alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2025.08.116-139alternative-2688Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА. 12. Водородная экономика. 12-5-0-0 Методы получения водорода. 12-5-5-0 Каталитическая конверсия (риформинг) газообразных и жидких углеводородовIV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen economy. 12-5-0-0 Hydrogen production methods. 12-5-5-0 Method of catalytic conversion (reforming) of gaseous and liquid hydrocarbonsМетодика расчёта удельных расходов топлива при анализе комбинированного производства водорода на ТЭС с использованием цифрового моделированияMethodology for calculating specific fuel consumption in the analysis of combined hydrogen production at thermal power plants using digital simulationКалмыковА. С.KalmykovK. S.

Калмыков Константин Сергеевич, ассистент Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Konstantin Sergeevich Kalmykov, assistant of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student)

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

kalmykov_ks@spbstu.ruАникинаИ. Д.AnikinaI. D.

Аникина Ирина Дмитриевна, доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Irina Dmitrievna  Anikina, assistant professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineerin

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

ТрещёвД. А.TreshchevD. A.

Трещёв Дмитрий Алексеевич, старший преподаватель Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Dmitriy Alekseevich Treshchev, senior lecturer of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student)

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

КолбанцеваД. Л.KolbantsevaD. L.

Колбанцева Дарья Львовна, старший преподаватель Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Daria Lvovna Kolbantseva, senior lecturer of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student)

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

ТрещёваМ. А.TreshchevaM. A.

Трещёва Милана Алексеевна, доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Milana Alekseevna Treshcheva, assistant professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

ВладимировЯ. А.VladimirovYa. A.

Владимиров Ярослав Александрович, доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Iaroslav Alexandrovich  Vladimirov, assistant professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

КравченкоС. О.KravchenkoS. O.

Кравченко София Олесьевна, инженер Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Sophia Olesyevna Kravchenko, engineer of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineerin

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

МирончуМ. П.MironchukM. P.

Мирончу Марк Павлович, инженер Высшей школы атомной и тепловой энергетики

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Mark Pavlovich Mironchuk, engineer of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineerin

195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya st., 29

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation20252711202508116139Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20252025Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2688

Исследование посвящено переводу тепловых электростанций с когенерационного на комбинированное производство теплоты, электричества и водорода методом паровой конверсии метана.

Актуальность работы обусловлена необходимостью корректного распределения затрат топлива между принципиально разнородными продуктами в мультигенерационных энергетических системах с целью оптими­зации и определения режимов загрузки оборудования.

К методам исследования относятся анализ и синтез знаний о существующей методике расчёта удельных расходов условного топлива и материально-энергетических балансах тепловых электростанций и установок па­ровой конверсии метана (УПКМ), а также имитационное моделирование тепловой схемы паросиловой электро­станции в программе «United Cycle».

Доработана существующая методика расчёта удельных расходов условного топлива для оценки технико­экономических показателей при комбинированном производстве трех продуктов. Методика была апробирована  на примере Северной ТЭЦ-21 (г. Санкт-Петербург) с использованием цифрового двойника.

Результаты показывают повышение энергетической эффективности при комбинированном производстве: рост коэффициента использования теплоты топлива на 0,10-0,43% и снижение суммарного расхода топлива при сохранении объемов продукции. Интеграция УПКМ позволяет снизить тепловую мощность её печи на 28% и уменьшить потери в конденсаторах турбин. Эффективность интеграции зависит от сезонного режима работы станции и масштаба производства водорода. Предложенная методика и инструменты цифрового моделирования позволяют проводить технико-экономический анализ и оптимизацию режимов работы энерготехнологических комплексов, обеспечивая научно обоснованный выбор параметров интеграции для конкретных условий эксплу­атации.

The study is devoted to the conversion of thermal power plants from cogeneration to combined production of heat, electricity and hydrogen using the method of methane steam reforming.

The relevance of the work is due to the need for correct distribution of fuel costs between fundamentally different products in multi-generation energy systems in order to optimize and determine equipment loading modes.

The research methods include the analysis and synthesis of knowledge about the existing methodology for calculat­ing specific fuel consumption and material and energy balances of thermal power plants and methane steam reforming units (MSRU), as well as simulation modeling of the thermal circuit of a steam power plant in the program «United Cycle».

The existing methodology for calculating specific fuel consumption has been improved to assess technical and economic indicators for the combined production of three products. The methodology was tested on the example of Severnaya TPP-21 (St. Petersburg) using a digital twin of the plant.

