Звіт Інституту загальної енергетики НАН України з наукової та науково-організаційної діяльності у 2023 році
Найбільш вагомі результати фундаментальних і прикладних досліджень Інституту загальної енергетики НАН України
Результати досліджень у галузі природничих, соціогуманітарних та технічних наук
Найбільш вагомі результати фундаментальних і прикладних досліджень
Інституту загальної енергетики НАН України,
які отримані у 2023 році
В Інституті загальної енергетики НАН України вперше запропоновано напрями підвищення ефективності функціонування об’єднаної енергосистеми на базі нової структури надвеликої електротеплової системи шляхом електрифікації теплопостачання з використанням енергії автономних відновлюваних джерел. Це дає змогу вирішити проблему стабілізації частоти в об’єднаній енергосистемі та гарантувати фінансову стабільність функціонування енергоринку України (академік НАН України Михайло Кулик, член-кор. НАН України Віталій Бабак, Артур Запорожець).
- Розвинуто теорію системних досліджень в енергетиці, зокрема вперше запропоновано нову концепцію процесу досліджень: об’єкт – енергія – інформація/сигнал – модель – міра – метод/алгоритм – програма–результат. Концепція, на відміну від існуючих, уможливлює проведення цілісного комплексу теоретичних, імітаційних та експериментальних досліджень функціонування об’єктів енергетики за напрямами: технічна система, що включає підсистеми вимірювання, контролю, діагностики, моніторингу та ідентифікації стану; продукція для енергетичних ринків; екологічний стан довкілля (чл.-кор. НАН України Віталій Бабак, Юрій Куц, Світлана Ковтун, Леонід Щербак).
- Вперше в Україні розроблено математичну модель реструктуризації вугільної промисловості на основі багатофакторних критеріїв ефективності функціонування вуглевидобувних підприємств, яка відрізняється від відомих одночасним урахуванням показників перспективності шахт, потреби країни на вугільну продукцію необхідних марок та обмежень низьковуглецевих сценаріїв розвитку економіки. Математичну модель інтегровано до системи моделей взаємоузгодженої трансформації секторів паливно-енергетичного комплексу, що дозволило виконати дослідження сценаріїв реструктуризації вугільної галузі в процесі переходу економіки до низьковуглецевого розвитку
(чл.-кор. НАН України Олександр Новосельцев, Віталій Макаров, Микола Каплін). - Розвинуто методологію дослідження повітропроникності будівель та мікроклімату приміщень. Зокрема, удосконалено: алгоритм розрахунку теплових втрат будівлі із врахуванням інфільтраційних тепловтрат багатошарових стінових конструкцій, уточнено коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях від зміни гідродинамічних і теплових характеристик повітряного середовища; метод контролю теплового опору із застосуванням CFD моделі сегмента конструкції оболонки будівлі. Це дозволило знизити вплив інструментальних факторів на процес дослідження з урахуванням кондуктивного та конвективно-радіаційного теплообміну (чл.-кор. НАН України
Віталій Бабак, Артур Запорожець, Олег Декуша).
В Інституті загальної енергетики НАН України розвинуто теоретичні засади об’єктно-орієнтованої ідентифікації явищ, процесів і об’єктів, що базується на дослідженнях інформаційного ресурсу – характеристик шумових полів, які утворюються об’єктами енергетики. Вперше в світі запропоновано конструктивні моделі шумових сигналів об’єктів енергетики, які враховують ретроспективну і поточну інформацію про стан об’єкта та відображають його життєвий цикл. Застосування конструктивних моделей шумових сигналів відкриває можливості аналізування поточного стану об’єкта енергетики, включаючи моніторинг викидів в атмосферу та використання цієї інформації для прогнозування подальшого його функціонування. Це відповідає кращим світовим аналогам і використовуватиметься в енергетиці та в процесі контролю техногенно-небезпечних об’єктів (чл.-кор. НАН України В.П. Бабак, Л.М. Щербак, С.І. Ковтун).
- Вперше у світі теоретично обґрунтовано і експериментально доведено доцільність використання вітрових і сонячних електростанцій сумісно з резервними традиційними електростанціями для покриття графіків електричних навантажень енергосистеми, що підвищить їх енергоекономічні показники та прибутковість українського енергоринку. З використанням цифрового моделювання встановлено, що без застосування запропонованого підходу втрачені прибутки енергоринку України становили у 2021 році біля 3 млрд доларів США. Очікувані додаткові прибутки енергоринку України на рівні 2030 року згідно зроблених оцінок становитимуть близько 6 млрд доларів США (акад. НАН України М.М. Кулик, О.В. Згуровець).
