probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-4-150-159probener-3110Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGЭнергетические особенности CO2-циклов при кислородном сжигании метанолаEnergy features of CO2-cycles during oxygen combustion of methanolhttps://orcid.org/0000-0002-4313-6907ЩинниковП. А.ShchinnikovP. A.

Щинников Павел Александрович – докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Тепловых электрических станций (ТЭС)

г. Новосибирск

Pavel A. Shchinnikov

Novosibirsk

shchinnikov@corp.nstu.ruСадкинИ. С.SadkinI. S.

Садкин Иван Сергеевич – аспирант кафедры Тепловых электрических станций (ТЭС)

г. Новосибирск

Ivan S. Sadkin

Novosibirsk

БорушО. В.BorushO. V.

Боруш Олеся Владимировна – докт. техн. наук, доцент, профессор кафедры Тепловых электрических станций (ТЭС)

г. Новосибирск

Olesya V. Borush

Novosibirsk

РоманенкоР. В.RomanenkoR. V.

Романенко Роман Владимирович – студент кафедры Тепловых электрических станций (ТЭС)

г. Новосибирск

Roman V. Romanenko

Novosibirsk

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation202423092024264150159Copyright © Щинников П.А., Садкин И.С., Боруш О.В., Романенко Р.В., 20242024Щинников П.А., Садкин И.С., Боруш О.В., Романенко Р.В.Shchinnikov P.A., Sadkin I.S., Borush O.V., Romanenko R.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3110

ЦЕЛЬ работы заключается в определении массо-расходных характеристик рабочих веществ и энергетических показателей установки на основе СО2-цикла с двухступенчатым повышением давления (цикла Аллама) при кислородном сжигании метанола.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Представлена методика, в которой массо-расходные характеристики рабочих веществ определяют на основе реакций горения и синтеза метанола и электролиза воды. Эти реакции являются основными для обеспечения рабочих процессов в установке. В основе метода лежат мольные соотношения веществ, участвующих в реакциях при стехиометрических условиях. С использованием термодинамических параметров цикла и при заданной мощности установки определяют расходы рабочего тела, долю обновления углекислоты, количество метанола, получаемого в установке синтеза, количество свежего метанола, подводимого к циклу, количество водорода, получаемого в установке электролиза воды и количество кислорода, необходимого для процессов горения топлива. Одновременно определяют количество коммерческого водорода, то есть выводимого на склад. Затраты электроэнергии на определение мощности собственных нужд определяют по нормативными методам и данным заводов изготовителей оборудования.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что при близких значениях термических КПД СО2-циклов на основе кислородного сжигания метана и метанола у последнего количество углекислоты, выводимой из цикла на захоронение на 11% меньше. Показано, что СО2-цикл, работающий на метаноле, одновременно с выработкой электроэнергии способен вырабатывать коммерческий водород. Удельные затраты электроэнергии на его производство составят на ~22 % меньше, чем при производстве без сочетания с СО2-циклом.

The PURPOSE of the work is to determine the mass-flow characteristics of working substances and energy indicators of an installation based on a CO2 cycle with a two-stage pressure increase (Allam cycle) during oxygen combustion of methanol.

METHODS

METHODS. A research methodology is presented in which the mass-flow characteristics of working substances are determined based on the reactions of combustion and synthesis of methanol and electrolysis of water. These reactions are basic for ensuring operational processes in the installation. The method is based on the molar ratios of substances participating in reactions under stoichiometric conditions. Using the thermodynamic parameters of the cycle being implemented and at a given installation power, the consumption of the working fluid, the share of carbon dioxide renewal in the cycle, the amount of methanol produced in the synthesis unit, the amount of fresh methanol, the amount of hydrogen produced in the water electrolysis unit and the amount of oxygen are determined, necessary to ensure fuel combustion processes. At the same time, the amount of commercial hydrogen is determined. Electricity consumption for own needs is determined using regulatory methods and data from equipment manufacturers.

RESULTS

RESULTS. The article shows that with similar values of thermal efficiency of CO2 cycles based on oxygen combustion of methane and methanol, the amount of carbon dioxide removed from the cycle for disposal is 11% less. It has been shown that a CO2 cycle operating on methanol is capable of producing commercial hydrogen simultaneously with electricity generation. The specific electricity consumption for hydrogen production is 22% less than for its production without combination with the CO2 cycle.

