Разработка технологий комбинированного производства электроэнергии и водорода на органическом топливе без выбросов вредных веществ в атмосферу

Переход на кислородно-топливные энергетические циклы для совместного производства электроэнергии и водорода является перспективным направлением снижения выбросов углекислого газа в атмосферу в энергетическом секторе. В настоящей работе описан разработанный кислородно-топливный энергетический комплекс с интегрированной установкой паровой конверсии метана на базе цикла SCOC-CC для производства электроэнергии и водорода с нулевыми выбросами CO₂ в окружающую среду. В ходе термодинамического исследования было выявлено, что при увеличении производства водорода на выходе установки ПКМ с 0 кг/с до 1,33 кг/с коэффициент использования теплоты топлива кислородно-топливного комплекса с интегрированной установкой ПКМ на базе цикла SCOC-CC выше на 1,71-6,14%, чем у аналогичного комплекса на базе цикла Аллама. Это обусловлено тем, что при использовании кислородно-топливного комплекса с интегрированной установкой ПКМ на базе цикла SCOC-CC расход метана, подаваемого в печь риформера, уменьшается на 0,26-0,92 кг/с относительно ближайшего аналога.

1. . Global and Russian Energy Outlook 2019 / A. A. Makarov, T. A. Mitrova, V. A. Kulagin // ERI RAS – Moscow School of Management SKOLKOVO – Moscow, 2019. – 210 p.

2. . Analysis of fossil fuel energy consumption and environmental impacts in European countries / F. Martins, C. Felgueiras, M. Smitkova, N. Caetano // Energies. 2019; 12(6):964.

3. . IEA 2021 Global Energy Review 2021 (Paris: IEA)

4. . Net, I. E. A. Zero by 2050: a roadmap for the global energy sector // Int Energy Agency. – 2021. – Т. 224.

5. . World energy outlook 2020 / L. Cozzi, T. Gould, S. Bouckart [et al.] // Energy. – 2020. – V. 2019. – P. 30.

6. . A comparative overview of hydrogen production processes / P. Nikolaidis, A. Poullikkas // Renewable and sustainable energy reviews. – 2017. – V. 67. – Pp. 597-611.

7. . Hydrogen production from renewable and sustainable energy resources: Promising green energy carrier for clean development / S. E. Hosseini, M. A. Wahid // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – V. 57. – Pp. 850-866.

8. . Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review / S. S. Kumar, V. Himabindu // Materials Science for Energy Technologies. – 2019. – V. 2. – №. 3. – Pp. 442-454.

9. . Kindra, V. O., Rogalev, A. N., Kovalev, D. S., Ilin, I. V. & Levina, A. I. Research and development of high temperature gas-cooled reactor nuclear power plants for combined production of electricity, heat and hydrogen / International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. – V. 148. – P. 149968.

10. . Simulation study on 660 MW coal-fired power plant coupled with a steam ejector to ensure NOx reduction ability / W. Chen, G. Zhang, B. Li, M. Liu, J. Liu // Applied Thermal Engineering. – 2017. – V. 111. – Pp. 550-561.

11. . Improvement of ammonia mixing in an industrial scale selective catalytic reduction De-NOx system of a coal-fired power plant: A numerical analysis / J. Sohn, I. S. Hwang, J. Hwang // Process safety and environmental protection. – 2021. – V. 147. – Pp. 334-345.

12. . Technology choice for reducing NOx emissions: An empirical study of Chinese power plants / T. Ma, K. Takeuchi // Energy Policy. – 2017. – V. 102. – Pp. 362-376.

13. . Selection and design of post-combustion CO2 capture process for 600 MW natural gas fueled thermal power plant based on operability / R. Dutta, L. O. Nord, O. Bolland // Energy. – 2017. – V. 121. – Pp. 643-656.

14. . Performance evaluation of thermal power plants considering CO2 emission: A multistage PCA, clustering, game theory and data envelopment analysis / R. Mahmoudi, A. Emrouznejad, H. Khosroshahi, M. Khashei, P. Rajabi // Journal of cleaner production. – 2019. – V. 223. – Pp. 641-650.

15. . Thermodynamic analysis of cycle arrangements of the coal-fired thermal power plants with carbon capture / V. O. Kindra, I. A. Milukov, I. V. Shevchenko [et al.] // Archives of Thermodynamics. – 2021. – Pp. 103-121.

16. . Up-to-date CO2 capture in thermal power plants / M. Kanniche, Y. Le Moullec, O. Authier [et al.] // Energy Procedia. – 2017. – V. 114. – Pp. 95-103.

17. . Marginal abatement costs of CO2 emissions in the thermal power sector: A regional empirical analysis from China / J. Peng, B. -Y. Yu, H. Liao, Y. M. Wei // Journal of Cleaner Production. – 2018. – V. 171. – Pp. 163-174.

18. . Analysis of oxy-fuel combustion power cycle utilizing a pressurized coal combustor / J. Hong, G. Chaudhry, J. G. Brisson [et al.] // Energy. – 2009. – V. 34. – №. 9. – Pp. 1332-1340.

19. . Research and development of a high-performance oxy-fuel combustion power cycle with coal gasification / V. Kindra, A. Rogalev, O. Zlyvko [et al.] // Archives of Thermodynamics. – 2021. – V. 42. – №. 4. – Pp. 155-168.

20. . Thermodynamic analysis of an innovative steam turbine power plant with oxy-methane combustors / V. Kindra, S. Osipov, O. Zlyvko // Archives of Thermodynamics. – 2021. – Pp. 123-140.

21. . A technical evaluation, performance analysis and risk assessment of multiple novel oxy-turbine power cycles with complete CO2 capture / F. C. Barba, G. M. D. Sánchez, B. S. Seguí [et al.] // Journal of cleaner production. – 2016. – V. 133. – Pp. 971-985.

22. . Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture / R. Allam, S. Martin, B. Forrest [et al.] // Energy Procedia. – 2017. – V. 114. – Pp. 5948-5966.

23. . Two novel oxy-fuel power cycles integrated with natural gas reforming and CO2 capture / N. Zhang, N. Lior // Energy. – 2008. – V. 33. – №. 2. – Pp. 340-351.

24. . An oxy-fuel power plant for hydrogen production with near-zero emissions / V. Kindra, O. Zlyvko, A. Zonov [et al.] // SMART Automatics and Energy: Proceedings of SMART-ICAE 2021. – Singapore: Springer Nature Singapore, 2022. – Pp. 291-301.

25. . A study of low-potential heat utilization methods for oxy-fuel combustion power cycles / A. Rogalev, N. Rogalev, V. Kindra [et al.] // Energies. – 2021. – V. 14. – №. 12. – P. 3364.

26. . Термодинамический анализ полузакрытых циклов с кислородным сжиганием топлива и углекислотно-паровым теплоносителем / В. О. Киндра, И. И. Комаров, С. К. Осипов [и др.] // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2023. – № 3. – С. 18-33.

27. . Aspen Technology, Inc. Aspen Plus. [Available online] URL: https://www.aspentech.com/en/products/engineering/aspen-plus (Accessed on 19 July 2021).

28. . NIST standard reference database 23: reference fluid thermodynamic and transport properties-REFPROP, Version 10.0, National Institute of Standards and Technology / E. W. Lemmon, I. H. Bell, M. L. Huber [et al.] // Standard Reference Data Program, Gaithersburg. – 2018. – Pp. 45-46.