- Уперше розроблено новий метод діагностування елементів складних енергетичних об’єктів, з використанням алгоритмів глибинного навчання штучних нейронних мереж, що відкриває шлях до створення ефективної, керованої даними системи діагностування енергетичного обладнання з можливістю опрацьовувати події, які сталися тисячі дискретних часових кроків тому, і запам’ятати їх, що в свою чергу дозволяє підвищити точність прогнозування надійності та оцінки залишкового ресурсу обладнання. Практична цінність отриманих результатів полягає у розробленні алгоритму функціонування комп’ютеризованої системи контролю процесу спалювання палива із ступінчастою корекцією формування повітряно-паливної суміші за сигналами зворотного зв’язку від сенсора кисню, що дало змогу підтримувати коефіцієнт надлишку повітря у відхідних газах в необхідному діапазоні та досягти зменшення утворення шкідливих викидів. Запропоновано структуру системи керування та контролю процесу спалювання палива, що базується на застосуванні широкосмугового сенсора кисню та частотно-регульованого електропривода вентилятора дуття, що дозволило забезпечити ефективне спалювання палива в котлоагрегаті шляхом підтримання стехіометричної повітряно-паливної суміші зі зменшенням утворення шкідливих викидів та рекомендувати впровадження в практику модернізації котлоагрегатів
(чл-кор. НАН України В.П. Бабак, С.І. Ковтун, А.О. Запорожець)
3. Вперше в Україні запропонована модель математичного програмування навантаження потужностей генерування електричної та теплової енергії, в якій одночасно забезпечується виконання двох балансів виробництва-споживання – електричної та теплової енергії відповідно до графіків споживання кожної доби року та оптимізується використання електричних теплогенераторів, які споживають електричну енергію з урахуванням графіка електричного навантаження та відпускають теплову енергію відповідно до потреб абонентів, підключених до системи централізованого теплопостачання. Це дозволяє вирівняти графіки електричних навантажень і уникнути тимчасових зупинок теплових електростанцій у нічні години доби, що суттєво покращує умови їх експлуатації. Результати впроваджено в «НЕК «Укренерго» за господарчим договором від 28.09.2022 №1916 (С.В. Шульженко, О.І. Тесленко, Т.П. Нечаєва, В.О. Дерій).
4. Вперше в Україні створено стійкий до зростаючих обмежень щодо повноти інформаційного забезпечення програмно-інформаційний засіб прогнозування національного енергетичного балансу, який поєднує можливості статистичного і технологічного підходів до визначення коефіцієнтів матриці випуску-витрат Леонтьєва, що дозволить визначати оптимальні обсяги енергозабезпечення енергетичних підсистем та об’єктів, окремих виробничих процесів з різних джерел постачання, контролювати використання паливно-енергетичних ресурсів. Розроблений програмно-інформаційний засіб використовуватиметься при вирішенні задачі формування «Річного прогнозного паливно-енергетичного балансу», який розробляє Мінекономіки України (М.І. Каплін, В.М. Макаров, Т.Р. Білан).
5. Вперше в Україні розроблений новий методичний підхід щодо визначення прогнозних обсягів впровадження на регіональному рівні теплонасосних станцій у системах централізованого теплопостачання, з використанням якої визначено склад та оцінено потенціал джерел низькопотенційної теплоти. Передано рекомендації для Державного агентства з енергоефективності та енергозбереження України щодо напрямів і прогнозних обсягів застосування теплонасосних установок в регіональних системах теплопостачання України. Запропонований методичний підхід дозволить для кожної області визначити економічно-доступний енергетичний потенціал запровадження теплонасосних станцій у період повоєнного відновлення України (В.О. Дерій, О.І. Тесленко).
6. Запропоновано модель моніторингу та ідентифікації об’єктів енергетики, в якій споживачі енергоресурсів представлені як стохастичне просторово-часове середовище енергоспоживання, а інтенсивності інформаційних параметрів забруднення повітря в просторі і часі - як n-вимірне випадкове поле. Узагальнено ієрархічний алгоритм моніторингу забруднення повітря об’єктами енергетики з визначенням ієрархічних рівнів інформації, що формуються інформаційного-аналітичними центрами, та доступу до цієї інформації різних типів користувачів, передбачено зворотний зв’язок від центрів прийняття рішень, що впливають на функціонування об’єктів контролю та регулювання кількості забруднюючих речовин, що надходить у повітря. Це відповідає кращим світовим аналогам і використовуватиметься в процесі моніторингу об’єктів в енергетиці (чл-кор. НАН України В.П. Бабак, А.О. Запорожець).
