Обзор технологий декарбонизации производства тепловой и электрической энергии

Автор: Филимонова А. А., Власова А. Ю., Чичирова Н. Д. ч, Камалиева Р. Ф.

Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu

Рубрика: Исследования. Проектирование. Опыт эксплуатации

Статья в выпуске: 2 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

В статье представлен обзор зарубежных и отечественных технологий декарбонизации тепловой и электрической энергии. За рубежом данные технологии развиваются более прогрессивно. Технологическим лидером по сокращению выбросов углекислого газа являются США. Наиболее перспективное решение в данном направлении - использование кислородно- топливных энергетических установок нового поколения, среди которых реализуется Allam Cycle, а также циклы SCOC-CC, E-MATIANT, NET Power cycle, Graz cycles, CES cycle. Существуют технологии ССUS, которые включают методики по улавливанию углекислого газа, его транспортировке на судне или по трубопроводу, использованию в качестве ресурса для создания ценных продуктов, а также захоронению глубоко под землей в геологических формациях. Из 27 реализуемых в мире проектов CCUS 78 % связаны с методами увеличения нефтеотдачи, а 67 % - проекты с прямым государственным участием или стимулированием. Перспективным направлением по снижению выбросов углекислого газа является использование топливных элементов. Компания Fuel Cell Energy (США) выступает практически монополистом по крупносерийному производству расплав-карбонатных топливных элементов. Их активные разработки идут в Японии, Южной Корее, США. На территории Российской Федерации технологии декарбонизации с полным выводом углекислого газа не реализованы. Политика декарбонизации осуществляется лишь с помощью внедрения процессов улавливания углекислого газа различными материалами. В статье представлена сводная таблица технологий декарбонизации, реализуемых как за рубежом, так и на территории России. Указаны основные преимущества технологий, их недостатки, реализация и пути финансирования.

Еще

Технологии декарбонизации, улавливание углекислого газа, утилизация, захоронение

Короткий адрес: https://sciup.org/146282574

IDR: 146282574

Список литературы Обзор технологий декарбонизации производства тепловой и электрической энергии

