Ключевые слова

2411-3336

2541-9404

Записки Горного института

Journal of Mining Institute

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ

Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University

10.31897/PMI.2023.2

pmi-15934

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15934

Энергетика

Energy industry

Feasibility study of using cogeneration plants at Kuzbass coal mines

Оценка целесообразности применения когенерационных установок на угольных шахтах Кузбасса

Nepsha

Fedor S.

Непша

Ф. С.

Nepsha

Fedor S.

nepshafs@kuzstu.ru

0000-0002-7468-2548

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева (Россия) T.F.Gorbachev Kuzbass State Technical University (Russia)

Voronin

Vyacheslav A.

Воронин

В. А.

Voronin

Vyacheslav A.

voroninva@kuzstu.ru

0000-0002-7242-9100

Liven

Andrey S.

Ливен

А. С.

Liven

Andrey S.

livenas@kuzstu.ru

0000-0001-9138-6858

Korneev

Anton S.

Корнеев

А. С.

Korneev

Anton S.

korneev.anton.seergeevich@gmail.com

0000-0001-6264-7609

27 02 2023

2023

259 141 150 05 08 2022 17 11 2022 27 02 2023

2023

Ф. С. Непша, В. А. Воронин, А. С. Ливен, А. С. Корнеев

Fedor S. Nepsha, Vyacheslav A. Voronin, Andrey S. Liven, Anton S. Korneev

CC BY 4.0

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15934

Рассматривается проблема снижения эмиссии парниковых газов в процессе угледобычи при утилизации шахтного метана в системах электроснабжения угольных шахт. Представлен алгоритм по формированию рекомендаций по внедрению распределенной генерации на шахтном метане. Для одной из угольных шахт Кузбасса разработана имитационная модель в программно-вычислительном комплексе PowerFactory, учитывающая неравномерный характер электропотребления горно-шахтного оборудования. В результате моделирования определены суточные профили электропотребления и уровни напряжения в системе электроснабжения до и после внедрения предлагаемых мероприятий. На основании полученных результатов оценивался технико-экономический эффект, заключающийся в снижении прямого и косвенного углеродного следа, платы за электроэнергию и мощность. Установлено, что стоимость квот на выбросы углекислого газа значительно влияет на инвестиционную привлекательность проектов когенерации. На основании полученных результатов предложены рекомендации по стимулированию развития малой генерации на угольных шахтах.

The paper considers the problem of reducing greenhouse gas emissions in the process of coal mining during the coal mine methane utilization in power supply systems. An algorithm to form recommendations for the implementation of CMM generation is presented. A simulation model for one of the Kuzbass coal mines was developed in the PowerFactory software application. The simulation model considers the uneven nature of the power consumption of mining equipment. As a result of modeling, daily power consumption profiles and voltage levels in the coal mine power supply system were determined before and after the implementation of the proposed measures. Based on the results, the technical and economic effects was estimated, which consisted in reducing the direct and indirect carbon footprint, electricity and capacity fees. It has been established that the cost of carbon dioxide emission quotas significantly affects the investment attractiveness of cogeneration projects. Based on the results, recommendations are given to stimulate the development of small generation in coal mines.

Ключевые слова имитационное моделирование PowerFactory шахтный метан когенерация распределенная генерация декарбонизация угольные шахты

Keywords imitation modelling PowerFactory coal mine methane cogeneration distributed generation decarbonization coal mine

Global Non-CO2 Greenhouse Gas Emission Projections & Mitigation Potential: 2015-2050. URL: www.epa.gov/global-mitigation-non-co2-greenhouse-gases/global-non-co2-greenhouse-gas-emission-projections (дата обращения 27.07.2022).

Global Non-CO2 Greenhouse Gas Emission Projections & Mitigation Potential: 2015-2050. URL: https://www.epa.gov/global-mitigation-non-co2-greenhouse-gases/global-non-co2-greenhouse-gas-emission-projections (accessed 27.07.2022).

Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. URL: www.ipcc.ch/report/ar6/wg3 (дата обращения 28.07.2022).

Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. URL: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/ (accessed 28.07.2022).