7. Вперше у світі на базі теорії нечітких множин розроблено багаторівневу модель циркуляційно-узгодженої сервіс-домінантної трансформації структури гібридної енергетичної системи, сформовано систему відповідних рівнянь та запропоновано організаційний механізм взаємодії учасників ринку енергосервісних послуг з ринками енергії та палива. Використання багаторівневої моделі дозволить визначати структуру та обсяги оптимальних енергоресурсів в процесі трансформації енергетичної системи та напрями залучення транскордонної допомоги. Це відповідає світовому рівню і використовуватиметься при трансформації паливно-енергетичного комплексу в умовах повоєнного відновлення країни (чл.-кор. НАН України О.В. Новосельцев).
1. Вперше розроблені та всебічно досліджені в теорії міжгалузевого балансу цінова модель і модель індексів цін, які на відміну від цінової моделі Леонтьєва та інших відомих цінових моделей побудовані на принципово інших засадах, а саме вони сформовані не на балансі витрат, а на балансі випусків у комплексі математичних засобів Input-Output (IO). У результаті запропоновані нові цінові моделі IO позбавлені методичних похибок, які (похибки) при реалістичних вихідних даних для відомих цінових моделей IO сягають десятків відсотків і навіть більше (акад. НАН України М.М. Кулик).
2. Розроблено і розвинуто математичні моделі дослідження процесів регулювання частоти і потужності в об’єднаних енергосистемах (ОЕС), до складу яких входять потужні вітрові (ВЕС) та сонячні (СЕС) електростанції, шляхом введення залежностей, що описують роботу швидкодіючих генераторів-регуляторів різних типів, зокрема акумуляторних батарей (АБ). В математичній моделі на відміну від існуючих розроблено та використано нові закони регулювання частоти в енергосистемах з ВЕС та СЕС. Встановлено, що поєднання в законі двох складових, а саме, адаптивної та пропорційно-диференційно-інтегральної надає якісно кращі результати із забезпечення точності по частоті та стійкості системи регулювання. Знайдено оптимальне відношення між цими складовими, що забезпечує максимальний регулюючий ефект. Окрім того, був розроблений додатковий (інтервальний) закон адаптивного регулювання, який у поєднанні із іншими складовими надає можливість зменшити необхідні потужності регулюючих АБ на 20%. Експериментально доведено, що залучення АБ та ГЕС для стабілізації режимів роботи ОЕС зі значними обсягами потужностей ВЕС та СЕС забезпечує у базовій зоні графіка електричних навантажень (ГЕН) стабільну частоту, що відповідає не тільки стандарту для ОЕС України (50 ± 0,2 Гц), але навіть перевищує вимоги ОЕС Євросоюзу ENTSO-E (50 ± 0,02 Гц). Більш того, згідно виконаних досліджень комплекси ВЕС, СЕС та АБ разом із ГЕС забезпечують можливість стабільної по частоті та потужності роботи ОЕС не тільки у базовій, але навіть у напівпіковій і піковій зонах ГЕН. Це значно підвищує конкурентоздатність зазначених комплексів
(акад. НАН України М.М. Кулик, О.В. Згуровець).
3. Виконано важливе дослідження щодо впливу закону про зелений тариф на функціонування ОЕС та економіку України в цілому. Показано, що преференції, які надаються згідно цього закону власникам ВЕС та СЕС є вищими за ті, які будь-коли надавались у Євросоюзі. Проведені розрахунки демонструють, що витрати споживачів електроенергії на її виробництво вітровими та сонячними електростанціями загальною потужністю біля 12 ГВт протягом одного року будуть на порядок більшими за витрати на аналогічний обсяг енергії, що може забезпечити традиційна енергетика. При цьому різниця у витратах перевищує 3 млрд дол. США, що є збитками для споживачів. Такі втрати не зможе витримати ринок електроенергії України, який є єдиним покупцем електроенергії у власників ВЕС та СЕС. Навіть зараз, коли сумарна встановлена потужність ВЕС та СЕС становить біля 8 ГВт, енергоринок України самостійно не може розраховуватись за електроенергію цих електростанцій. НЕК «Укренерго» видало дозволів на будівництво ВЕС та СЕС загальним обсягом біля 18 ГВт. Тому їх встановлена потужність розміром 12 ГВт буде досягнута вже за наступні 1–2 роки, і тоді ринок електроенергії збанкротує, а перед економікою України реальною стане загроза дефолту. Для запобігання цьому явищу потрібно терміново прийняти зміни до закону про зелений тариф, і першим кроком повинна стати відміна в ньому архаїчного і кабального принципу «бери або плати»
(акад. НАН України М.М. Кулик).