  • Garcia Freites S., Gough C., Roder M. The greenhouse gas removal potential of bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) to support the UK's net-zero emission target, Biomass and Bioenergy, 2021, 151, 10664
  • Vasudevan S., Farooq S., Karimi I., Saeys M., Quah M., Agrawal R. Energy penalty estimates for CO2 capture: comparison between fuel types and capture combustion modes, Energy, 2016, 103, 709-714
  • Halliday C., Hatton T. A. The Potential of Molten Metal Oxide Sorbents for Carbon Capture at High Tem-perature: Conceptual Design, Applied Energy, 2020, 280, 116016
  • Luo J., Emelogu O., Morosuk T., Tsatsaronis G. Exergy-based investigation of a coalfired Allam cycle, Energy, 2021, 218, 119471
  • Allam R., Martin S., Forrest B., Fetvedt J., Lu X., Freed D., Brown W., Sasaki T., Itoh M., Manning J. Demonstration of the Allam Cycle: An update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture, 13 th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14-18 November 2016, Lausanne, Switzerlan, Energy Procedia, 2017, 114, 5948-5966
  • Nomoto H., Itoh M., Brown W., Fetvedt J., Sato I. Cycle and Turbine Development for the Supercritical Carbon Dioxide Allam Cycle, Proceedings of the International Conference on Power Engineering, 2015
  • Isles J. Gearing up for a new supercritical CO2 power cycle system, Gas Turbine World, 2014, 14-18
  • Bolland O., Saether S. New concepts for natural gas fired power plants which simplify the recovery of carbon dioxide, Energy Conversion and Management, 1992, 33(5-8), 467-475
  • Mathieu P., Dubuisson R., Houyou S., Nihart R. New concept of CO2 removal technologies in power generation, combined with fossil fuel recovery and long term CO2 sequestration, ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea, and Air. Munich, Germany, 2000.
  • Филиппов С., Голодницкий А., Кашин А. Топливные элементы и водородная энергетика, Энергетическая политика, 2020, 11, 28-39 [Filippov S., Golodnitsky A., Kashin A. Fuel cells and hydrogen Energy, Energy Policy, 2020, 11, 28-39 (in Rus.)]
  • Клубков С., Емельянов К., Зотов Н. ССШ: монетизация выбросов СО2. VYGON Consulting, 2021, 48c. [Klubkov S., Emelyanov K., Zotov N. S. CCUS: monetization of CO2 emissions. VYGON Consulting, 2021, 48. (in Rus.)]
  • Hydrogen Economy Outlook: Key messages. BloombergNEF, 2020, 30 March, 12. [Electronic resource] - Access: https://data.bloomberglp.com/professional/sites/24/BNEF-Hydrogen-Economy-Outlook-Key-Messages-30-Mar-2020.pdf
  • The National Hydrogen Strategy. Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, Germany, Berlin, June 2020, 28
  • Кашин А. М., Голодницкий А. Э. Энергетические установки с топливными элементами - перспективы практического использования в электроэнергетике, Вести в электроэнергетике, 2019, 1 [Kashin A. M., Golodnitsky A. E. Power plants with fuel cells - prospects for practical use in the electric power industry, News in the electric power industry, 2019, 1 (in Rus.)]
  • Бредихин С. И., Голодницкий А. Э., Дрожжин О. А., Истомин С. Я., Ковалевский В. П., Филиппов С. П. Стационарные энергетические установки с топливными элементами: материалы, технологии, рынки, М.: НТФ «Энергопрогресс» Корпорации «ЕЭЭК», 2017, 392 [Bredikhin S. I., Golodnitsky A. E., Drozhzhin O. A., Istomin S. Ya., Kovalevsky V. P., Filippov S. P._Stationary power plants with fuel cells: materials, technologies, markets, Moscow, NTF "Energoprogress" of the Corporation "EEEC", 2017, 392. (in Russian)]
  • Popel O. S., Tarasenko A. B., Filippov S. P. Fuel cell Based Power Generating Installations: State of the Art and Future Prospects, Thermal Engineering, 2018, 65(12), 859-874
  • Kobayshi Y., Tomida K., Nishiura M., Hiwatashi K., Kishizawa H., Takenobu K. Development of Next-Generation Large-Scale SOFC toward Realization of a Hydrogen Society, Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 2015, 52(2), 111-116