Yuan-Ping Cheng, Lei Wang, Xiao-Lei Zhang. Environmental impact of coal mine methane emissions and responding strate-gies in China // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2011. Vol. 5. Iss. 1. P. 157-166. DOI: 10.1016/j.ijggc.2010.07.007

Yuan-Ping Cheng, Lei Wang, Xiao-Lei Zhang. Environmental impact of coal mine methane emissions and responding strategies in China. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2011. Vol. 5. Iss. 1, p. 157-166. DOI: 10.1016/j.ijggc.2010.07.007

Тайлаков О.В., Застрелов Д.Н., Уткаев Е.А. и др. Направления утилизации шахтного метана // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. № 6 (112). С. 62-66.

Tailakov O.V., Zastrelov D.N., Utkaev E.A. et al. Prospects of the Coal Mine Methane Utilization. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2012. N 6 (112), p. 62-66 (in Russian).

Schwietzke S., Sherwood O.A., Bruhwiler L.M.P. Upward revision of global fossil fuel methane emissions based on isotope database // Nature. 2016. Vol. 538. P. 88-91. DOI: 10.1038/nature19797

Schwietzke S., Sherwood O.A., Bruhwiler L.M.P. Upward revision of global fossil fuel methane emissions based on isotope database. Nature. 2016. Vol. 538, p. 88-91. DOI: 10.1038/nature19797

Miller S.M., Wofsy S.C., Michalak A.M. Anthropogenic emissions of methane in the United States // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. Vol. 110. Iss. 50. P. 20018-20022. DOI: 10.1073/pnas.1314392110

Miller S.M., Wofsy S.C., Michalak A.M. Anthropogenic emissions of methane in the United States. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. Vol. 110. Iss. 50, p. 20018-20022. DOI: 10.1073/pnas.1314392110

Джиоева А.К., Бригида В.С. Пространственная нелинейность динамики метановыделения в подземных скважинах для устойчивого развития геотехнологий // Записки Горного института. 2020. Т. 245. С. 522-530. DOI: 10.31897/PMI.2020.5.3

Dzhioeva A.K., Brigida V.S. Spatial non-linearity of methane release dynamics in underground boreholes for sustainable mining. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 245, p. 522-530. DOI: 10.31897/PMI.2020.5.3

Vaughan A. EU’s carbon tax will apply globally // New Scientist. 2021. Vol. 251. Iss. 3344. P. 18. DOI: 10.1016/S0262-4079(21)01276-8

Vaughan A. EU’s carbon tax will apply globally. New Scientist. 2021. Vol. 251. Iss. 3344, p. 18. DOI: 10.1016/S0262-4079(21)01276-8

Kiss T., Popovics S. Evaluation on the effectiveness of energy policies – Evidence from the carbon reductions in 25 countries // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 149. № 111348. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111348

Kiss T., Popovics S. Evaluation on the effectiveness of energy policies – Evidence from the carbon reductions in 25 countries. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 149. N 111348. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111348

Dorsey-Palmateer R., Niu B. The effect of carbon taxation on cross-border competition and energy efficiency investments // Energy Economics. 2020. Vol. 85. № 104602. DOI: 10.1016/j.eneco.2019.104602

Dorsey-Palmateer R., Niu B. The effect of carbon taxation on cross-border competition and energy efficiency investments. Energy Economics. 2020. Vol. 85. N 104602. DOI: 10.1016/j.eneco.2019.104602

EU Carbon Permits – 2022 Data – 2005-2021 Historical – 2023 Forecast – Price – Quote. URL: tradingeconomics.com/commodity/carbon (дата обращения 26.06.2022).

EU Carbon Permits – 2022 Data – 2005-2021 Historical – 2023 Forecast – Price – Quote. URL: https://tradingeconomics.com/commodity/carbon (accessed 26.06.2022).

Балашов М.М. Влияние механизмов углеродного регулирования на развитие промышленности Российской Федера-ции // Стратегические решения и риск-менеджмент. 2020. Т. 11. № 4. С. 354-365. DOI: 10.17747/2618-947X-2020-4-354-365

Balashov M.M. The Impact of Carbon Regulation Mechanisms on the Development of Industry in the Russian Federation. Strategic decisions and risk management. 2020. Vol. 11. N 4, p. 354-365 (in Russian). DOI: 10.17747/2618-947X-2020-4-354-365

Устинов Д.А., Сычев Ю.А., Ковальчук М.С. и др. Тенденции развития промышленных накопителей энергии для устойчивого развития предприятий минерально-сырьевого комплекса // Горная промышленность. 2021. № S5-2. С. 89-96.