цикл Алламаметанолводородкислородное сжиганиеметод исследованияэффективностьAllama cyclemethanolhydrogenoxygen combustionresearch methodindicatorsReferencesSanz., W., Jericha, H., Moser, M., Heitmeir, F., 2004, "Thermodynamic and Economic Investigation of an Improved Graz Cycle Power Plant for CO2 Capture", ASME Paper GT2004-53722, ASME Turbo Expo 2004, Vienna, Austria. (Conference presentation).Sanz., W., Jericha, H., Moser, M., Heitmeir, F., 2004, "Thermodynamic and Economic Investigation of an Improved Graz Cycle Power Plant for CO2 Capture", ASME Paper GT2004-53722, ASME Turbo Expo 2004, Vienna, Austria. (Conference presentation).Wimmer, K., Sanz, W., 2020, "Optimization and comparison of the two promising oxy-combustion cycles NET Power cycle and Graz Cycle “, International Journal of Greenhouse Gas Control 99 (2020), 103055 (DOI).Wimmer, K., Sanz, W., 2020, "Optimization and comparison of the two promising oxy-combustion cycles NET Power cycle and Graz Cycle “, International Journal of Greenhouse Gas Control 99 (2020), 103055 (DOI).Парогазовые установки с полным улавливанием диоксида углерода для чистой энергетики / В.В. Даценко, Ю.А. Зейгарник, Е.А. Калашникова, А.А. Косой, А.С. Косой, М.В. Синкевич // Теплофизика и аэромеханика, 2020, том 27, № 5. - С. 1-8.Combined-cycle plants with complete carbon dioxide capture for clean energy / V.V. Datsenko, Yu.A. Zeigarnik, E.A. Kalashnikova, A.A. Kosoy, A.S. Kosoy, M.V. Sinkevich // Thermophysics and aeromechanics, 2020, volume 27, no. 5. - P. 1-8.R.J. Allam, J.E. Fetvedt, B.A. Forrest and D.A. Freed, “The oxy-fuel, supercritical CO2 Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric еmissions,” in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, 2014).R.J. Allam, J.E. Fetvedt, B.A. Forrest and D.A. Freed, “The oxy-fuel, supercritical CO2 Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric еmissions,” in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, 2014).R. Allam, S. Martin, B. Forrest, J. Fetvedt, X. Lu, D. Freed and J. Manning, Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture, ENRGY PROCED, Letters 114, 5948-5966 (2017).R. Allam, S. Martin, B. Forrest, J. Fetvedt, X. Lu, D. Freed and J. Manning, Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture, ENRGY PROCED, Letters 114, 5948-5966 (2017).Zero Emissions Power from Natural Gas. NET Power Performance Data. - https://netpower.com/wp-content/uploads/2021/05/2021-NET-Power-Performance-Data-1-pager.pdf. - Чтение с экрана.Zero Emissions Power from Natural Gas. NET Power Performance Data. - https://netpower.com/wp-content/uploads/2021/05/2021-NET-Power-Performance-Data-1-pager.pdf. - Reading from the screen.Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J. Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С.К. Осипов, С.А. Павлычев // «Вестник ИГЭУ» Вып. 3 2018 г. - С. 5-14.Development of a methodology for preliminary calculation of the flow path of gas turbines of the R.J. cycle. Allam on supercritical carbon dioxide / A.N. Rogalev, E.Yu. Grigoriev, V.O. Kindra, S.K. Osipov, S.A. Pavlychev // “Bulletin of ISEU” Vol. 3 2018 - pp. 5-14.Thermodynamic features of the regenerative system of direct fired sCO2 power cycles with oxygen combustion of methane / I.S. Sadkin, P.A. Shchinnikov. – DOI 10.1016/j.applthermaleng.2023.121301. – Text : direct // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 234. – Art. 121301.Thermodynamic features of the regenerative system of direct fired sCO2 power cycles with oxygen combustion of methane / I.S. Sadkin, P.A. Shchinnikov. – DOI 10.1016/j.applthermaleng.2023.121301. // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 234. – Art. 121301.Zhu, Z., Chen, Y., Wu, J., Zhang, S., Zheng, S.: A modified Allam cycle without compressors realizing efficient power generation with peak load shifting and CO2 capture. Energy. 