Моделирование работы парогазовой ТЭЦ при интеграции комплекса по производству водорода методом газификации ТКО

Актуальность исследования обусловлена необходимостью поиска новых путей утилизации твёрдых коммунальных отходов (ТКО) и развития технологий производства низкоуглеродного водорода в рамках перехода к устойчивой энергетике. Исследование посвящено обоснованию возможности вовлечения ТКО в процесс производства водорода на действующих теплоэлектростанциях (ТЭЦ). Цель работы заключается в оценке эффективности интеграции комплекса по производству водорода путем газификации ТКО в тепловую схему действующей парогазовой ТЭЦ. В качестве метода исследования используется математическое моделирование энергетического оборудования в САПР «United Cycle». Объектом исследования выбрана Южная ТЭЦ-22 города Санкт-Петербурга. В ходе выполнения исследования показано, что интеграция комплекса по производству водорода в состав действующей ТЭЦ не оказывает влияния на электро- и теплоснабжение существующих потребителей. Установлено, что внедрение комплекса способствует повышению энергетической эффективности парогазового блока независимо от морфологического состава перерабатываемых отходов до 11,1% при отсутствии охладителя синтез-газа. Показано, что интеграция охладителя синтез-газа в тепловую схему парогазового блока обеспечивает дополнительный энергетический эффект за счёт повышения коэффициента использования теплоты топлива (КИТТ) до 12%.

1. . Распоряжение 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: 20.07.2025).

2. . Единая концепция обращения с твердыми коммунальными отходами (ТКО) на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области (с возможностью разделения потоков ТКО) [Электронный ресурс] URL: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2022/07/07/40/Единая_концепция.pdf (Дата обращения: 20.07.2025).

3. . Распоряжение Комитета от 15.06.2022 № 361-р «Об утверждении Территориальной схемы обращения с отходами производства и потребления» [Электронный ресурс] URL: https://www.gov.spb.ru/gov/otrasl/ecology/obrashenie-s-othodami/rasporyazhenie-komiteta-ot-15062022-361-r-obutverzhdenii-territorialn/ (Дата обращения: 20.07.2025).

4. . Распоряжение правительства Санкт-Петербурга от 29.10.2024 № 275-р «О внесении изменений в распоряжение Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности от 15.06.2022 № 361-р» [Электронный ресурс] URL: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2024/10/29/08/275-р_от_29.10.2024.pdf (Дата обращения: 20.07.2025).

5. . Tahir J., Ahmad R., Martinez P. A critical review of sustianable refuse-derived fuel production in waste processing facility // Energy Conversion and Management: X. – 2024. – Vol. 24. – P. 100687. – DOI: 10.1016/j.ecmx.2024.100687.

6. . Sarquah K., Narre S., Beck G. [et all.] Evaluating opportunities of refuse derived fuel for energy-based industrial symbiosis towards a circular economy – A case study // Journal of Environmental Management. – 2025. – Vol. 380. – P. 125116. – DOI: 10.1016/j.jenvman.2025.125126.

7. . Han S. W., Lee J. J., Tokmurzin D. [et al.]. Gasification characteristics of waste plastics (SRF) in a bubbling fluidized bed: Influence of equivalence ratio on gas yield and composition // Energy. – 2022. – Vol. 238. – P. 121944. – DOI: 10.1016/j.energy.2021.121944.

8. . Sarker T. R., Khatun M. L., Ethen D. Z. [et al.]. Recent evolution in thermochemical transformation of municipal solid waste into energy and chemicals: A review // Heliyon. – 2024. – Vol. 10. – P. e37105. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e37105.

9. . 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: 20.07.2025).

10. . 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/2025-06-09/45be581bad89594daf8ff94ddec71177.pdf (Дата обращения: 20.07.2025).

11. . Указ Президента Российской Федерации от 26.10.2023 № 812 «Об утверждении Климатической доктрины Российской Федерации» [Электронный ресурс] URL: http://publication.pravo.gov.ru/document/0001202310260009 (Дата обращения: 20.07.2025).

12. . Рынок водорода в России: амбициозные планы к 2030 году. Аналитический отчет «AnalyticResearchGroup» «Российский рынок водорода: комплексный анализ и прогноз – 2025» [Электронный ресурс] URL: https://www.analyticresearchgroup.ru/rynok-vodoroda-v-rossii--ambitsioznye-plany-k-2030godu (Дата обращения: 20.07.2025).

