ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ МЕТОДОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-3-498-517
Аннотация
В статье предложена унифицированная эксергетическая методика количественной оценки эффективности плазменных процессов, ориентированная на их сопоставимость, воспроизводимость и последующую стандартизацию. Разработанная концепция основана на применении второго закона термодинамики и формировании формализованного набора ключевых показателей эффективности (KPI-stack), включающего эксергетический коэффициент полезного действия (ηₑₓ), удельные энергозатраты (Qₛₚ), эксергетическую цену воспламенения (EIC) и экологический индекс (EPI). Показано, что традиционные энергетические критерии, базирующиеся на первом законе термодинамики, не отражают качество энергии, уровень необратимых потерь и неравновесный характер плазменных процессов, что ограничивает их применимость для межтехнологического сравнения и нормирования. Предлагаемый эксергетический подход позволяет учесть распределение подведенной энергии между химической, физической и ионизационной составляющими, а также количественно оценить разрушение эксергии на различных стадиях процесса. Методика адаптирована для широкого класса плазменных технологий, включая плазменное воспламенение, газификацию, реформинг и переработку углеводородного сырья и отходов в газовой, жидкой и твердой фазах. В работе сформулирован алгоритм измерений, расчетов и оценки неопределенности результатов, согласованный с требованиями метрологического обеспечения и действующих национальных и международных стандартов в области экологического менеджмента и энергоэффективности. Анализ выполнен для традиционного сжигания при 1100K и плазменных режимов при 1500-2000K при фиксированной тепловой мощности процесса 2000кВт. Показано, что использование плазмотрона приводит к увеличению дифференциального эксергетического КПД с 0,546 до 0,636-0,675 и снижению удельных эксергетических потерь с 18,27 до 14,48МДж/кг. Одновременно наблюдается улучшение экологических характеристик процесса, выраженное в росте экологического индекса и снижении концентрации NO₂ в выбросах. Дополнительно установлено, что плазменный режим обеспечивает формирование энергетически ценного синтез-газа с суммарной эксергией до 156,7МДж, что расширяет функциональность технологии за пределы простой термической утилизации. Полученные результаты подтверждают целесообразность применения эксергетически ориентированных KPI для анализа и оптимизации плазменных технологий переработки сложных углеводородных отходов. Практическая применимость методики продемонстрирована на примере расчета KPI-stack для плазмохимической переработки нефтешламов. Показано, что введение унифицированного набора эксергетических показателей обеспечивает объективную основу для сравнения плазменных технологий, оптимизации режимов работы и последующей интеграции методики в нормативно-технические документы.
Об авторах
В. Е. МессерлеКазахстан
Д.ф.-м.н., профессор
Алматы
А. Б. Устименко
Казахстан
Д.ф.-м.н., профессор
Алматы
О. А. Лаврищев
Казахстан
К.ф.-м.н., доцент
Алматы
М. К. Нұғман
Казахстан
Докторант
Алматы
Список литературы
1. Decree of the President of the Republic of Kazakhstan dated February 2, 2023, No. 121, Ukaz Prezidenta Respubliki Kazakhstan ot 2 fevralya 2023 goda № 121 «Ob utverzhdenii Strategii dostizheniya uglerodnoy neytral'nosti Respubliki Kazakhstan do 2060 goda» [On approval of the Strategy for achieving carbon neutrality of the Republic of Kazakhstan until 2060] (2023). (in Russian). URL: https://unfccc.int/sites/default/files/resource/Carbon_Neutrlaity_Strategy__Kazakhstan_Ru_Oct2024.pdf
2. Malehmirchegini, L., and Chapman, A.J. Strategies for achieving carbon neutrality within the chemical industry. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 217, 115762 (2025). https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115762
3. Mountouris, A., Voutsas, E., and Tassios, D. Solid waste plasma gasification: Equilibrium model and exergy analysis. Energy Conversion and Management, 47 (11–12), 1490–1507 (2006). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.08.019
4. Messerle, V.E., Ustimenko, A.B., Lavrichshev, O.A., and Nugman, M.K. The Gasification and Pyrolysis of Biomass Using a Plasma System. Energies, 17 (22), 5594 (2024). https://doi.org/10.3390/en17225594
5. Zhang, Q., Wu, Y., Dor, L., Yang, W., and Blasiak, W. A thermodynamic analysis of solid waste gasification in the Plasma Gasification Melting process. Applied Energy, 112, 405–419 (2013). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.03.054
6. Wu, Y., et al. Energy and Exergy Analysis of High Temperature Agent Gasification of Biomass. Energies, 7 (4), 2107–2122 (2014). https://doi.org/10.3390/en7042107
7. Hungsberg, M., et al. Thermodynamic equilibrium investigation to operational optimization of plasma gasification in waste-to-value concepts. Chemical Engineering Science, 248, 117130 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117130
8. Parmar, D.J., Patel, V.R., Dabhi, S.K., and Shaikh, M.A. Comprehensive thermodynamic equilibrium model with modified equilibrium constants for biomass downdraft gasifiers. PALIVA, 17 (1), 40 (2025).
