Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій

Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій

The article proposes an economic and mathematical model of the inter-product balance of an industrial subsystem aimed at quantifying the transition of Ukraine’s energy-intensive industries ‒ steel, ammonia, and clinker ‒ to hydrogen technologies. The model is presented as a “node–line” network with...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2025
Автор: Tolstov, Dmytro
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2025
Теми:
водень
оптимізаційна модель
енергетичний баланс
сталь
аміак
клінкер.
Онлайн доступ:https://systemre.org/index.php/journal/article/view/925
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:System Research in Energy

Репозитарії

System Research in Energy
id oai:www.systemre.org:article-925
record_format ojs
institution System Research in Energy
baseUrl_str
datestamp_date 2025-11-20T12:36:12Z
collection OJS
language Ukrainian
topic водень
оптимізаційна модель
енергетичний баланс
сталь
аміак
клінкер.
spellingShingle водень
оптимізаційна модель
енергетичний баланс
сталь
аміак
клінкер.
Tolstov, Dmytro
Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
topic_facet hydrogen
optimization model
energy balance
steel
ammonia
clinker.
водень
оптимізаційна модель
енергетичний баланс
сталь
аміак
клінкер.
format Article
author Tolstov, Dmytro
author_facet Tolstov, Dmytro
author_sort Tolstov, Dmytro
title Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_short Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_full Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_fullStr Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_full_unstemmed Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_sort модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій
title_alt MODEL OF THE INTERMEDIATE PRODUCT BALANCE OF THE PRODUCTION SUBSYSTEM IN THE DEVELOPMENT OF HYDROGEN TECHNOLOGIES
description The article proposes an economic and mathematical model of the inter-product balance of an industrial subsystem aimed at quantifying the transition of Ukraine’s energy-intensive industries ‒ steel, ammonia, and clinker ‒ to hydrogen technologies. The model is presented as a “node–line” network with an objective function of minimizing the total cost of energy supply and a system of balance, resource, and technological constraints. Technological coefficients reproduce the specific consumption of energy carriers and water in production nodes, as well as losses and energy expenditures during transportation. Based on sectoral scenarios for cement, ammonia, and steel, the study assesses the energy implications of introducing hydrogen technologies into industry and compares them with conventional technological routes (BF–BOF in steel, gas/coal in clinker, and SMR in ammonia). Modeling shows a sharp increase in the system’s electricity intensity: additional electricity demand for electrolysis reaches 59.5 TWh per year under the minimum hydrogen consumption scenario and up to 112 TWh per year under the maximum scenario. Water consumption for electrolysis in the extreme case amounts to 20.05 million t per year, setting spatial requirements for project placement. Under strict constraints (or high prices) on natural gas and coal, optimal solutions shift toward hydrogen-based technologies (H₂–DRI–EAF in steel, H₂-fired clinker kilns, “green” H₂ in ammonia); in the absence of fossil fuel scarcity, traditional pathways dominate, confirming the crucial role of price signals and resource limits. The obtained results provide a quantitative basis for planning renewable-energy expansion and/or the use of nuclear night-time generation, strengthening the grid, determining hydrogen storage and transport needs, and setting water-use limits within river-basin management plans. The proposed model is suitable for comparing electrolyzer supply configurations (island schemes, grid operation with guarantees of origin, hybrids) and for a phased, synchronized transition of industry to low-carbon technologies according to cost, energy-security, and environmental-constraint criteria.
publisher General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
publishDate 2025
url https://systemre.org/index.php/journal/article/view/925
work_keys_str_mv AT tolstovdmytro modeloftheintermediateproductbalanceoftheproductionsubsysteminthedevelopmentofhydrogentechnologies
AT tolstovdmytro modelʹmížproduktovogobalansuvirobničoípídsistemizarozvitkuvodnevihtehnologíj
first_indexed 2025-11-21T03:16:10Z
last_indexed 2025-11-21T03:16:10Z
_version_ 1849457381470109696
