КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-00035
НазваниеРазработка методических основ создания углерод нейтральных технологий производства электроэнергии на основе СО2-циклов
Руководитель Щинников Павел Александрович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе
Ключевые слова Производство электроэнергии, циклы с нулевыми выбросами, варианты, новое рабочее тело, методы, термодинамические основы, технологические решения, технико-экономические оценки
Код ГРНТИ44.31.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В условиях сохранения в мировом энергетическом балансе высокой доли первичного органического топлива, что характерно и для России, требуется разработка углерод нейтральных технологий его использования при производстве электроэнергии. Предлагается разработка методических основ создания углерод нейтральных технологий производства электроэнергии на основе циклов с нулевыми выбросами. В основе технологических решений лежит применение газообразного топлива, доля которого в энергобалансе России свыше 70%. Газ сжигают в кислороде с получением в качестве продуктов сгорания СО2 и Н2О. Полученный СО2 используют в качестве рабочего тела в цикле с нулевыми выбросами, а воду выводят из него в регенераторе в процессе конденсации. Избыток СО2 направляют на захоронение.
Единой теории СО2 циклов с нулевыми выбросами не выработано, её создание затруднено фактическим отсутствием реализованных технических решений.
В проекте предлагается разработка обобщающих методических положений, объединяющих исследования во-первых, в области термодинамики процессов СО2 циклов разной конфигурации и архитектуры, во-вторых, в области формирования тепловых схем перспективных энергоблоков с оценкой их энергетической эффективности, в третьих, технико-экономические оценки реализации технологий. Разработанные методические основы позволят вести сравнение технологий с нулевыми выбросами (zero-технологий) на каждой стадии их изучения по показателям термодинамической, энергетической и экономической эффективности.
Рассматривают четыре варианта цикла с нулевыми выбросами: с подъемом давления компрессором; с подъемом давления насосом; с двухступенчатым подъемом давления компрессором и насосом; с конденсацией рабочего тела. Разрабатывают методическое обеспечение и на его основе ведут оптимизационные расчеты по определению наилучших термодинамических параметров циклов по критерию наивысшего термического КПД. Формируют технологические схемы разной архитектуры с определением состава оборудования и их энергетической эффективности с учетом углерод-нейтральности по экологическим показателям. При технико-экономической оценке учитывают вновь создаваемое оборудование при помощи степенной параметрической функции, когда стоимость оборудования зависит от термодинамических параметров цикла.
Задачи проекта направлены на создание единого подхода для квалифицированного анализа СО2 циклов с нулевыми выбросами в окружающую среду для производства электроэнергии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Садкин И.С., Щинников П.А.
Thermodynamic features of the regenerative system of direct fired sCO2 power cycles with oxygen combustion of methane
Applied Thermal Engineering, 2023. – Vol. 234. – Art. 121301. (год публикации - 2023)
10.1016/j.applthermaleng.2023.121301
2.
Садкин И.С., Шипицина А.П., Щинников П.А.
Cost Analysis of the Boiler Unit of Coal Power Units Depending on the Initial Steam Pressure and the Availability оf Flue Gas Purification Systems
Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng., Assoc. 66 (5), 478–492. (год публикации - 2023)
10.21122/1029-7448-2023-66-5-478-492
3.
Щинников П.А., Корепанова Е.М.
Влияние термодинамических параметров на мощность воздухоразделительной установки в цикле Аллама
Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики., 2023. Т.25. No 1. С. 74-81. (год публикации - 2023)
10.30724/1998-9903-2023-25-1-74-81
4. Садкин И.С., Щинников П.А. Анализ термодинамических характеристик системы регенерации энергетических циклов на углекислом газе Енисейская теплофизика : тез. докл. 1 Всерос. науч. конф. с междунар. участием, Красноярск, 28–31 марта 2023 г., Красноярск : Изд-во СФУ, 2023. – С. 61–62. (год публикации - 2023)
5. Садкин И.С., Щинников П.А. Анализ энергетических показателей установок на основе СО2-циклов при изменении их термодинамических параметров 13 семинар вузов по теплофизике и энергетике : тез. докл. Всерос. науч. конф., Нижний Новгород, 12–14 окт. 2023 г., Нижний Новгород : Изд-во Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2023. – С. 172–174. (год публикации - 2023)
6. Щинников П.А. СО2-циклы как решение экологической проблемы энергетики на органическом топливе Теплофизика и физическая гидродинамика : тез. докл. 8 Всерос. науч. конф. с элементами школы молодых ученых и науч. молодеж. шк. «Теплофизика и физическая гидродинамика: современные вызовы», Махачкала, 4–10 сент. 2023 г., Новосибирск : Изд-во Ин-та теплофизики СО РАН, 2023. – С. 183. - 160 (год публикации - 2023)
7. Щинников П.А. Новые циклы для энергетики на ископаемом топливе без выбросов углекислоты в атмосферу Системные исследования в энергетике 2023 : сб. тез. 4 междунар. конф., Иркутск, 1–15 сент. 2023 г., Иркутск, 1–15 сент. 2023 г. – Иркутск, 2023. (год публикации - 2023)
8. Садкин И.С., Щинников П.А. Параметрическая оценка стоимости энергоустановок на основе СО2-циклов Системные исследования в энергетике 2023 : сб. тез. 4 междунар. конф., Иркутск, 1–15 сент. 2023 г., Иркутск, 1–15 сент. 2023 г. – Иркутск, 2023. (год публикации - 2023)
9. Щинников П.А. Энергетические циклы с «нулевыми» выбросами 39 Сибирский теплофизический семинар : тез. докл. Всерос. конф., посвящ. 90-летию академика А. К. Реброва, Новосибирск, 28–31 авг. 2023 г., Новосибирск : Институт теплофизики. – С. 299. – 25 экз. – ISBN 978-5-89017-083-5. (год публикации - 2023)
10. Шипицина А.П., Садкин И.С. Цифровизация оценки капиталовложений в СО2-турбину Технологический суверенитет и цифровая трансформация : электрон. сб. по материалам междунар. науч.-техн. конф., Казань, 5 апр. 2023 г. – Казань, Изд-во КГЭУ, 2023. – С. 22–25. (год публикации - 2023)
11.