  • Ярмольчик Ю. П., Шрёгер Р., Хаберфельнер, Пихлер М., Костич Д., Мороз Г. В. Комбинированное сжигание потоков различных промышленных отходов в топках котлов. Ч. 1, Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2020, 63(3), 236-252 [Yarmolchik Yu.P., Shrager R., Haberfelner, Pichler M., Kostich D., Moroz G. V. Combined combustion of various industrial waste streams in boiler furnaces. Part 1, Energy. Proceedings of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS, 2020, 63(3), 236-252 (in Rus.)]
  • Wejrzanowski T., Cwieka K., Skibinski J., Lysik A. Microstructure Driven Design of Porous Electrodes for Molten Carbonate Fuel Cell Application: Recent Progress, International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 45(47), 25719-25732
  • Duan L., Yue L., Feng T., Lu H. Study on a novel pressurized MCFC hybrid system with CO2 capture, Energy, 2016, 196, 737-750
  • Rosen J., Geary T., Hilmi A., Blanco-Gutierrez R. Molten Carbonate Fuel Cell Performance for CO2 Capture from Natural Gas Combined Cycle Flue, Journal of The Electrochemical Society, 2020, 167(6), 064505
  • Campanari S. Economic analysis of CO2 capture from natural gas combined cycles using Molten Carbonate Fuel Cells, Applied Energy, 2014, 130, 562-573
  • Spinelli M., Bonna D., Gatti M., Martelli E. Assessing the potential of molten carbonate fuel cell-based schemes for carbon capture in natural gas-fired combined cycle power plants, Journal of Power Sources, 2020, 448, 227223
  • Jolly S., Ghezel H., Willman C., Patel D. Novel Application of Carbonate Fuel Cell for Capturing Carbon Dioxide from Flue Gas Streams, ECS Transactions, 2015, 65(1), 115-127
  • Филимонова А. А., Чичиров А. А., Чичирова Н. Д., Камалиева Р. Ф. Интеграция высокотемпературного топливного элемента с системой улавливания СО2 в энергетический цикл тепловой электрической станции, Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2022, 65(6), 562-571 [Filimonova A. A., Chichirov A. A., Chichirova N. D., Kamaleeva R. F. Integration of a high-temperature fuel cell with a CO2 capture system into the energy cycle of a thermal power plant, Power Engineering. Proceedings of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS, 2022, 65(6), 562-571 (in Rus.)]
  • Филимонова А. А., Власова А. Ю., Камалиева Р. Ф. Декарбонизация процесса получения электроэнергии в твердооксидном топливном элементе, GREG 2022 Международной научно-исследовательской конференции «Эмиссия парниковых газов сегодня и в геологическом прошлом: источники, влияние на климат и окружающую среду». Казань: КФУ, 2022, 50 [Filimonova A. A., Vlasova A. Yu., Kamalieva R. F. Decarbonization of the process of generating electricity in a solid oxide fuel cell, GREG 2022 International Research Conference "Greenhouse Gas emissions today and in the geological past: sources, impact on climate and environment". Kazan: KFU, 2022, 50 (in Rus.)]
  • Филимонова А. А., Камалиева Р. Ф. Улавливание и переработка дымовых газов ТЭЦ в высокотемпературном топливном элементе, GREG 2022 Международной научно-исследовательской конференции «Эмиссия парниковых газов сегодня и в геологическом прошлом: источники, влияние на климат и окружающую среду». Казань: КФУ, 2022, 51 [Filimonova A. A., Kamalieva R. F. Capture and processing of CHP flue gases in a high-temperature fuel cell, GREG 2022 International Research Conference "Greenhouse Gas Emissions today and in the geological past: sources, impact on climate and environment". Kazan: KFU, 2022, 51 (in Rus.)]