4. Вперше розроблено модель математичного програмування з цілочисловими змінними визначення структури та обсягів розвитку традиційної і відновлюваної енергетики при виконанні міжнародних екологічних угод та безпекових обмежень, яка за своєю функціональністю відповідає кращим світовим аналогам, деякі з яких наразі використовуються операторами систем передачі ENTSO-E. На відміну від аналогів, модель більш детально враховує структуру генеруючих потужностей України, їх техніко-економічні і фізико-технічні показники та усталені притаманні ОЕС України характерні режими експлуатації електростанцій. Універсальність алгоритмів, що реалізовані в моделі дозволяють її застосування для широкого кола досліджень, зокрема, з оптимізації режимів навантаження генеруючих потужностей енергосистеми на короткотермінову перспективу, формування балансів електроенергії України на наступний рік або середньострокову перспективу, як складової досліджень з розроблення стратегічних документів, наприклад, Енергетичної стратегії України до 2050 року і інших. З використанням моделі здійснено формування структури генеруючих потужностей ОЕС України до 2040 року, яка забезпечує збереження в роботі існуючих енергоблоків атомних електростанцій, а також інтеграцію близько 18 ГВт встановленої потужності ВЕС та СЕС із дотриманням принципів балансової надійності енергосистеми (С.В. Шульженко).
5. Вперше розроблено математичну модель оптимізації забезпечення вугільною продукцією економіки країни, в якій враховано вугільну продукцію не тільки для потреб енергетики, а й для інших споживачів за видами економічної діяльності та населення. На відміну від відомих, модель поєднує детальне врахування техніко-економічних показників технологічного обладнання шахт і збагачувальних фабрик з алгоритмами узгодження потоків всіх видів вугільної продукції, що надало можливість прогнозувати структуру готової вугільної продукції із забезпеченням необхідних показників її якості у технологічному ланцюгу «шахта - збагачувальна фабрика - споживач». Із застосуванням програмної реалізації моделі розроблено прогнозну структуру вугільної продукції для електроенергетики та загальний баланс вугільної продукції в економіці України за сценаріями розвитку вугільної галузі на період до 2040 року, згідно яких максимального видобутку вугілля за оптимістичним сценарієм, – 61 млн т, буде досягнуто у 2035 році, за базовим і песимістичним – 46 млн т і 41 млн т, відповідно, буде досягнуто у 2030 році (В.М. Макаров, М.І. Каплін, М.О. Перов).
6. Удосконалена методика визначення повної енергоємності продукції для багатопродуктових виробництв, яка на відміну від існуючої включає кілька видів енергоємності на різних ієрархічних рівнях: пряму - на рівні технологічного агрегату або цеху; технологічну - на рівні технологічного ланцюга виробництва продукції у цеху чи групі цехів; повну заводську, що включає, крім технологічної енергоємності, енергоємність основних виробничих фондів, трудовитрат, внутрішньозаводських перевезень; повну енергоємність продукції, яка до повної заводської енергоємності включає енергоємність видобування та транспортування сировини до підприємства. Удосконалено методику визначення прямої енергоємності продукції з доповненням алгоритмів визначення енергоємності теплових та вторинних енергоресурсів надлишкового тиску й введенням коефіцієнта розподілу спільних енерговитрат у багатопродуктових виробництвах. Розроблено новий алгоритм визначення повної енергоємності трудовитрат, який на відміну від попереднього, враховує статті доходів населення, а також удосконалено алгоритм повної енергоємності основних виробничих фондів. Розроблено проєкт змін та доповнень до
ДСТУ 3682-98 «Енергозбереження. Методика визначення повної енергоємності продукції, робіт та послуг». За удосконаленою методикою визначено показники повної енергоємності продукції чорної металургії, коксохімії, сумісного виробництва теплової та електричної енергії на ТЕЦ, первинної переробки нафти до 2040 року. Результати роботи розглянуто на засіданні ТК 48 «Енергозбереження» та рекомендовано включити виконану роботу до Програми з національної стандартизації на 2022 рік та надати до ДП «УкрНДНЦ» (О.Є. Маляренко, В.В. Станиціна, Г.О. Куц).