Ustinov D.A., Sychev Ya.A., Kovalchuk M.S. et al. Development Trends of Industrial Energy Storage Units for Sustainable Development of Mineral Complex Facilities. Russian Mining Industry. 2021. N S5-2, p. 89-96 (in Russian).

Непша Ф.С., Красильников М.И., Перевалов К.В. Применение цифровой платформы для построения интеллектуаль-ных систем управления энергоснабжением предприятий горной промышленности // Автоматизация и IT в энергетике. 2021. № 5 (142). C. 26-34.

Nepsha F.S., Krasilnikov M.I., Perevalov K.V. Application of the Digital Platform for Building Intelligent Power Supply Management Systems for the Mining Industry. Avtomatizaciya i IT v energetike. 2021. N 5 (142), p. 26-34.

Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Устинов Д.А. Эффективность распределенной энергетики в условиях минерально-сырьевого комплекса // Промышленная энергетика. 2019. № 5. С. 8-16.

Abramovich B.N., Sychev Yu.A., Ustinov D.A. Efficiency of distributed energy in the conditions of the mineral resource complex. Promyshlennaya energetika. 2019. N 5, p. 8-16.

Бригида В.С., Голик В.И., Дмитрак Ю.В., Габараев О.З. Обеспечение устойчивости подрабатываемых наклонных дегазационных скважин при интенсивной разработке свит газоносных угольных пластов // Записки Горного института. 2019. Т. 239. С. 497-501. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.497

Brigida V.S., Golik V.I., Dmitrak Y.V., Gabaraev O.Z. Ensuring Stability of Undermining Inclined Drainage Holes During Intensive Development of Multiple Gas-Bearing Coal Layers. Journal of Mining Institute. 2019. Vol. 239, p. 497-501. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.497

Жуковский Ю.Л., Семенюк А.В., Алиева Л.З., Арапова Е.Г. Цифровые платформы на основе блокчейн для снижения углеродного следа горных предприятий // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 6-1. C. 361-378. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_361

Zhukovskiy Y.L., Semenyuk A.V., Alieva L.Z., Arapova E.G. Blockchain-based Digital Platforms to Reduce the Carbon Footprint of Mining. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022. N 6-1, p. 361-378 (in Russian). DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_361

Lashmar N., Wade B., Molyneaux L., Ashworth P. Motivations, barriers, and enablers for demand response programs: A commercial and industrial consumer perspective // Energy Research & Social Science. 2022. Vol. 90. № 102667. DOI: 10.1016/j.erss.2022.102667

Lashmar N., Wade B., Molyneaux L., Ashworth P. Motivations, barriers, and enablers for demand response programs: A commercial and industrial consumer perspective. Energy Research & Social Science. 2022. Vol. 90. N 102667. DOI: 10.1016/j.erss.2022.102667

Ratner S. Chapter 10 – Smart grids in Russia: status, barriers, and prospects for development // Recent Advances in Renewa-ble Energy Technologies. London: Academic Press, 2022. P. 377-402. DOI: 10.1016/B978-0-12-823532-4.00010-0

Ratner S. Chapter 10 – Smart grids in Russia: status, barriers, and prospects for development. Recent Advances in Renewable Energy Technologies. London: Academic Press, 2022, p. 377-402. DOI: 10.1016/B978-0-12-823532-4.00010-0

Villar J., Bessa R., Matos M. Flexibility products and markets: Literature review // Electric Power Systems Research. 2018. Vol. 154. P. 329-340. DOI: 10.1016/j.epsr.2017.09.005

Villar J., Bessa R., Matos M. Flexibility products and markets: Literature review. Electric Power Systems Research. 2018. Vol. 154, p. 329-340. DOI: 10.1016/j.epsr.2017.09.005

Degefa M.Z., Sperstad I.B., Sæle H. Comprehensive classifications and characterizations of power system flexibility re-sources // Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 194. № 107022. DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107022

Degefa M.Z., Sperstad I.B., Sæle H. Comprehensive classifications and characterizations of power system flexibility resources. Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 194. N 107022. DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107022