  • Окунев А. Г., Трухан С. Н., Лысиков А. И. Способ получения водородсодержащего газа и способ регенерации поглотителя, применяемого в этом способе Патент на изобретение RU 2301772 C 1, 27.06.2007. Заявка № 2005133275/15 от 31.10.2005 [Okunev A. G., Trukhan S. N., Lysikov A. I. Method of obtaining hydrogen-containing gas and method of regeneration of the absorber used in this method Patent for invention RU 2301772 C 1, 06.27.2007. Application No. 2005133275/15 dated 31.10.2005]
  • Николаев В. В., Трынов А. М., Слющенко С. А. Способ осушки и очистки углеводородных газов от меркаптанов и сероводорода Патент на изобретение RU 2213085 C 2, 27.09.2003. Заявка № 2002102740/04 от 28.01.2002 [Nikolaev V. V., Trynov A. M., Slushenko S. A. Method of drying and purification of hydrocarbon gases from mercaptans and hydrogen sulfide Patent for invention RU 2213085 C 2, 27.09.2003. Application No. 2002102740/04 dated 28.01.2002]
  • Зорина Е. И., Фарберова Е. А. Способ получения углеродного молекулярного сита Патент на изобретение RU 2578147 C 1, 20.03.2016. Заявка № 2015104954/05 от 13.02.2015 [Zorina E. I., Farberova E. A. Method of obtaining a carbon molecular sieve Patent for invention RU 2578147 C 1, 20.03.2016. Application No.2015104954/05 dated 13.02.2015]
  • Бураков А. Е., Иванова И. В., Буракова А. Г., Ткачев В. П. Применение углеродных на-нотрубок для повышения эффективности работы волокнистых фильтров сверхтонкого обеспыливания газов, Вестник ТГТУ, 2010, 16(3), 649-655 [Burakov A. E., Ivanova I. V., Burakova A. G., Tkachev V. P. Application of carbon nanotubes to improve the efficiency of fiber filters for ultrafine dedusting of gases, Vestnik TSTU, 2010, 16(3), 649-655]
  • Беляев В. Д., Гальвита В. В., Снытников П. В., Семин Г. Л., Собянин В. А. Способ очистки водородсодержащей газовой смеси от оксида углерода Патент на изобретение RU 2359741 C 2, 27.06.2009. Заявка № 2006144827/15 от 18.12.2006 [Belyaev V. D., Galvita V. V., Snytnikov P. V., Semin G. L., Sobyanin V. A. Method of purification of hydrogen-containing gas mixture from carbon monoxide Patent for invention RU 2359741 C 2, 27.06.2009. Application No. 2006144827/15 dated 18.12.2006]
  • Красий Б. В., Рабинович Г. Л., Сорокин И. И. Способ приготовления адсорбента серы Патент на изобретение RU 94037574 A1, 27.07.1996. Заявка № 94037574/26 от 30.09.1994 [Krasiy B. V., Rabinovich G. L., Sorokin I. I. Method of preparation of sulfur adsorbent Patent for invention RU 94037574 A1, 27.07.1996. Application No. 94037574/26 dated 30.09.1994]
  • Nikolaeva L. A., Khusnutdinov A. N. Purification of gas emissions in chemical technology and power engineering with carbonate sludge. Kazan: KSPEU, 2021, p.104.
  • Шаронов В. Е., Окунев А.Г, Губарь А. В. Поглотитель диоксида углерода и способ удаления диоксида углерода из газовых смесей Патент на изобретение RU 2244586 C 1, 20.01.2005. Заявка № 2003131222/15 от 23.10.2003 [Sharonov V. E., Okunev A. G., Gubar A. V. Carbon dioxide absorber and method for removing carbon dioxide from gas mixtures Patent for invention RU 2244586 C 1, 20.01.2005. Application No. 2003131222/15 dated 23.10.2003]
  • Кустов Л. М., Гусейнов Ф. И., Исаева В. И. Адсорбент для улавливания, концентрирования и хранения диоксида углерода Патент на изобретение RU 2576634 C 1, 10.03.2016. Заявка № 2014150409/05 от 12.12.2014 [Kustov L. M., Huseynov F. I., Isaeva V. I. Adsorbent for carbon dioxide capture, concentration and storage Patent for invention RU 2576634 C 1, 10.032016. Application No.2014150409/05 dated 12.12.2014]
  • The National Hydrogen Strategy, Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, Germany, Berlin, June 2020, 28
  • Bains P., Psarras P., Wilcox J. CO2 capture from the industry sector, Progress in Energy and Combustion Science, 2017, 63, 146-172
  • Лемпорт П. С., Бобрикова А. А., Дахнави Э. М. Способ очистки газовых потоков от диоксида углерода Патент на изобретение RU 2589166 C 1, 10.07.2016. Заявка № 2014153837/05А от 30.12.2014 [Lemport P. S., Bobrikova A. A., Dakhnavi E. M. Method of purification of gas streams from carbon dioxide Patent for invention RU 2589166 C 1, 10.07.2016. Application No. 2014153837/05A dated 30.12.2014]