7. З метою дослідження умов виконання зобов’язань, які взяла на себе Україна, приєднавшись до Глобальної ініціативи зі скорочення викидів метану (скоротити до 2030 року викиди метану на 30% від рівня 2020 року) вперше в Україні розроблено прогнози викидів метану від галузей паливно-енергетичного комплексу до 2040 року. Визначено, що у вугільній промисловості досягнення зазначеного скорочення викидів метану можливе лише за умови збільшення уловлювання та утилізації метану від вугільних шахт із нинішніх 10,3% до 21–52% для різних сценаріїв розвитку галузі. Визначено, що у газовій промисловості досягнення зазначеного скорочення викидів метану до 2030 р. можливе лише за умови не тільки впровадження заходів з їх скорочення, але й розроблення національних методик оцінки викидів метану та використання національних коефіцієнтів при формуванні Національного кадастру антропогенних викидів з джерел та абсорбції поглиначами парникових газів (І.Ч. Лещенко, Т.П. Нечаєва, В.Є. Щербина).
Найважливіші наукові результати Інституту у 2019 році
Отримала подальший розвиток теорія міжгалузевого балансу. Установлено і досліджено взаємозв’язок між моделлю Леонтьєва і новою, розробленою в Інституті моделлю, яка використовує не вектор кінцевого споживання (модель Леонтьєва), а вектор доданої вартості, що забезпечує більш високу точність прогнозування, а також значно розширює спектр досліджуваних проблем шляхом сумісного використання цих моделей. Встановлено однозначний зв’язок і векторно-матричну залежність між векторами кінцевого споживання і доданої вартості, яка повинна забезпечуватись при їх балансуванні (акад. НАН України М.М. Кулик).
Розвинуті базові моделі дослідження процесів регулювання частоти і потужності в об’єднаних енергосистемах шляхом формалізації функціонування у їх складі вітрових, сонячних електростанцій та акумуляторних батарей. На їх основі розроблено програмно-інформаційний комплекс «Частота-М», який забезпечує можливість досліджувати ефективність застосування різноманітних законів регулювання частоти і потужності. З його використанням виконані розрахунки режимів регулювання, які забезпечують стабілізацію частоти і потужності з великими вітровими та сонячними електростанціями у складі національної енергосистеми відповідно до вимог енергосистеми України та Євросоюзу, а також дозволяють визначити обсяг необхідних капіталовкладень (акад. НАН України М.М. Кулик, О.В. Згуровець).
Вперше розроблено нову модель математичного програмування з цілочисельними змінними «Диспетчеризації гідроагрегатів ГАЕС при покритті графіків електричних навантажень ОЕС України» в умовах значного обсягу генерації ВЕС та СЕС, а також АЕС, що працюють в базовому режимі. Комп’ютерна реалізація моделі, на відміну від відомих на поточний момент програмних комплексів, дозволяє гнучко моделювати режими експлуатації ГАЕС, зокрема, режими одночасної роботи в насосному та генераторному режимах гідроагрегатів різних ГАЕС, що забезпечує досягнення балансу між споживанням та генерацією електроенергії в енергосистемі за рахунок застосування більш широкого кола режимів експлуатації ГАЕС. Виконані розрахунки моделювання фактичного графіку навантаження ОЕС України для доби повені, що є найбільш складним для забезпечення балансування ОЕС України, засвідчили можливість використання генеруючих потужностей, зокрема, СЕС на рівні 3700 МВт встановленої потужності із досягненням балансів для кожної години доби (С.В. Шульженко, В.А. Денисов).
Удосконалено і застосовано модель життєвого циклу сукупної роботи електростанцій на відновлюваних джерелах енергії, систем накопичення електроенергії на основі акумуляторних батарей та традиційних маневрених резервних станцій (газомазутної та вугільної ТЕС), яка забезпечує визначення середньозваженої собівартості електроенергії при спільній роботі таких технологій протягом терміну експлуатації ВДЕ в умовах забезпечення стабільного прогнозованого відпуску електроенергії на рівні встановленої потужності ВДЕ. В умовах зростання екологічних вимог, зокрема, плати за вуглецеві викиди, спільна робота вітрової електростанції, батарейної акумуляційної системи та газомазутної ТЕС як резервної має значні переваги порівняно з використанням вугільної ТЕС. Так, при платі за викиди СО2 30 $/т середньозважена собівартість електроенергії системи з газомазутною ТЕС порівняно з її собівартістю з резервною вугільною ТЕС менша на 7−9%, а при платі за викиди СО2 100 $/т ця відмінність становить 18%. При цьому викиди СО2 за весь час спільної роботи вітрової електростанції, батарейної акумуляційної системи та резервної вугільної ТЕС становить 27,4 млн т СО2 при КВВП ВЕС 30% і 23,5 млн т СО2 при КВВП ВЕС 40%, що більш, ніж у два рази перевищує відповідні викиди при використанні в якості резервної газомазутної ТЕС (акад. НАН України М.М. Кулик, Т.П. Нечаєва).