13. . Li Z., Qi X., Huang M., Ma Z., Kochan O [et al]. Multi-objective optimization of hydrogen production system based on the combined supercritical cycle and gas turbine plant // Chemosphere. – 2023. – Vol. 338. – P. 139344. – DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.139344.

14. . Schiffer B., Pfenning M., Clees T. Retrofit of a combined heat and power plant with gas and steam turbines to hydrogen with special consideration of the balance of plant // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. – Vol. 144. – Pр. 1299-1313. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.02.160.

15. . Khanmohammadi S., Soyturk G., Kizilkan O. Thermal performance evaluation and multi-objective optimization of a hybrid system integrating biogas gas turbine, CO2 cycles, cold energy recovery, cooling and hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. Vol. 144. – Pр. 760-772. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.03.224.

16. . Zhou H., Xue J., Gao H., Ma N. Hydrogen-fueled gas turbines in future energy system // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 64. – Pр. 562582. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.03.327.

17. . Yazdani A.M., Salimi M., Amidpour M. Techno-economic study of gas turbines with hydrogen, ammonia, and their mixture fuels // Helyon. – 2024. – Vol. 10. – e40727. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e40727.

18. . Счастливцев А. И., Дуников Д. О., Борзенко В. И., Шматов Д. П. Водородно-кислородные установки для энергетики // Теплофизика высоких температур. – 2020. – Т. 58. – № 5. – С. 809-822. – DOI: 10.31857/S0040364420050087.

19. . Hamedani E. A., Alenabi S. A., Talebi S. Hydrogen as an energy source: A review of production technologies and challenges of fuel cell vehicles // Energy Reports. – 2024. – Vol. 12. – Pр. 3778-3794. – DOI: 10.1016/j.egyr.2024.09.030.

20. . Vasques R. D. G., Rhenals-Julio J. D., Mendoza J. M. [et al.] Optimizing hydrogen production and efficiency in biomass gasification through advanced CFD modeling // Applied Thermal Engineering. – 2025. – Vol. 272. – P. 126454. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.126454

21. . Taylor M. J., Hornsby K., Cheah K. W. [et al.] Boosting sustainable hydrogen production through the gasification of municipal solid waste: A review // Energy Conversion and Management: X. – 2025. – Vol. 27. – P. 101135. – DOI: 10.1016/j.ecmx.2025.101135.

22. . Indrawan N., Thapa S., Bhoi P. R. [et al.] Distributed power generation via gasification of biomass and municipal solid waste: A review // Journal of the Energy Institute. – 2020. – Vol. 93. – Pр. 2293-2313. – DOI: 10.1016/j.joei.2020.07.001.

23. . Singh A., Shivapuji A. M., Dasappa S. Hydrogen production through agro-residue gasification and adsorptive separation // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 234. – P. 121247. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121247.

24. . Cui W., Wei Y., Ji N. Global trends of waste-to-energy (WtE) technologies in carbon neutral perspective: Bibliometric analysis // Ecotoxicology and Environmental Safety. – 2024. – Vol. 270. – P. 115913. – DOI: 10.1016/j.ecoenv.2023.115913.

25. . Patil S. C., Schulze-Netzerb C., Korpas M. Current and emerging waste-to-energy technologies: A comparative study with multi-criteria decision analysis // Smart Energy. – 2024. – Vol. 16. – P. 100157. – DOI: 10.1016/j.segy.2024.100157.

26. . Калютик А. А., Трещёв Д. А., Кравченко С. О. Использование RDF-топлива для выработки электроэнергии в парогазовой установке на ТЭЦ в СанктПетербурге // Глобальная энергия. – 2024. – Т. 30. – № 2. – С. 49-73. DOI: 10.18721/JEST.30203.

27. . Montiego E., Ramos A., Rouboa A. Fundamental designs of gasification plants for combined heat and power // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2024. – Vol. 196. – P. 114305. – DOI: 10.1016/j.rser.2024.114305.

28. . Калютик А. А., Трещев Д. А., Поздеева Д. Л. Утилизация твердых бытовых отходов на ТЭЦ г. Санкт Петербурга // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. – 2019. – Т. 25. – № 3. – С. 59-70. DOI: 10.18721/JEST.25304.

29. . Sariada M. A., Calderon A. Comparative analysis of existing waste-to-energy reference plants for municipal solid waste // Cleaner Environmental Systems. – 2021. – Vol. 3. – P. 100063. – DOI: 10.1016/j.cesys.2021.100063.

