Анализ регионального потенциала и перспектив преобразования ТКО в водород на базе ТЭС (на примере Уральского федерального округа)

Необходимость повышения уровня утилизации твердых коммунальных отходов (ТКО) наряду с усилением нацеленности на низкоуглеродную энергетику способствует увеличению интереса к технологиям по производству водорода из ТКО не только на отраслевом, но и на государственном уровне. Наличие свободных площадей и избыток генерирующих мощностей делает теплоэлектростанции (ТЭС) наиболее рациональными объектами для внедрения таких установок. Цель исследования – проанализировать потенциал и перспективы преобразования ТКО в водород на базе ТЭС на примере Уральского федерального округа. В ходе выполнения исследования была проведена оценка потенциальных объемов производства водорода и утилизации ТКО, рассчитаны параметры ТЭС, которые могут послужить базой для внедрения установки ТКО-водород, проанализировано ожидаемое изменение технико-экономических показателей ТЭС и даны рекомендации по выбору объекта. Так для условий Уральского федерального округа совокупное производство водорода может составить от 11 до 31 т/ч. При этом производство водорода потребует затрат водяного пара от 63 до 137 т/ч и охлаждающей воды от 32 до 7233 т/ч и будет приводить к снижению электрической мощности от 58 до 125 МВт (при поддержании нагрузки парогенерирующего оборудования постоянной), увеличению расхода условного топлива от 6 до 12 т.у.т./ч (при увеличении нагрузки парогенерирующего оборудования) и увеличению тепловой мощности ТЭС от 18 до 84 МВт (при утилизации сбросной теплоты установки ТКО-водород. Ожидаемое изменение маржинальной прибыли будет варьироваться в пределах от -32 до -125 тыс. руб./ч (при снижении электрической мощности турбин и утилизации сбросного тепла от производства водорода) или в пределах от -21 до +29 тыс. руб./ч (при увеличении расхода топлива на парогенерирующую установку и утилизации сбросного тепла от производства водорода).

1. . Распоряжение правительства Российской Федерации от 25.01.2018 № 84-р об утверждении «Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года».

2. . Прогноз научно-технологического развития России на период до 2030 года, утвержденный председателем правительства Российской Федерации, декабрь 2023, URL: http://static.government.ru/media/files/41d4b737638b91da2184.pdf (доступ 21.05.2024).

3. . Справочник наилучших доступных технологий по обращению с отходами, URL: https://rosinformagrotech.ru/files/dbd_ndt/dbd_ndt_29_Spravochnik_NDT_po_obrascheniyu_s_othodami.pdf (доступ 21.05.2024).

4. . Официальный сайт Федеральной службы государственной статистики, URL:https://rosstat.gov.ru (доступ 22.05.2024).

5. . H. A. Arafat, K. Jijakli, A. Ahsan. Environmental performance and energy recovery potential of five processes for municipal solid waste treatment. Journal of Cleaner Production, 105, 2015, 233-240.

6. . U. Arena, Process and Technological Aspects of Municipal Solid Waste Gasification. A Review. Waste Manag. – 2012, 32, 625-639.

7. . P. R. Bhoi, R. L. Huhnke, A. Kumar, N. Indrawan, S. Thapa. Co-gasification of municipal solid waste and biomass in a commercial scale downdraft gasifier. Energy, 163, 2018, 513-518.

8. . S. Achinas D. Martherus, J. Krooneman, G. J. W. Euverink. Preliminary Assessment of a Biogas-Based Power Plant from Organic Waste in the North Netherlands. Energies 2019, 12, 4034.

9. . S. Salavati, C. T. Zhang, S. Zhang, Q. Liu, M. Gholizadeh, X. Hu, Cross-interaction during Cogasification of wood, weed, plastic, tire and carton. Journal of Environmental Management, 250, 2019, 109467.

10. . J. Lui, W. -H. Chen, D. C. Tsang, S. You. A critical review on the principles, applications, and challenges of waste-to-hydrogen technologies, Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 134, 110365.

11. . M. Irfan, A. Li, L. Zhang, G. Ji, Y. Gao, S. Khushk. Hydrogen-rich syngas from wet municipal solid waste gasification using Ni/Waste marble powder catalyst promoted by transition metals, Waste Manag. 2021, 132, 96-104.

12. . A. R. Da Costa Labanca, Carbon black and hydrogen production process analysis, International Journal of Hydrogen Energy 480 2020, 45, 25698-25707.

13. . C. M. Kalamaras, A. M. Efstathiou. Hydrogen Production Technologies: Current State and Future Developments, Conference 483 Papers in Energy 2013, 2013, 1-9.

14. . J. Bollmann, S. Pitchaimuthu, M. F. Kühnel. Challenges of Industrial-Scale Testing Infrastructure for Green Hydrogen Technologies, Energies, 2023, 16, 3604.

