Оптимизированное расписание интегрированных энергетических систем с учетом мусоросжигающих электростанций и передовых адiabатических машин для сжатого воздушного энергосбережения

Превращение мусора и воздуха в более чистую энергию

Современные города сталкиваются одновременно с двумя большими проблемами: растущими горами отходов и необходимостью сокращения выбросов, вызывающих потепление климата. В этом исследовании изучается способ решения обеих задач путем объединения мусоросжигающих электростанций с продуманными накопителями и установками по производству топлива. Вместо того чтобы выпускать тепло и газы в трубу, предлагаемая система перерабатывает их в полезную энергию и более чистые виды топлива, а интеллектуальный метод управления обеспечивает работу при минимальных затратах и наименьшем загрязнении.

Как складываются элементы энергетической головоломки

В основе работы — городская энергетическая сеть, которая должна круглосуточно обеспечивать электроэнергией, теплом и газом. Авторы начинают с мусоросжигательной электростанции, которая сжигает бытовые отходы для генерации электро- и тепловой энергии. Ее подключают к ветряным турбинам, солнечным панелям, газовым когенерационным установкам и традиционным угольным станциям. Трубы и кабели связывают эти устройства, позволяя перемещать электроэнергию, тепло и топливо туда, где они наиболее нужны. Центральная модель планирования решает почасово, сколько должна вырабатывать каждая установка, чтобы дома оставались теплыми, а свет — включенным при минимальной общей стоимости.

Производство полезных топлив из дымовых газов

Вместо простого очистки дымовых газов и их выброса система улавливает два важных компонента: углекислый газ и азот. С помощью электроэнергии и воды электролизер производит водород. Этот водород реагирует с улавливаемым углекислым газом в реакторе с образованием метана — газа, который может питать эффективные когенерационные установки. Одновременно азот из дымового газа взаимодействует с водородом в другом реакторе с образованием аммиака. Часть аммиака сжигают совместно с углем в энергоблоке, сокращая потребление угля и выбросы; остальная часть может быть продана, принося дополнительный доход. Тепло, которое обычно теряется в этих химических процессах, улавливается котлом-утилизатором и возвращается в тепловую сеть, повышая общую эффективность.

Хранение энергии в сжатом воздухе и горячих резервуарах

В исследовании также рассматривается продвинутая система накопления энергии со сжатым воздухом. Когда ветра и солнца много, избыточная электроэнергия приводит в действие компрессоры. Сжатие воздуха генерирует значительные количества тепла, которое аккумулируется в теплоизолированных баках, в то время как сам сжатый воздух хранится в резервуаре, напоминающем пещеру. Позже, когда электроэнергии или тепла не хватает, процесс меняют на обратный: накопленное тепло подогревает воздух при его расширении через турбины для генерации электроэнергии, а тепло также может подаваться напрямую в здания. Перенос энергии из часов избытка в часы потребности помогает мусоросжигающей станции и возобновляемым источникам бесперебойно работать в течение дня.

Тестирование разных вариантов развёртывания

Чтобы выяснить, какая комбинация технологий окупается, авторы моделируют четыре сценария. Самый простой использует только связь между мусорной установкой и производством метана. В последующих вариантах добавляют утилизацию теплоты, производство аммиака и, наконец, систему накопления со сжатым воздухом. Самая продвинутая конфигурация дает наилучшие результаты: она использует всю доступную ветровую и солнечную энергию, устраняет необходимость в закупке внешнего тепла, сокращает потребление угля и снижает выбросы углерода примерно на одну седьмую по сравнению с базовым случаем. Несмотря на более высокие первоначальные затраты на оборудование, экономия на покупке топлива и платежах за углерод, а также доход от продажи аммиака снижают общие эксплуатационные расходы примерно на одну пятую.

Более умный способ управления системой

Координация такого множества устройств — сложная математическая задача, поэтому команда совершенствует популярный эвристический метод поиска, известный как рой частиц (particle swarm optimization). Подстраивая его внутренние параметры в реальном времени и добавляя этап локальной тонкой настройки, их улучшенная версия находит более дешевые и стабильные планы работы по сравнению со стандартными подходами. Они также показывают, что повышение температуры воздуха, поступающего в компрессоры, увеличивает как количество тепла, доступного для зданий, так и полезную емкость хранения, что дополнительно снижает общие затраты и выбросы.

Что это значит для повседневной жизни

Проще говоря, исследование предлагает, что города будущего с низким уровнем выбросов смогут превращать мусор, воздух и избыточную возобновляемую электроэнергию в гибкую сеть мощности, тепла и чистых видов топлива. За счет улавливания тепла, производства синтетического газа и аммиака, а также накопления энергии в сжатом воздухе и горячих баках городские энергетические системы могут сократить счета за топливо, уменьшить выбросы парниковых газов и полностью использовать возобновляемую энергию. С помощью более умного планирования эти технологии работают как скоординированное целое, указывая на практичный путь к более чистой и эффективной городской энергетике.

Цитирование: Wang, W., Liu, M., Zhao, H. et al. Optimized scheduling of integrated energy systems considering waste-to-power plants and advanced adiabatic air compression energy storage machines. Sci Rep 16, 8041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37485-z

Ключевые слова: утилизация отходов в энергию, накопление энергии, низкоуглеродная электроэнергия, синтетические топлива, интегрированные энергетические системы