The results show an increase in energy efficiency: an increase in the fuel heat utilization factor by 0,10-0,43% and a decrease in total fuel consumption while maintaining production volumes. The integration of the MSRU allows for a decrease in the thermal power of its furnace by 28% and a reduction in losses in condensers. The efficiency of integration depends on the seasonal operating mode of the station and the scale of hydrogen production. The proposed methodology and digital modeling tools allow for technical and economic analysis and optimization of operating modes of energy technology complexes, ensuring a scientifically sound choice of integration parameters for specific operating conditions

производство водородапаровая конверсия метанатепловая электростанциятеплоэлектроцентральцифровой двойник.hydrogen productionmethane steam reformingthermal power plantcombined heat and power plantdigital twinИсследование профинансировано Министерством науки и высшего образования РФ в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (соглашение 075-15-2025-210 от 04 апреля 2025 г.)ReferencesРаспоряжение правительства Российской Федерации от 12.04.2025 г. № 908-р об утверждении Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2050 года [Электронный ресурс] URL: https://minenergo.gov.ru/upload/iblock/d6a/Energostrategiya-RF-do-2050-goda.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).Order of the Government of the Russian Federation No. 908-r dated April 12, 2025, on the approval of the Energy Strategy of the Russian Federation for the period up to 2050 [Electronic resource] URL: https://minenergo.gov.ru/upload/iblock/d6a/Energostrategiya-RF-do-2050-goda.pdf (Accessed: 17.07.2025).Распоряжение Правительства Российской Федерации от 05.08.2021 № 2162-р «Об утверждении Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации» [Электронный ресурс] URL: http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).Order of the Government of the Russian Federation No. 2162-r dated 05.08.2021 “On Approval of the Concept for the Development of Hydrogen Energy in the Russian Federation” [Electronic resource] URL: http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (Accessed: 17.07.2025).Указ Президента Российской Федерации от 28.02.2024 № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [Электронный ресурс] URL: https://mchs.gov.ru/uploads/document/2025-06-09/45be581bad89594daf8ff94dd ec71177.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).Decree of the President of the Russian Federation No. 145 dated February 28, 2024, “On the Strategy for Scientific and Technological Development of the Russian Federation” [Electronic resource] URL: https://mchs.gov.ru/uploads/document/2025-06-09/45be581bad89594daf8ff94ddec71177.pdf (Accessed: 17.07.2025).Gang Wang. Design and performance evaluation of an innovative solar concentration polygeneration system / Gang Wang [et al.] // Renewable Energy. – 2025. – Vol. 251. – 123441. – DOI 10.1016/j.renene.2025.123441.Gang Wang. Design and performance evaluation of an innovative solar concentration polygeneration system / Gang Wang [et al.] // Renewable Energy. – 2025. – Vol. 251. – 123441. – DOI 10.1016/j.renene.2025.123441.Fomin, V. A. Combined-cycle gas turbine plant based on steam-turbine unit and a parallel superimposed gas-turbine plant with waste heat recovery boiler / V. A. Fomin, A. A. Kalyutik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019, Saint Petersburg, May 23-24, 2019. – Saint Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. – P. 012139. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012139.Fomin, V. A. Combined-cycle gas turbine plant based on steam-turbine unit and a parallel superimposed gas-turbine plant with waste heat recovery boiler / V. A. Fomin, A. A. Kalyutik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019, Saint Petersburg, May 23-24, 2019. – Saint Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. – P. 012139. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012139.Mancarella, P. MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models / P. Mancarella // Energy. – 2014. – No. 65. Pр. 1-17.Mancarella, P. MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models / P. Mancarella // Energy. – 2014. – No. 65. Pр. 1-17.Jana, K. Polygeneration as a future sustainable energy solution – A comprehensive review / K. Jana [et al.] // Applied Energy. – 2017. – No. 202. – Pр. 88-111.Jana, K. Polygeneration as a future sustainable energy solution – A comprehensive review / K. Jana [et al.] // Applied Energy. – 2017. – No. 202. – Pр. 88-111.Chicco, G., Mancarella, P. Distributed multigeneration: A comprehensive view / G. Chicco, P. Mancarella // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – No. 13. – Pр. 535-551.Chicco, G., Mancarella, P. Distributed multigeneration: A comprehensive view / G. Chicco, P. Mancarella // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – No. 13. – Pр. 535-551.