30. . Hamid A., Deris R. R. R., Shaffee S. N. A. [et al.] A systematic review on environmentally friendly hydrogen production methods: comparative analysis of reactor technologies for optimal efficiency and sustainability // Sustainable Chemistry for Climate Action. – 2025. – Vol. 6. – P. 100088. – DOI: 10.1016/j.scca.2025.100088.

31. . Tahmasbi M., Siavashi M., Ahmadi R. A comprehensive review of hydrogen production and storage methods: fundamentals, advances, and SWOT analysis // Energy Conversion and Management: X. – 2025. – Vol. 26. – P. 101005. – DOI: 10.1016/j.ecmx.2025.101005.

32. . Bagde A. V., Paul M. C. Waste to hydrogen: Steam gasification of municipal solid wastes with carbon capture for enhanced hydrogen production // Biomass and Bioenergy. – 2025. – Vol. 198. – P. 107855. – DOI: 10.1016/j.biombioe.2025.107855.

33. . Materazzi M., Chari S., Sebastiani A. [et al.] Waste-to-energy and waste-to-hydrogen with CCS: Methodological assessment of pathways to carbon-negative waste treatment from an LCA perspective // Waste Management. – 2024. – Vol. 173. – Pр. 184-199. – DOI: 10.1016/j.wasman.2023.11.020.

34. . Ngo T. N. L. T., Chiang K. Y., Liu C. F. [at al.] Hydrogen production enhancement using hot gas cleaning system combined with prepared Ni-based catalyst in biomass gasification // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46. – Pр. 11269-11283. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.279.

35. . Panichkittikul N., Mariyappan V., Wu W. [at al.] Improvement of biohydrogen production from biomass using supercritical water gasification and CaO adsorption // Fuel. – 2024. – Vol. 361. – P. 130724. – DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130724.

36. . Hafner S., Schmid M., Scheffknecht G. Parametric Study on the Adjustability of the Syngas Composition by Sorption-Enhanced Gasification in a Dual-Fluidized Bed Pilot Plant// Energies. – 2021. – Vol. 14. – P. 399. – DOI: 10.3390/en14020399.

37. . Bhuiyan M. Y., Rudra S., Sayem A. S. M. Pyro-gasification of Norwegian industrial solid waste (ISW) for hydrogen production and district heating application: A 4-E (energy, exergy, environment, and economic) analysis // Energy Conversion and Management: X. – 2025. – Vol. 27. – P. 101068. – DOI: 10.1016/j.ecmx.2025.101068.

38. . Kolbantseva D. L., Treshchev D. A., Kalmykov K. S. [et al.] Prospects for hydrogen production by the method of gasification of MSW at operating TPPs // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 96-106. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.09.202.

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

40. . Han S. W., Lee J. J., Tokmurzin D. [et al.] Gasification characteristics of waste plastics (SRF) in a bubbling fluidized bed: Effects of temperature and equivalence ratio // Energy. – 2022. – Vol. 238. – P. 121944. – DOI: 10.1016/j.energy.2021.121944.

41. . Oliveira M., Ramos A., Monteiro E. [et al.] Modeling and simulation of a fixed bed gasification process for thermal treatment of municipal solid waste and agricultural residues // Energy Reports. – 2021. – Vol. 7. – Pр. 256-269. – DOI: 10.1016/j.egyr.2021.07.124.

42. . Tokmurzin D., Nam J. Y., Park S. J. [et al.] Three-Dimensional CFD simulation of waste plastic (SRF) gasification in a bubbling fluidized bed with detailed kinetic chemical model // Energy Conversion and Management. – 2022. – Vol. 267. – P. 115925. – DOI: 10.1016/j.enconman.2022.115925.

43. . Rudra S., Tesfagaber Y. K. Future district heating plant integrated with municipal solid waste (MSW) gasification for hydrogen production // Energy. – 2019. – Vol. 180. – Pр. 881-892. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.05.125.

44. . Cai J., Tang Y., Yang J. [et al.] Simulation of thermodynamic systems in calcium-based chemical looping gasification of municipal solid waste for hydrogen-rich syngas production // Process Safety and Environmental Protection. – 2024. – Vol. 190. – Pр. 335-352. – DOI: 10.1016/j.psep.2024.08.051.

45. . 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.

46. . Колбанцева Д. Л. Алгоритм выбора площадки действующей ТЭС для интеграции комплекса по производству водорода методом газификации ТКО / Д. Л. Колбанцева // Современные технологии и экономика в энергетике: Материалы Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 27 апреля 2023 года. – Санкт-Петербург: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», 2023. – С. 152-154.