Садкин И.С., Щинников П.А.
Influence of external supply of low-grade heat on thermal efficiency of sCO2 power cycles
E3S Web Conf., E3S Web Conf.- Volume 459, 2023 - XXXIX Siberian Thermophysical Seminar (STS-39): Thermophysical Problems of Energetics, Energy Efficiency and Energy Saving. - №07009. - 4 p. (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345907009
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период выполнены следующие работы и получены результаты.
Проведены серии расчетов и выполнен анализ энергетических и технико-экономических параметров и показателей СО2 циклов с нулевыми выбросами в атмосферу. В основе оценки энергетических показателей лежат принципы определения затрат энергии на собственные нужды установок с последующим определением эффективности отпуска электроэнергии. Показателем эффективности отпуска является расход условного топлива на единицу электроэнергии. В основе оценки технико-экономических показателей лежит определение удельных капиталовложений в установки. При этом оценивают поагрегатно стоимости основного и вспомогательного оборудования. Во всех случаях устанавливают влияние термодинамических параметров входа в СО2 турбину на энергетические и технико-экономические показатели. Ведут сравнение с другими способами производства электроэнергии на основе сжигания органического топлива.
Показано, что удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии для СО2-технологий составляет 251-300 г.у.т/кВт*ч. Показано, что коэффициент собственных нужд установок при максимальной их энергетической эффективности находится на уровне 0.21-0.36, что превышает аналогичный показатель всех широко применяемых способов получения электроэнергии на органическом топливе, в том числе и технологий ПГУ с внутрицикловой газификацией угля. Показано, что при сопоставимых показателях эффективности выработки электроэнергии и расходах топлива на основе СО2-установок и ПГУ на основе газовых турбин серии F и H температуры входа для СО2-установок находятся на уровне 1000-1200 ºС вместо 1200-1450 ºС для ПГУ. Показано, что по удельному расходу условного топлива СО2-технологии превосходят технологии СКП и конкурируют с технологиями ПГУ (на основе газовых турбин серий A, B, E, F, H) во всем диапазоне температур входа от 900 до 1400 град.С и уступают технологиям ПГУ на основе газовых турбин серий HA, HL и JAC.
Показано, что удельные капиталовложения в СО2-технологии составляют 939-1439 $/кВт в зависимости от вида технологической схемы, начальных параметров и единичной мощности установок. Наименьшими показателями удельной стоимости обладает цикл с двухступенчатым повышением давления – на уровне 939-1228 $/кВт, что сопоставимо со стоимостью ПСУ, превосходит технологии СКП и уступает только ПГУ.
Публикации
1. Щинников П.А., Садкин И.С. Методические подходы к термодинамическому, энергетическому и экономическому анализу установок на основе СО2-циклов Горение топлива: теория, эксперимент, приложения, сб. тез. докл. 12 Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 11–14 нояб. 2024 г. – Новосибирск : ИТ СО РАН, 2024. – С. 123. (год публикации - 2024)
2. Садкин И.С., Щинников П.А. Термодинамические, энергетические и экономические оценки генерации электроэнергии на основе СО2 циклов Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (СПТЭ), материалы 4 междунар. конф., Москва, 21–25 окт. 2024 г. – Москва : Изд-во МЭИ, 2024. – С. 357–358. (год публикации - 2024)
3.
Садкин И.С., Корепанова Е.М., Щиннников П.А.
On Temperature of Working Fluid Supply to Combustion Chamber in CO2 Power Cycles with Oxy-Combustion of Methane
Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 32, No. 4, pp. 816–823. (год публикации - 2023)
10.1134/S1810232823040136
4. Садкин И.С., Щинников П.А. Комплексный анализ энергоустановок с углекислотным рабочим телом Теплофизика и физическая гидродинамика, тез. докл. 9 Всерос. науч. конф. с элементами школы молодых ученых, Сочи, 8–15 сент. 2024 г. – Новосибирск : Ин-т теплофизики СО РАН, 2024. – С. 175. (год публикации - 2024)
5. Щинников П.А., Садкин И.С., Теоретические основы исследования энергоустановок на основе СО2-циклов Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (СПТЭ), материалы 4 междунар. конф., Москва, 21–25 окт. 2024 г. – Москва : Изд-во МЭИ, 2024. – С. 346–347. (год публикации - 2024)
6. Щинников П.А., Корепанова Е.М. Сравнительный анализ расходов топлива перспективными энергетическими установками на основе СО2-циклов Вестник КГЭУ, Т. 15. №3 (59). С. 94-106. (год публикации - 2023)
7. Щинников П.А., Садкин И.С. Пять методов для анализа СО2 циклов Развитие методов прикладной математики для решения междисциплинарных проблем энергетики, IV Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием (г. Ульяновск, 9 - 11 октября 2024): сборник трудов конференции. – Ульяновск: УлГТУ, 2024. – С. 64-66. (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта связано с дальнейшим развитием теоретических исследований для обеспечения научного задела и последующей разработкой опытно-экспериментальной установки. Все работы связаны с обеспечением прорывных решений в области безуглеродной энергетики и ориентированы на отечественную научно-методическую и производственно-технологическую базы.