174, 478–487 (2019). https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.165.Zhu, Z., Chen, Y., Wu, J., Zhang, S., Zheng, S.: A modified Allam cycle without compressors realizing efficient power generation with peak load shifting and CO2 capture. Energy. 174, 478–487 (2019). https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.165.Концептуальная схема парогазовой установки с полным улавливанием диоксида углерода из продуктов сгорания / А.С. Косой, Ю.А. Зейгарник, О.С. Попель, М.В. Синкевич, С.П. Филиппов, В.Я. Штеренберг // Теплоэнергетика, 2018. - С. 1-10.Conceptual diagram of a combined cycle plant with complete capture of carbon dioxide from combustion products / A.S. Kosoy, Yu.A. Zeigarnik, O.S. Popel, M.V. Sinkevich, S.P. Filippov, V.Ya. Shterenberg // Thermal power engineering, 2018. - pp. 1-10.Садкин И.С., Щинников П.А. Способ производства электроэнергии на основе закритического СО2-цикла. – Патент на изобретение RU2810854 С1, 28.12.2023. Заявка от 06.07.2023.Sadkin I.S., Shchinnikov P.A. A method for producing electricity based on a supercritical CO2 cycle. – Patent for invention RU2810854 C1, 12/28/2023. Inception dated 07/06/2023.Modeling methods for oxy-fuel combustion cycles with multicomponent working fluid / Andrey Rogalev, Vladimir Kindra and Sergey Osipov // AIP Conference Proceedings 2047, 020020 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5081653.Modeling methods for oxy-fuel combustion cycles with multicomponent working fluid / Andrey Rogalev, Vladimir Kindra and Sergey Osipov // AIP Conference Proceedings 2047, 020020 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5081653.Michel Moliere, Romain Privat, Jean-Noel Jaubert, Frederic Geiger Supercritical CO2 Power Technology: Strengths but Chellenges. – Energies 2024, 17, 1129. https://doi.org/10.3390/en17051129.Michel Moliere, Romain Privat, Jean-Noel Jaubert, Frederic Geiger Supercritical CO2 Power Technology: Strengths but Chellenges. – Energies 2024, 17, 1129. https://doi.org/10.3390/en17051129.Effect of thermodynamic parameters on energy characteristics of CO2 power cycles during oxygen combustion of methane / S.V. Alekseenko, P.A. Shchinnikov, I.S. Sadkin. – DOI [10]1134/S0869864323010109. – Text : direct // Thermophysics and Aeromechanics. – 2023. – Vol. 30, iss. 1. – P. 83–92.Effect of thermodynamic parameters on energy characteristics of CO2 power cycles during oxygen combustion of methane / S.V. Alekseenko, P.A. Shchinnikov, I.S. Sadkin. – DOI 10.1134/S0869864323010109. – Text : direct // Thermophysics and Aeromechanics. – 2023. – Vol. 30, iss. 1. – P. 83–92.Sanz, W., Braun, M., Jericha, H., Platzer, M.F., 2016, "Adapting the Zero-Emission Graz Cycle for Hydrogen Combustion and Investigation of its Part Load Behaviour“, ASME Paper GT2016-57988, ASME Turbo Expo 2016, Seoul, South Korea (Conference presentation).Sanz, W., Braun, M., Jericha, H., Platzer, M.F., 2016, "Adapting the Zero-Emission Graz Cycle for Hydrogen Combustion and Investigation of its Part Load Behaviour“, ASME Paper GT2016-57988, ASME Turbo Expo 2016, Seoul, South Korea (Conference presentation).Влияние термодинамических параметров на мощность воздухоразделительной установки в цикле Аллама / П.А. Щинников, Е.М. Корепанова. – DOI 10.30724/1998-9903-2023-25-1-74-81. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 74–81.Effect of thermodynamic parameters on the capacity of an air separation unit in the Allam cycle / P.A.Shchinnikov, E.M.Korepanova. – DOI 10.30724/1998-9903-2023-25-1-74-81. // Power engineering: research, equipment, technology. – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 74–81.The 8th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium will be held in San Antonio, Texas, February 26-29, 2024 / February 26 – 29, 2024 Hilton Palacio del Rio 200 South Alamo Street San Antonio, Texas. - https://co2olheat-h2020.eu/wp-content/uploads/2024/03/2024-sCO2-symposium_detailedagenda-4.pdf - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.The 8th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium will be