  • Кустов Л. М., Гусейнов Ф. И., Исаева В. И. Адсорбент для улавливания, концентрирования и хранения диоксида углерода Патент на изобретение RU 2576634 C 1, 10.03.2016. Заявка № 2014150409/05 от 12.12.2014 [Kustov L. M., Huseynov F. I., Isaeva V. I. Adsorbent for carbon dioxide capture, concentration and storage Patent for invention RU 2576634 C 1, 10.032016. Application No.2014150409/05 dated 12.12.2014]
  • John G. McCullough, Joseph A. Faucher, Daniel J. Kubek, Kenneth J. Barr Alkanolamine gas treating composition and process Patent for invention US 4971718 A, 20.11.1990. Application No. US 07/223 369 dated 25.07.1988
  • Appl M., Wagner U., Hans J. Henrici, Kuessner K., Volkamer K., Fuerst E. Removal of CO2 and/or H2S and/or COS from gases containing these constituents Patent for invention US 4336233 A, 22.06.1982. Application No. US 06/177,615 dated 13.08.1980
  • Елисеев А. А., Петухов Д. И., Поярков А. А. Мембранный контактор для очистки природных и технологических газов от кислых компонентов Патент на изобретение RU 2672452 C 1, 14.11.2018. Заявка № 2018102871 от 25.01.2018 [Eliseev A. A., Petukhov D. I., Poyarkov A. A. Membrane contactor for purification of natural and technological gases from acidic components Patent for invention RU 2672452 C 1, 14.11.2018. Application No.2018102871 dated 25.01.2018]
  • Imaging device, wireless system Patent for invention JP 5753009 B 2, 22.07.2015. Application No. JP2011141193A dated 24.06.2011.
  • Николаева А. Д., Мешков Д. Д. Абсорбция углекислого газа растворами уротропина. Наукоемкие исследования как основа инновационного развития общества: Сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: OMEGA SCIENCE, 2021, 10-15 [Nikolaeva A. D., Meshkov D. D. Carbon dioxide absorption by urotropin solutions, High-tech research as the basis of innovative development of society: Collection of articles of the International Scientific and Practical Conference. Ufa: OMEGA SCIENCE, 2021, 10-15 (in Rus.)]
  • Виджманс Й. Д., Бейкер Р. В., Меркел Т. С. Способ отделения диоксида углерода из отработанного газа с использованием стадий мембранного разделения на основе продувки и абсорбции Патент на изобретение RU 2534075 С 1, 27.11.2014. Заявка № 2013114714/05 от 13.09.2010 [Widjmans J. D., Baker R. V., Merkel T. S. A method for separating carbon dioxide from exhaust gas using membrane separation stages based on purging and absorption Patent for invention RU 2534075 From 1, 11/27/2014. Application no.2013114714/05 dated 13.09.2010]
  • Ильвицкая С. В., Чистякова А. Г. Применение микроводорослей в биоэнергетике с использованием технологии улавливания и хранения углерода. Международный научно-исследовательский журнал, 2021, 11-1(113), 101-104 [Ilvitskaya S. V., Chistyakova A. G. Application of microalgae in bioenergy using carbon capture and storage technology, International Research Journal, 2021, 11-1(113), 101-104 (in Rus.)]
  • Сидорова К. И. Разработка технико-экономической модели улавливания СО2 для энергетического сектора. Экология и промышленность России, 2014, 12, 20-25 [Sidorova K. I. Development of a technical and economic model of CO2 capture for the energy sector. Ecology and Industry of Russia, 2014, 12, 20-25]
  • Cherepovitsyn A., Fedoseev S., Tcvetkov P., Sidorova K., Kraslawski A. Potential of Russian Regions to Implement CO2-Enhanced Oil Recovery. Energies, 2018, 11(6), 1528.
  • Лавренченко Г. К., Копытин А. В. Перспективы совершенствования и широкого использования CCS-технологий. Технические газы, 2015, 1, 3-15 [Lavrenchenko G. K., Kopytin A. V. Prospects for improving and widespread use of CCS technologies. Technical Gases, 2015, 1, 3-15 (in Rus.)]
Еще
Статья научная