Розроблено і застосовано економіко-математичну модель оптимізації розвитку видобувного сектора вугільної промисловості України, призначену для визначення варіантів переобладнання лав шахт, яка вперше, на відміну від існуючих, враховує не тільки можливості концентрації виробництва на обраній підмножині лав, конкурентоздатність вугільної продукції, а також показники якості видобутого вугілля, що дозволило ще на етапі видобутку передбачити скорочення витрат на збагачення, забезпечити цільовий вибір лав шахт для здійснення найбільш ефективних інвестицій у виробництво готової вугільної продукції. Модель дозволяє планувати заходи з переоснащення вуглевидобувних підприємств України технікою нового технічного рівня в межах розроблення коротко- та середньострокових програм розвитку вугільної галузі з метою суттєвого скорочення потреби імпортування вугільної продукції з необхідними для кінцевих споживачів показниками якості (В.М. Макаров, М.І. Каплін, М.М. Макортецький).
Набув подальшого розвитку метод визначення середньої собівартості теплової енергії за життєвий цикл, який відрізняється тим, що до алгоритму обчислення внесено додаткові складові з енергетичними і економічними показниками природозахисних технологій та екологічний податок. З використанням удосконаленого методу обраховано середню за життєвий цикл вартість теплової енергії, виробленої у котлах різного конструктивного типу з тепловою потужністю від 0,25 до 52,2 МВт, які найбільш поширені у системах централізованого теплопостачання й працюють на природному газі, мазуті, вугіллі, та в побутових котлах тепловою потужністю 0,2–1,3 МВт, що працюють на деревній трісці та деревних пелетах. Метод дозволяє для котлів, що працюють на природному газі й мазуті, враховувати впровадження технологій по зниженню викидів оксидів азоту, а для вугільних котлів - ще й сірчаного ангідриту і твердих частинок. Удосконалений метод окремо враховує екологічну складову середньої собівартості теплової енергії за життєвий цикл, а також вплив величини дисконту та екологічного податку. Розрахунки засвідчили, що найбільшу екологічну складову у середній вартості теплової енергії мають вугільні котли, яка складає 56,58 грн/Гкал, а для котлів, що працюють на природному газі і мазуті, цей показник відповідно дорівнює 18,03 і 33,74 грн/Гкал, тому із зростанням величини екологічного податку конкурентоздатність вугільних котелень буде знижуватись (О.Є. Маляренко, В.В. Станиціна, Г.О. Куц).
Розвинуто балансово-оптимізаційну модель енергозабезпечення економіки країни в умовах обмежень на обсяги доступних енергоносіїв, зростання впливу безпекових чинників на перспективні напрями розвитку енергетики. Виробництво енергоносіїв у паливних галузях, їх імпортування, перетворення в паливно-енергетичному комплексі і споживання в промисловості, транспорті та комунально-побутовому секторі представлені в моделі технологічними способами Л.В. Канторовича. Структура технологічних способів, а також їх продуктові й технологічні зв’язки подаються мережною схемою енергетичних потоків. Обсяги власного видобутку й імпортування паливних продуктів пов’язані співвідношеннями енергетичної безпеки на основі критеріїв, регламентованих чинним законодавством країни. Модель дозволяє формувати прогнозні паливно-енергетичні баланси з комплексним урахуванням таких основних факторів: досяжних обсягів видобутку первинних паливних ресурсів, структури потужностей генерування електричної і теплової енергії, а також структури потреби на всі види енергетичних ресурсів у секторах економіки країни (М.І. Каплін, Т.Р. Білан, М.О. Перов, І.Ю. Новицький).