held in San Antonio, Texas, February 26-29, 2024 / February 26 – 29, 2024 Hilton Palacio del Rio 200 South Alamo Street SanAntonio, Texas. - https://co2olheat-h2020.eu/wp-content/uploads/2024/03/2024-sCO2-symposium_detailedagenda-4.pdf - Reading from the screen. Date of the application 16.05.2024.Allam Cycle Zero Emission Coal Power / Reference Number: 89243319CFE000015 Coal-Based Power Plants of the Future. - May 19th, 2020. - https://netl.doe.gov/sites/default/files/2020-06/8-Rivers-Capital-Final-Pre-FEED-Report-Allam-Cycle-Coal-%208924331RFE000015-Public-Version-May-19.pdf. - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.Allam Cycle Zero Emission Coal Power / Reference Number: 89243319CFE000015 Coal-Based Power Plants of the Future. - May 19th, 2020. - https://netl.doe.gov/sites/default/files/2020-06/8-Rivers-Capital-Final-Pre-FEED-Report-Allam-Cycle-Coal-%208924331RFE000015-Public-Version-May-19.pdf - Reading from the screen. Date of the application 16.05.2024.U.S. Department of Energy Invests $7 Million for Projects to Advance Coal Power Generation under Coal FIRST Initiative. NETL, October 11, 2019 - https://netl.doe.gov/node/9282 - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.U.S. Department of Energy Invests $7 Million for Projects to Advance Coal Power Generation under Coal FIRST Initiative. NETL, October 11, 2019 - https://netl.doe.gov/node/9282 - Reading from the screen. Date of the application 16.05.2024.NET Power's CO2 cycle: the breakthrough that CCS needs. Modern Power System. - //https://web.archive.org/web/20161130185339/http://www.modernpowersystems.com/features/featurenetpowers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccs-needs/featurenet-powers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccsneeds-3.html. - Чтение с экрана.NET Power's CO2 cycle: the breakthrough that CCS needs. Modern Power System. - //https://web.archive.org/web/20161130185339/http://www.modernpowersystems.com/features/featurenetpowers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccs-needs/featurenet-powers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccsneeds-3.html. - Reading from the screen.High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide / Allam R.J. et al. // Energy Procedia. – 2013. – T. 37. – P. 1135–1149.High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide / Allam R.J. et al. // Energy Procedia. – 2013. – T. 37. – P. 1135–1149.Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J. Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С.К. Осипов, С.А. Павлычев // «Вестник ИГЭУ» Вып. 3, 2018 г. - С. 5-14.Development of a method for preliminary calculation of the flow path of gas turbines of the R.J.Allam cycle on supercritical carbon dioxide / A.N. Rogalev, E.Yu. Grigoriev, V.O. Kindra, S.K. Osipov, S.A. Pavlychev // “Bulletin of ISEU” Vol. 3, 2018 - pp. 5-14.Сравнительный анализ расходов топлива перспективными энергетическими установками на основе СО2-циклов / П.А. Щинников, Е.М. Корепанова // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2023. – Т. 15, № 3 (59). – С. 94–106. – Работа выполнена: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00035, https://rscf.ru/project/23-29-00035/.Comparative analysis of fuel consumption by advanced power plants based on CO2-cycles / P. A. Shchinnikov, E. M. Korepanova // Bulletin of the Kazan State Energy University. – 2023. – T. 15, No. 3 (59). – pp. 94–106. – Work completed: The research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-29-00035, https://rscf.ru/project/23-29-00035/.Исмагилов З.И., Пармон В.Н. Каталитические методы переработки углекислого газа. – 10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет. Глобальная энергия, 2021. – С. 49-67.Ismagilov Z.I., Parmon V.N. Catalytic methods for carbon dioxide processing. – 10 breakthrough ideas in the energy sector for the next 10 years. Global Energy, 2021. – pp. 49-67.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.