Mitrova T., Melnikov Y. Energy transition in Russia // Energy Transit. 2019. Vol. 3. № 73-80. DOI: 10.1007/s41825-019-00016-8

Mitrova T., Melnikov Y. Energy transition in Russia. Energy Transit. 2019. Vol. 3. N 73-80. DOI: 10.1007/s41825-019-00016-8

Meybodi M.A., Behnia M. Australian coal mine methane emissions mitigation potential using a Stirling engine-based CHP system // Energy Policy. 2013. Vol. 62. P. 10-18. DOI: 10.1016/j.enpol.2013.07.040

Meybodi M.A., Behnia M. Australian coal mine methane emissions mitigation potential using a Stirling engine-based CHP system. Energy Policy. 2013. Vol. 62, p. 10-18. DOI: 10.1016/j.enpol.2013.07.040

Hummel J.A., Ruiz F.A., Kelafant J.R. Quantifying the benefits of coal mine methane recovery and use projects: Case study on the application of in-mine horizontal pre-drainage boreholes at gassy coal mines in India and the optimization of drainage system design using reservoir simulation // Environmental Technology & Innovation. 2018. Vol. 10. P. 223-234. DOI: 10.1016/j.eti.2018.03.003

Hummel J.A., Ruiz F.A., Kelafant J.R. Quantifying the benefits of coal mine methane recovery and use projects: Case study on the application of in-mine horizontal pre-drainage boreholes at gassy coal mines in India and the optimization of drainage system design using reservoir simulation. Environmental Technology & Innovation. 2018. Vol. 10, p. 223-234. DOI: 10.1016/j.eti.2018.03.003

Uddin N., Blommerde M., Taplin R., Laurence D. Sustainable development outcomes of coal mine methane clean develop-ment mechanism Projects in China // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 45. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.053

Uddin N., Blommerde M., Taplin R., Laurence D. Sustainable development outcomes of coal mine methane clean development mechanism Projects in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 45, p. 1-9. DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.053

Богданов И.А., Веприков А.А., Касьянова А.Н., Моренов В.А. Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов когенерационных установок для электроснабжения объектов нефтегазовых предприятий // Международный науч-но-исследовательский журнал. 2017. № 12-5 (66). С. 59-63. DOI: 10.23670/IRJ.2017.66.144

Bogdanov I.A., Veprikov A.A., Kasyanova A.N., Morenov V.A. Increase of Energy Efficiency of Electrotechnical Complexes of Cogeneration Plants for Power Supply of Objects of Oil And Gas Enterprises. International Research Journal. 2017. N 12-5 (66), p. 59-63 (in Russian). DOI: 10.23670/IRJ.2017.66.144

Шклярский Я.Э., Салов Р.А. Повышение эффективности работы энергетических центров на попутном газе // Изве-стия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 12-2. С. 484-492.

Shklyarskiy Ya. E., Salov R.A. Improvement in Efficiency of Power Plants Based on Associated Petroleum Gas. News of the Tula state university. Technical sciences. 2017. N 12-2, p. 484-492 (in Russian).

Ютяев А.Е., Беляев В.В., Агафонов В.В. Когенерация ресурсосберегающих технологий при разработке угольных ме-сторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 6. С. 69-74.

Yutyaev A.E., Belyaev V.V., Agafonov V.V. Cogeneration of Resource-Saving Technologies in Coal Mining. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2013. N 6, p. 69-74 (in Russian).

Varnavskiy K., Nepsha F., Kostomarov R., Chen Q.G. Underground hard-coal mine as a hosting facility for a data processing center infrastructure // XX Conference of PhD Students and Young Scientists, 14-16 October 2020, Poland. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 684. № 012015. DOI: 10.1088/1755-1315/684/1/012015

Varnavskiy K., Nepsha F., Kostomarov R., Chen Q.G. Underground hard-coal mine as a hosting facility for a data processing center infrastructure. XX Conference of PhD Students and Young Scientists, 14-16 October 2020, Poland. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 684. N 012015. DOI: 10.1088/1755-1315/684/1/012015

Karacan C.Ö., Ruiz F.A., Cotè M., Phipps S. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction // International Journal of Coal Geology. 2011. Vol. 86. Iss. 2-3. P. 121-156. DOI: 10.1016/j.coal.2011.02.009