Удосконалено екологічну модель технологічного розвитку вуглевидобування, у якій враховано екологічні наслідки роботи шахт шляхом пов’язування обсягів видобутку вугілля з обсягами виділення шахтного метану, необхідними виробничими потужностями обладнання для його утилізації, а також обсягами капітальних витрат на таке обладнання. Врахування цих витрат в умовах підвищених вимог до екологічності функціонування вугільної галузі є необхідним елементом прогнозування її розвитку, зокрема фінансового забезпечення програм модернізації. Із використанням цієї моделі виконана оцінка потенціалу обсягів скорочення викидів парникових газів у вугільній промисловості з урахуванням прогнозу розвитку вугільної галузі на період до 2040 р. Результати розрахунків свідчать, що лише за рахунок впровадження дегазаційного обладнання при модернізації шахт можливо досягти скорочення викидів метану на 35% у 2020р., 55% у 2025р. і до 59% у 2040 р. відносно фактичного рівня 2017 р. Загальний потенціал скорочення викидів парникових газів у вугільній промисловості України на період до 2040 р. становить до 50% СО2-еквіваленту відносно фактичного рівня 2017 р. (В.М. Макаров, М.І. Каплін, М.О. Перов).
Розроблено і досліджено математичні моделі процесів регулювання частоти і потужності в об’єднаних енергосистемах з вітровими, сонячними електростанціями та акумуляторними батареями, яка надає можливість більш обґрунтовано приймати рішення щодо застосування найбільш ефективних законів регулювання. Проведені дослідження показали, що стабілізація частоти і потужності з потужними вітровими та сонячними електростанціями у їх складі може бути забезпечена шляхом введення в структуру енергосистем акумуляторних батарей з потужністю, співставною з потужністю вітрових та сонячних електростанцій. Доведено, що виконання зазначених умов надає змогу отримати точність регулювання частоти і потужності на рівні або навіть вище за нормативну для енергосистем як України, так і Євросоюзу (акад. НАН України М.М. Кулик, О.В. Згуровець).
Отримав подальший розвиток метод ущільнення добових графіків електричних навантажень в ОЕС України із застосуванням комплексів електричних теплогенераторів (ЕТГ) на основі електрокотлів та теплових насосів, встановлених на об’єктах систем централізованого теплопостачання (СЦТ) великих міст України. В частині методології розрахунків отримані нові аналітичні вирази, які дозволяють визначати реальні величини маневреної потужності для кожного виду СЦТ характерних для України. В результаті використання цієї методології визначено, що сумарна величина маневреної потужності ЕТГ становить на сьогодні від 2,8 до 3,4 ГВт. Цих потужностей достатньо для регулювання частоти та потужності в ОЕС України (1-1,2 ГВт) та для ущільнення добових графіків електричних навантажень в об’ємі від 2,0 до 2,2 ГВт у літній період та до 6,0 ГВт – у опалювальний період. (акад. НАН України М.М. Кулик, В.Д. Білодід, В.О. Дерій).
Розроблено нову математичну модель довгострокового розвитку структури генеруючих потужностей електроенергетичної системи у частково цілочисельній постановці, яка, на відміну від існуючих, дозволяє визначити терміни вводу та виведення з експлуатації конкретних блоків електричних станцій з урахуванням зміни їх техніко-економічних показників, комерційної доступності технологій, забезпечення балансів покриття характерних графіків електричного навантаження енергосистеми, виконання екологічних обмежень і вимог та інвестиційних обмежень. Математичну модель реалізовано у складі підсистеми «Матриця» програмно-інформаційного комплексу «Піраміда-V», розробленого в Інституті загальної енергетики НАН України (Т.П. Нечаєва).
За результатами дослідження критичних сценаріїв розвитку енергокомплексу (ЕК) країни сформовано комплекс превентивних заходів, необхідних для безперебійного забезпечення потреб країни в енергоресурсах та ефективної роботи ЕК з урахуванням вимог енергетичної безпеки. Для надійного функціонування ОЕС України необхідне створення оновленої системи автоматичного регулювання частоти та потужності на базі нових розробок для забезпечення умов відмови від послуг у регулюванні з боку Російської Федерації. Серед першочергових заходів в атомній енергетиці виділено подовження строків експлуатації діючих енергоблоків АЕС, диверсифікація джерел постачання ядерного палива (ЯП), повна добудова Централізованого сховища відпрацьованого ЯП та витрат на зняття з експлуатації блоків АЕС, прийняття на державному рівні рішення щодо вибору типу заміщуючих реакторів та майданчиків їх розташування, вирішення питання належного тарифоутворення для забезпечення фінансування об’єктів атомної енергетики. Необхідне внесення змін до моделі державної підтримки альтернативної енергетики. У нафтогазовій галузі першочерговими є заходи з підвищення власного видобутку вуглеводнів, забезпечення повноцінного функціонування ринку газу, створення ефективної системи обліку газу, на політичному рівні вирішення проблеми заповнення газотранспортної системи необхідними для її ефективної роботи об’ємами транзиту газу, створення газового хабу на базі підземних сховищ газу західного регіону (Т.П. Нечаєва, І.Ч. Лещенко).