15. . F. Hönig, G. D. Rupakula, D. Duque-Gonzalez, M. Ebert, U. Blum. Enhancing the Levelized Cost of Hydrogen with the Usage of the Byproduct Oxygen in a Wastewater Treatment Plant, Energies, 2023, 16, 4829.

16. . L. Fulcheri, V. -J. Rohani, E. Wyse, N. Hardman, E. Dames. An energy-efficient plasma methane pyrolysis process for high yields 485of carbon black and hydrogen, International Journal of Hydrogen Energy 2022.

17. . Kolbantseva D., Treschev D., Trescheva M., Anikina I., Kolbantsev Y., Kalmykov K., Aleshina A., Kalyutik A., Vladimirov I. Analysis of Technologies for Hydrogen Consumption, Transition and Storage at Operating Thermal Power Plants. Energies 2022.

18. . Efficiency of Using Heat Pumps in a Hydrogen Production Unit at Steam-Powered Thermal Power Plants / M. Treshcheva, D. Kolbantseva, I. Anikina [et al.] // Sustainability. – 2023. – Vol. 15, No. 21. – P. 15204. – DOI 10.3390/su152115204. – EDN UDCIGQ.

19. . Kolbantseva D. L., Treshchev D. A., Kalmykov K. S., Anikina I. D., Treshcheva M. A., Kalyutik A. A., Vladimirov Ya. A., Naypak K. A. Prospects for hydrogen production by the method of gasification of MSW at operating TPPs. International Journal of Hydrogen Energy Volume 51, Part D, 2 January 2024, Pages 96-106.

20. . Aldana H., Lozano F. J., Acevedo J. Evaluating the potential for producing energy from agricultural residues in México.

21. . Zheng X., Chen C., Ying Z., Wang B. Experimental study on gasification performance of bamboo and PE from municipal solid waste in a benchscale.

22. . Теплоэнергетика, 2022, № 12, стр. 5-22 Энергетическая утилизация ТКО: Мировой и отечественный опыт (обзор) А. Н. Тугов.

23. . Владимиров Я. А., Зысин Л. В. Методические вопросы энергетического использования твердых коммунальных бытовых отходов и продуктов их газификации.

24. . Шабуров Е. Л., Федюхин А. В., Ипполитов В. А. Расчет режимных параметров установки газификации ТБО.

25. . Kaplan R., Kopacz M. Economic Conditions for Developing Hydrogen Production Based on Coal Gasification with Carbon Capture and Storage in Poland.

26. . Dumančić A., Vlahinić Lenz N., Majstrović G. Can Hydrogen Production Be Economically.

27. . Jovan D. J., Dolanc G., Pregelj B. Cogeneration of green hydrogen in a cascade hydropower plant.

28. . Kolbantcev Yu. A., Konyushin M. V., Kalyutik A. A. The usage of probabilistic assessment for cost calculations of using NPP with hydrogen industrial production. Power engineering: research.

29. . Официальный сайт АО «АТС», годовой отчет 2021 год, URL: https://www.atsenergo.ru/sites/default/files/reportdocs/2022/06/go_ats_2021.pdf (доступ 30.05.2024).

30. . Официальный сайт АО «АТС», годовой отчет 2022 год, URL: https://www.atsenergo.ru/sites/default/files/reportdocs/2022/06/go_ats_2022.pdf (доступ 30.05.2024).

31. . Официальный сайт Министерства энергетики Российской Федерации, Отчет о состоянии теплоэнергетики и централизованного теплоснабжения в Российской Федерации в 2021 году, URL: https://minenergo.gov.ru/upload/iblock/166/Doklad_po_teplu_za_2021_god.pdf (доступ 02.06.2024).

32. . Alao, M. A.; Popoola, O. M.; Ayodele, T. R. Waste to energy nexus: An overview of technologies and implementation for sustainable development. Clean. Energy Syst. 2022, 3, 100034.

33. . Naveenkumar R., Iyyappan J., Pravin R., Kadry S., Han J., Sindhu R., Awasthi M. K., Rokhum S. L., Baskar G. A strategic review on sustainable approaches in municipal waste management and energy recovery: Role of artificial intelligence, economic stability and life cycle assessment. Bioresour. Technol. 2023, 379, 129044.

34. . Mukherjee C., Denney J., Mbonimpa E. G., Slagley J., Bhowmik R. A Review on Municipal Solid Waste-to-Energy Trends in the USA. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 119, 109512.

35. . Cheekatamarla P. Hydrogen and the Global Energy Transition – Path to Sustainability and Adoption across All Economic Sectors. Energies 2024, 17, 807.

36. . Ranjekar A. M., Yadav G. D. Steam reforming of methanol for hydrogen production: A critical analysis of catalysis, processes, and scope. Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 89-113.

37. . Improving the efficiency of chp plants through the combined production of hydrogen, heat and electricity / K. S. Kalmykov, D. L. Kolbantseva, D. A. Treschev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – P. 49-61. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.08.125. – EDN BEPDBD.