Karacan C.Ö., Ruiz F.A., Cotè M., Phipps S. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. International Journal of Coal Geology. 2011. Vol. 86. Iss. 2-3, p. 121-156. DOI: 10.1016/j.coal.2011.02.009

Feifei Yin, Baisheng Nie, Yueying Wei, Shuangshuang Lin. Co-Production System Based on Lean Methane and Biogas for Power Generation in Coal Mines // Atmosphere. 2022. Vol. 13. Iss. 5. № 803. DOI: 10.3390/atmos13050803

Feifei Yin, Baisheng Nie, Yueying Wei, Shuangshuang Lin. Co-Production System Based on Lean Methane and Biogas for Power Generation in Coal Mines. Atmosphere. 2022. Vol. 13. Iss. 5. N 803. DOI: 10.3390/atmos13050803

Xinxin Wang, Fubao Zhou, Yihan Ling et al. Overview and Outlook on Utilization Technologies of Low-Concentration Coal Mine Methane // Energy Fuels. 2021. Vol. 35. Iss. 19. P. 15398-15423. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c02312

Xinxin Wang, Fubao Zhou, Yihan Ling et al. Overview and Outlook on Utilization Technologies of Low-Concentration Coal Mine Methane. Energy Fuels. 2021. Vol. 35. Iss. 19, p. 15398-15423. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c02312

Каледина Н.О., Малашкина В.А. Промышленное извлечение метана на действующих угольных шахтах комплексной системой «Вентиляциядегазация» // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № S5. С. 413-425.

Kaledina N.O., Malashkina V.A. Industrial extraction of methane in operating coal mines by the complex system “Ventilation-degassing”. Mining Informational and Analitical bulletin. 2006. N S5, p. 413-425.

Fubao Zhou, Tongqiang Xia, Xinxin Wang et al. Recent developments in coal mine methane extraction and utilization in Chi-na: A review // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016. Vol. 31. P. 437-458. DOI: 10.1016/j.jngse.2016.03.027

Fubao Zhou, Tongqiang Xia, Xinxin Wang et al. Recent developments in coal mine methane extraction and utilization in China: A review. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016. Vol. 31, p. 437-458. DOI: 10.1016/j.jngse.2016.03.027

Воронин В.А., Непша Ф.С. Имитационное моделирование электропривода очистного комбайна для оценки показате-лей энергоэффективности системы электроснабжения // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 633-639. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.5

Voronin V.A., Nepsha F.S. Simulation of the electric drive of the shearer to assess the energy efficiency indicators of the power supply system. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 246, p. 633-639. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.5

Voronin V.A., Nepsha F.S. Modelling and Simulation of Scraper Face Conveyor Electric Drive // 2020 Ural Smart Energy Conference (USEC), 13-15 November 2020, Ekaterinburg, Russia. IEEE, 2020. P. 63-67. DOI: 10.1109/USEC50097.2020.928120237

Voronin V.A., Nepsha F.S. Modelling and Simulation of Scraper Face Conveyor Electric Drive. 2020 Ural Smart Energy Conference (USEC), 13-15 November 2020, Ekaterinburg, Russia. IEEE, 2020, p. 63-67. DOI: 10.1109/USEC50097.2020.928120237

Amidpour M., Man M.H.K. Cogeneration and Polygeneration Systems. London: Academic Press, 2020. 406 p.

Amidpour M., Man M.H.K. Cogeneration and Polygeneration Systems. London: Academic Press, 2020, p. 406.

Коэффициент выбросов диоксида углерода по Первой синхронной зоне ЕЭС России АО «АТС». URL: www.atsenergo.ru/results/co2 (дата обращения 05.08.2022).

Carbon dioxide emission factor for the First Synchronous Zone of the UES of Russia AO “ATS”. URL: https://www.atsenergo.ru/results/co2 (accessed 05.08.2022).

Савитенко М.А., Рабков Б.А. Применение водорода в энергетике: вопросы экологии // Турбины и Дизели. 2021. № 1. С. 10-16.

Savitenko M.A., Rabkov B.A. Hydrogen application for power generation: ecological issues. Turbiny i dizeli. 2021. N 1, p. 10-16.