Кокорин, О. Я. Преимущества автономных станций для совместной выработки электроэнергии, тепла и холода / О. Я. Кокорин // Холодильная техника. – 2003. – № 12.Kokorin, O. Ya. Advantages of Autonomous Stations for the Joint Production of Electricity, Heat, and Cold / O. Ya. Kokorin // Refrigeration Engineering. – 2003. – No. 12.Тувальбаев, Б. Г. Работа ТЭС в постоянном режиме с выработкой дополнительной продукции на невостребованной энергии / Б. Г. Тувальбаев, В. И. Моисеев // Энергосбережение и водоподготовка. – 2013. – № 4 (84). – С. 24-27.Tuvalbaev, B. G. Operation of Thermal Power Plants in a Continuous Mode with the Production of Additional Products from Unclaimed Energy / B. G. Tuvalbaev, V. I. Moiseev // Energy Saving and Water Treatment. – 2013. – No. 4 (84). – Pp. 24-27.Тувальбаев, Б. Г. Расширение функциональных задач оборудования городских ТЭС / Б. Г. Тувальбаев [и др.] // Энергосбережение и водоподготовка. – 2011. – № 2 (70). – С. 37-38.Tuvallbaev, B. G. Expansion of the Functional Tasks of Urban Thermal Power Plant Equipment / B. G. Tuvallbaev [et al.] // Energy Saving and Water Treatment. – 2011. – No. 2 (70). – Pp. 37-38.Matthias Re. Profitability analysis of H2 production by water electrolysis in an integrated oxy-fuel combustion thermal power plant / Matthias Re [et al.] // Fuel. – 2025. – Vol. 398. – Р. 135544. – DOI 10.1016/j.fuel.2025.135544.Matthias Re. Profitability analysis of H2 production by water electrolysis in an integrated oxy-fuel combustion thermal power plant / Matthias Re [et al.] // Fuel. – 2025. – Vol. 398. – Р. 135544. – DOI 10.1016/j. fuel.2025.135544.Mahdi Taheripour. A hybrid poly-generation system for power and hydrogen production by thermal recovery from waste streams in a steel plant: Techno-economic analysis / Mahdi Taheripour [et al.] // Energy Reports. – 2024. – Vol. 11. – Pр. 2921-2934. – DOI 10.1016/j.egyr.2024.02.039.Mahdi Taheripour. A hybrid poly-generation system for power and hydrogen production by thermal recovery from waste streams in a steel plant: Techno-economic analysis / Mahdi Taheripour [et al.] // Energy Reports. – 2024. – Vol. 11. – Pр. 2921-2934. – DOI 10.1016/j.egyr.2024.02.039.Kolbantseva, D. L. Prospects for hydrogen production by the method of gasification of MSW at operating TPPs / D. L. Kolbantseva [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 96-106. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.09.202.Kolbantseva, D. L. Prospects for hydrogen production by the method of gasification of MSW at operating TPPs / D. L. Kolbantseva [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 96-106. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.09.202.Marin, G. E. Gas turbine operating as part of a thermal power plant with hydrogen storages / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Pр. 33393-33400. – DOI10.1016/j.ijhydene.2023.05.109.Marin, G. E. Gas turbine operating as part of a thermal power plant with hydrogen storages / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Pр. 33393-33400. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.05.109.Roberto Carapellucci. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming / Roberto Carapellucci, Lorena Giordano // Energy. – 2019. – Vol. 173. – Pр. 229-243. ISSN 0360-5442. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.02.046.Roberto Carapellucci. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming / Roberto Carapellucci, Lorena Giordano // Energy. – 2019. – Vol. 173. – Pр. 229-243. ISSN 0360-5442. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.02.046.Matteo C. Romano. Application of the Sorption Enhanced-Steam Reforming process in combined cycle-based power plants / Matteo C. Romano [et al.] // Energy Procedia. – 2011. – Vol. 4. – Pр. 1125-1132. ISSN 1876-6102. – DOI: 10.1016/j.egypro.2011.01.164.Matteo C. Romano. Application of the Sorption Enhanced-Steam Reforming process in combined cycle-based power plants / Matteo C. Romano [et al.] // Energy Procedia. – 2011. – Vol. 4. – Pр. 1125-1132. ISSN 1876-6102. – DOI: 10.1016/j.egypro.2011.01.164.Kalmykov, K. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants / K. Kalmykov [et al.] // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. – Р. 7710. – DOI: 10.3390/su14137710Kalmykov, K. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants / K. Kalmykov [et al.] // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. – Р. 7710. – DOI: 10.3390/su14137710Kalmykov, K. S. Improving the efficiency of CHP plants through the combined production of hydrogen, heat and electricity / K.S. Kalmykov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 49-61. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.08.125.Kalmykov, K. S. Improving the efficiency of CHP plants through the combined production of hydrogen, heat and electricity / K.S. Kalmykov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 49-61. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.08.125.Приказ Министерства энергетики РФ от 13 июня 2013 г. «Об утверждении методических указаний по расчёту удельных расходов топлива на отпущенную электрическую и тепловую энергию в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, применяемых в целях тарифного регулирования в сфере теплоснабжения» [Электронный ресурс] URL: http://ips.pravo.gov.ru/?doc_itself=&backlink=1&nd=102412695&page=1&rdk=0#I0 (Дата обращения: 17.07.2025).Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation dated June 13, 2013 «On approval of methodological guidelines for calculating specific fuel costs for released electric and thermal energy in the mode of combined generation of electric and thermal energy used for tariff regulation in the field of heat supply» [Electronic resource] URL: http://ips.pravo.gov.ru/?doc_itself=&backlink=1&nd=102412695&page=1&rdk=0#I0 (Date of request: 07/17/2025).Хлебалин, Ю. М. Теплофикация и второй закон термодинамики / Ю. М. Хлебалин // Вестник СПбГУ. – 2011. – № 1 (54). – Выпуск 3. – С. 94-101.Khlebalin, Yu. M. Thermification and the second law of thermodynamics / Yu. M. Khlebalin // Bulletin of St. Petersburg State University. – 2011. – № 1 (54). – Issue 3. – Рp. 94-101.Арутюнов, В. С. Окислительные превращения метана / В. С. Арутюнов, О. В. Крылов. – М.: Наука, 1998. – 361 с., ил.Arutyunov, V. S. Oxidative transformations of methane / V. S. Arutyunov, O. V. Krylov. – M.: Nauka, 1998. – 361 p., ill.Письмен, М. К. Производство водорода в нефтеперерабатывающей промышленности / М. К. Письмен. – М.: Химия, 1976. – 361 с.Pisis, M. K. Production of hydrogen in the oil refining industry / M. K. Pisis. – M.: Khimiya, 1976. – 361 p.Диденко, Л. П. Паровая конверсия метана и его смесей с пропаном в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором и фольгой из сплава Pd–Ru / Л. П. Диденко, Л. А. Семенцова, П. Е. Чижов, Т. В. Дорофеева // Нефтехимия. – 2019. – Т. 59, № 3. – С. 271-281. – DOI: 10.1134/S0028242119030055Didenko, L. P. Steam conversion of methane and its mixtures with propane in a membrane reactor with an industrial nickel catalyst and a Pd–Ru alloy foil / L. P. Didenko, L. A. Sementsova, P. E. Chizhov, T. V. Dorofeeva // Petrochemistry. – 2019. – Vol. 59, No. 3. – Pp. 271-281. – DOI: 10.1134/S0028242119030055Romanov, S. «United Cycle» Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. / S. Romanov [et al.] // In Proceeding of the «16th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS2003)». Copenhagen, Denmark, 30 June – 2 July 2003; pp. 1691-1696.Romanov, S. «United Cycle» Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. / S. Romanov [et al.] // In Proceeding of the «16th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS2003)». Copenhagen, Denmark, 30 June – 2 July 2003; pp. 1691-1696.Romanov, S. N. Software «United Cycle» for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12-17 June 2001; pp. 306-309. – DOI: 10.1117/12.456288.Romanov, S. N. Software «United Cycle» for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12-17 June 2001; pp. 306-309. – DOI: 10.1117/12.456288.Тепловые схемы ТЭС и АЭС. Под ред. С. А. Казарова. – СПб: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1995. – 392 с.Thermal schemes of thermal power plants and nuclear power plants. Edited by S. A. Kazarov. – St. Petersburg: Energo-atomizdat. St. Petersburg branch, 1995. – 392 p.Боровков, В. М. Тепловые схемы ПГУ: автоматизация конструирования и расчёта / В. М. Боровков [и др.] // Электрические станции. – 1994. – № 7. – С. 36-40.Borovkov, V. M. Thermal schemes of PGU: automation of design and calculation / V. M. Borovkov [et al.] // Electric power plants. – 1994. – No. 7. – Pp. 36-40.Bejan, A. Thermal Design and Optimization / A. Bejan. – Energy, Elsevier BV. – 1996. – 560 pp.Bejan, A. Thermal Design and Optimization / A. Bejan. – Energy, Elsevier BV. – 1996. – 560 pp.Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут. – М.: Энергия, 1968. – 280 с.Shargut, Ya. Exergy / Ya. Shargut. – M.: Energy, 1968. – 280 p.Kotas, T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis / T. J. Kotas. – Malabar: Krieger Publishing Company. – 1995. – 336 pp.Kotas, T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis / T. J. Kotas. – Malabar: Krieger Publishing Company. – 1995. – 336 pp.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.