spelling oai:www.systemre.org:article-9252025-11-20T12:36:12Z MODEL OF THE INTERMEDIATE PRODUCT BALANCE OF THE PRODUCTION SUBSYSTEM IN THE DEVELOPMENT OF HYDROGEN TECHNOLOGIES Модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми за розвитку водневих технологій Tolstov, Dmytro hydrogen, optimization model, energy balance, steel, ammonia, clinker. водень, оптимізаційна модель, енергетичний баланс, сталь, аміак, клінкер. The article proposes an economic and mathematical model of the inter-product balance of an industrial subsystem aimed at quantifying the transition of Ukraine’s energy-intensive industries ‒ steel, ammonia, and clinker ‒ to hydrogen technologies. The model is presented as a “node–line” network with an objective function of minimizing the total cost of energy supply and a system of balance, resource, and technological constraints. Technological coefficients reproduce the specific consumption of energy carriers and water in production nodes, as well as losses and energy expenditures during transportation. Based on sectoral scenarios for cement, ammonia, and steel, the study assesses the energy implications of introducing hydrogen technologies into industry and compares them with conventional technological routes (BF–BOF in steel, gas/coal in clinker, and SMR in ammonia). Modeling shows a sharp increase in the system’s electricity intensity: additional electricity demand for electrolysis reaches 59.5 TWh per year under the minimum hydrogen consumption scenario and up to 112 TWh per year under the maximum scenario. Water consumption for electrolysis in the extreme case amounts to 20.05 million t per year, setting spatial requirements for project placement. Under strict constraints (or high prices) on natural gas and coal, optimal solutions shift toward hydrogen-based technologies (H₂–DRI–EAF in steel, H₂-fired clinker kilns, “green” H₂ in ammonia); in the absence of fossil fuel scarcity, traditional pathways dominate, confirming the crucial role of price signals and resource limits. The obtained results provide a quantitative basis for planning renewable-energy expansion and/or the use of nuclear night-time generation, strengthening the grid, determining hydrogen storage and transport needs, and setting water-use limits within river-basin management plans. The proposed model is suitable for comparing electrolyzer supply configurations (island schemes, grid operation with guarantees of origin, hybrids) and for a phased, synchronized transition of industry to low-carbon technologies according to cost, energy-security, and environmental-constraint criteria. У статті запропоновано економіко-математичну модель міжпродуктового балансу виробничої підсистеми для кількісної оцінки переходу енергоємних галузей України — сталі, аміаку та клінкеру — на водневі технології. Модель подано як мережу «вузли–лінії» з цільовою функцією мінімізації сукупної вартості енергозабезпечення та системою балансових, ресурсних і технологічних обмежень. Технологічні коефіцієнти відтворюють питомі витрати енергоносіїв і води у виробничих вузлах, а також втрати й енерговитрати під час транспорту. На основі галузевих сценаріїв для цементу, аміаку та сталі оцінено енергетичні наслідки впровадження водневих технологій у промисловість та порівняння їх із традиційними технологічними маршрутами (BF–BOF у сталі, газ / вугілля у клінкері, SMR у аміаку). Моделювання показало різке зростання електроємності системи: додатковий попит на електроенергію для електролізу становить 59,5 ТВт·год/рік при мінімальному споживанні водню і досягає 112 ТВт·год/рік при максимальному. Водоспоживання для електролізу у граничному випадку сягає 20,05 млн т/рік, що висуває вимоги до просторового розміщення проєктів. За жорстких обмежень (або високих цін) на природний газ і вугілля оптимальні рішення змінюються на користь водневих техспособів (H₂–DRI–EAF у сталі, H₂ у випалі клінкеру, «зелений» H₂ у аміаку); за відсутності дефіциту викопних енергоресурсів домінують традиційні ланцюги, що підтверджує ключову роль цінових сигналів і ресурсних лімітів. Отримані результати дають кількісну основу для планування приросту ВДЕ та/або використання нічної генерації АЕС, підсилення мереж, визначення потреб у зберіганні / транспорті водню й формування водних лімітів на рівні ПУРБ. Запропонована модель придатна для порівняння конфігурацій живлення електролізерів (острівні схеми, робота від мережі з гарантіями походження, гібриди) та для поетапного синхронізованого переходу промисловості до низьковуглецевих технологій за критеріями вартості, енергетичної безпеки та екологічних обмежень. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2025-11-21 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/925 System Research in Energy; No. 4 (84) (2025): System Research in Energy; 54-81 Системні дослідження в енергетиці; № 4 (84) (2025): Системні дослідження в енергетиці; 54-81 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/925/823

Схожі ресурси