Уточнено методологію визначення економічно доцільного потенціалу енергозбереження на чотирьох рівнях управління економікою згідно класифікатора КВЕД-2010 p.: країна, укрупнені секції, розділи енергоємних секцій, енергоємні види виробництва. Обчислено прогнозні обсяги енергозбереження: економію палива, теплової та електричної енергії по країні, в укрупнених секціях економіки, енергоємних розділах секцій та енергоємних виробництвах до 2040 р. з урахуванням екологічного фактору при визначенні енергоємності продукції. (О.Є. Маляренко, Н.Ю. Майстренко, В.В. Станиціна, Г.О. Куц).
Розроблено балансово-оптимізаційну модель оптимізації взаємоузгодженого функціонування теплової енергетики України і паливних галузей ПЕК. Модель відрізняється від відомих можливістю узгодження рівнів розвитку цих секторів економіки з метою гарантування енергетичної безпеки. Виробництво паливних ресурсів, їх споживання об’єктами генерації ПЕК подаються в межах єдиного підходу технологічними способами Л.В. Канторовича з диференційованим врахуванням технологічних показників виробників палива і енергії в умовах істотних змін енергозабезпечення, викликаних окупацією частини території країни. Розрахунки паливно-енергетичних балансів забезпечують можливості представлення в структурі системи енергозабезпечення заходів з реконструкції генеруючих джерел енергокомплексу країни. Модель може бути використана з метою оцінки впливу модернізації окремих об’єктів енергосистеми на загальний паливно-енергетичний баланс, визначення перспективних напрямків паливозабезпечення енергетики країни. (М.І. Каплін, Т.Р. Білан, М.М. Макортецький).
Скориговано прогноз розвитку вугільної промисловості на період до 2040 р. із врахуванням відновлення роботи тільки перспективних шахт тимчасово окупованих територій при поверненні їх під контроль української влади. Враховуючи ймовірність не повернення окупованих територій, відсутність інвестицій на відновлення і розвиток буровугільного комплексу та будівництво нових шахт розроблено критичний сценарій розвитку вугільної промисловості, який передбачає роботу тільки перспективних шахт на підконтрольній українській владі території. (В.М. Макаров, М.О. Перов, І.Ю. Новицький).
На основі розроблених раніше методів аналізу схем термохімічної регенерації (ТХР) проведено широкі числові дослідження термодинамічних та техніко-економічних характеристик таких схем стосовно до різних теплоенергетичних і теплотехнологічних установок. Встановлено, що при оптимальних умовах термін окупності капіталовкладень у реалізацію технології ТХР не перевищує 3-4 місяців. На прикладі газотурбінних установок газоперекачувальних станцій України визначено доцільний обсяг впровадження установок ТХР (О.А. Шрайбер, В.В. Дубровський).
Суттєво доопрацьована раніше створена математична модель взаємодії електроенергетичної системи (ЕС) та комплексів споживачів-регуляторів (СР) на основі електричних теплогенераторів (ЕТГ), розміщених в системах централізованого теплопостачання (СЦТ) крупних міст України в процесах регулювання навантажень ЕС, зокрема розроблено методологічні засади взаємодії ЕС та розосереджених СЦТ із встановленими в них ЕТГ як СР, розроблено теоретичні основи сумісного функціонування електричної та теплофікаційних систем з використанням ЕТГ для підвищення їх ефективності та керованості, розглянуто можливості організації процесів керування режимами навантажень в ЕС без збільшення в ОЕС України традиційних маневрових генеруючих потужностей, зокрема без збільшення потужностей на гідроакумулюючих електростанціях (В.Д. Білодід, Є.А. Ленчевський, В.О. Дерій).
На основі аналізу технічного стану теплових електростанцій та теплоелектроцентралей України розроблено пропозиції щодо удосконалення та заміни застарілого обладнання новим, яке знайшло широке використання в різних країнах світу з позитивним економічним ефектом та підвищенням маневреності енергоблоків в енергетичних системах. Нові технології забезпечують економію палива та зниження викидів ТЕС в навколишнє середовище (Л.О. Кєсова, І.С. Соколовська, І.В. Антонець).