2024).

22. Power system organization structures for the renewable energy era / International Renewable Energy Agency. IRENA, 2020. URL: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Jan/IRENA_Power_system_structures_2020.pdf. (date of access: 01.11.2024).

23. Куприянов, М. С. Принципы построения технических самоорганизующихся систем / Куприянов М. С., А. В. Кочетков // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №. 8. С. 28–32.

24. Methodological Tool “Tool to Calculate Project or Leakage CO2 Emissions From Fossil Fuel Combustion”. Version 02. URL: https://cdm.unfccc.int/methodologies/PAmethodologies/tools/am-tool-03-v2.pdf.

25. Leturcq, P. Wood Preservation (Carbon Sequestration) Or Wood Burning (Fossil-Fuel Substitution), Which is Better for Mitigating Climate Change? / P. Leturcq // Annals of Forest Science. 2014. Vol. 71. С. 117–124. https://doi.org/10.1007/s13595-013-0269-9.

26. European Green Deal Policy Guide / KPMG. KPMG International, 2022. URL: https://assets.kpmg.com/content/dam/kpmg/xx/pdf/2022/01/green-deal-policy-guide-web-2022.pdf. (date of access: 09.06.2024).

27. Экология промышленных технологий: учеб.-метод. комплекс / сост.: О. Ф. Краецкая, И. Н. Прокопеня. Минск: БНТУ, 2014. URL: https://rep.bntu.by/handle/data/10557.

28. Energy Technology Perspectives 2020 / International Energy Agency. IEA. 2020. URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/7f8aed40-89af-4348-be19-c8a67df0b9ea/Energy_Technology_Perspectives_2020_PDF.pdf.

29. Технологии улавливания, полезного использования и хранения двуокиси углерода (CCUS) / А. А. Осипцев, И. В. Гайда, Е. В. Грушевенко, С. Капитонов. Scoltech, 2022. URL: https://esg-library.mgimo.ru/publications/tekhnologii-ulavlivaniya-poleznogo-ispolzovaniya-i-khraneniya-dvuokisi-ugleroda-ccus/?utm_source=yandex.by&utm_medium=organic&utm_campaign=yandex.by&utm_referrer=yandex.by.

30. CO2 Enrichment in Greenhouse Production: Towards a Sustainable Approach / A. Wang, J. Lv, J. Wang, K. Shi // Frontiers in Plant Science. 2022. Vol. 13. P. 1029901. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1029901.

31. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия: ГОСТ 8050–85. Взамен ГОСТ 8050–76; введ. 01.01.1987. М.: Стандартинформ, 2006. 24 с.

32. The Opportunities for Reducing GHG Emissions Through the Capture of Carbon Dioxide During the Production of Bioethanol: ‘Pumping Carbon from the Atmosphere’. London: Imperial College Centre for Energy Policy and Technology, 2005. URL: http://silvaeculture.couk/pdfs/BS_CO2_capture_Final_14jan05.pdf (date of access: 25.06.2024).

33. Кунце, В. Технология солода и пива / В. Кунце. СПб.: Профессия. 2001. 912 с.

34. Свирейко, Н. Е. Развитие пищевой промышленности Республики Беларусь: тенденции и перспективы / Н. Е. Свирейко // Пищевая промышленность: наука и технологии. 2022. Т. 15, № 4. С. 6–12. https://doi.org/10.47612/2073-4794-2022-15-4(58)-6-12.

35. Павлов, К. В. Современное состояние и тенденции развития пищевой промышленности Республики Беларусь / К. В. Павлов, Е. В. Бубнова // Корпоративное управление и инновационное развитие экономики Севера: Вестник Научно-исследовательского центра корпоративного права, управления и венчурного инвестирования Сыктывкарского государственного университета. 2023. Т. 3, №. 2. С. 164–175. https://doi.org/10.34130/2070-4992-2023-3-2-164.

36. Седнин, В. А. Технико-экономическое сопоставление технических решений для энергоцентров на базе компрессорных станций магистральных газопроводов / В. А. Седнин, А. А. Абразовский // Энергия и Менеджмент. 2017. № 5. С. 26–31.

37. Методические рекомендации по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий: утв. Департаментом по энергоэффективности Гос. ком. по стандартизации Респ. Беларусь от 11 нояб. 2020 г. Минск, 2020. 144 с. URL: https://energoeffect.gov.by/supervision/framework/20201118_tepem2.

38. Декларация об уровне тарифов на электрическую энергию, отпускаемую республиканскими унитарными предприятиями электроэнергетики ГПО «Белэнерго» для юридических лиц и индивидуальных предпринимателей: М-во антимонопольного регулирования и торговли Респ. Беларусь от 06 февр. 2024 г. № 43. URL: https://energo.by/upload/doc/%D0%94%D0%95%D0%9A%D0%9B%D0%90%D0%A0%D0%90%D0%A6%D0%98%D0%AF%20%D1%8D%D1%8D_2024.pdf.

39. Игнатович, Р. С. Анализ и оптимизация режимов работы мини-ТЭЦ на местных видах топлива в условиях профицита электроэнергетических мощностей в Объединенной энергетической системе Беларуси. Ч. 1 / Р. С. Игнатович, В. А. Седнин, Е. С. Зуева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 3. С. 241–256. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-3-241-256.

40. Hydrogen production: fundamentals and case study summaries / K. W. Harrison, R. Remick, G. D. Martin, A. Hoskin // 18th World Hydrogen Energy Conference 2010 – WHEC 2010. Book 3: Hydrogen Production Technologies, Part 2: Proceedings of the WHEC, May 16–21 2010 / eds.: D. Stolten, T. Grube. Essen, 2010. P. 207–226. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/34994434.pdf.

41. Сравнительный анализ различных видов топливных элементов // Cleandex. – URL: http://www.cleandex.ru/articles/2015/08/08/fuelcell-comparative?ysclid=m1cee27ciz290628098. – Дата публ: 08.08.2015.

42. Salameh, Z. Renewable energy system design / Z. Salameh. – Academic Press, 2014. https://doi.org/10.1016/C2009-0-20257-1.

43. Архив погоды в Минске / Уручье // rp5.by. URL: https://rp5.by/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D0%B2_%D0%BF%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D1%8B_%D0%B2_%D0%9C%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B5,_%D0%A3%D1%80%D1%83%D1%87%D1%8C%D0%B5 (дата обращения: 20.08.2024).

44. Отопление в жилых домах начинают отключать в Минске // Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь. URL: https://energoeffect.gov.by/news/news_2023/20230417_news2. Дата публ.: 17.04.2023.

45. В Минске начался отопительный сезон. Кому и когда дадут тепло // Минск Новости. URL: https://minsknews.by/v-minske-nachalsya-otopitelnyj-sezon-komu-i-kogda-dadut-teplo/. Дата публ: 09.10.2023.