9. Tamayo-Pacheco, J.J., et al. Thermodynamic analysis of sugarcane bagasse plasma gasification. Thermal Science and Engineering, 3 (2), 1502 (2020). https://doi.org/10.24294/tse.v3i2.1502
10. Messerle, V.E., Mosse, A.L., and Ustimenko, A.B. Plasma gasification of carbonaceous wastes: thermodynamic analysis and experiment. Thermophysics and Aeromechanics, 23 (4), 613–620 (2016). https://doi.org/10.1134/S0869864316040144
11. Messerle, V.E., and Ustimenko, A.B. Solid Fuel Plasma Gasification. In: Syred N. and Khalatov A. (eds.) Advanced Combustion and Aerothermal Technologies. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security (Dordrecht: Springer, 2007), pp. 141–156. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6515- 6_12
12. Messerle, V.E., Ustimenko, A.B., and Lavrichshev, O.A. Comparative study of coal plasma gasification: Simulation and experiment. Fuel, 164, 172–179 (2016). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.09.095
13. Messerle, V., Ustimenko, A., Lavrichshev, O., Slavinskaya, N., and Sitdikov, Z. Gasification of biomass in a plasma gasifier. Detritus, 12, 66–72 (2020). https://doi.org/10.31025/2611-4135/2020.13989
14. Messerle, V.E., and Ustimenko, A.B. Plasma Gasification of Coal with the Extraction of Valuable Components of the Mineral Mass. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 9 (8), 1311–1313 (2016). https://doi.org/10.17516/1999-494X-2016-9-8-1311-1313
15. Messerle, V., and Ustimenko, A. Modelling of the pulverized coal plasma preparation for combustion. Physical Sciences and Technology, 8 (1), 14 (2021). https://doi.org/10.26577/phst.2021.v8.i1.02
16. Panesi, M. Physical models for nonequilibrium plasma flow simulations at high speed re-entry conditions (von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2009).
17. Johnston, C.O. Ph.D. thesis (Virginia Polytechnic Institute and State University, 2006).
18. Zanardi, I., Padovan, A., Bodony, D.J., and Panesi, M. Petrov-Galerkin model reduction for thermochemical nonequilibrium gas mixtures. Journal of Computational Physics, 533, 113999 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jcp.2025.113999
19. Radiation of Plasma Sources. Lecture notes (Instituto Superior Técnico, 2022).
20. Bernatskiy, A.V., Kochetov, I.V., and Ochkin, V.N. Spectral Methods of Control of Impurities, Their Flows and Localization in an Equilibrium Low-Temperature Plasma of Low Pressure. Plasma Physics Reports, 46 (9), 874–881 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063780X20090020
21. Chen, C.-T., Banaru, D., Sarnet, T., and Hermann, J. Two-step procedure for trace element analysis in food via calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 150, 77–83 (2018). https://doi.org/10.1016/j.sab.2018.10.011
22. Cianfrani, F., Borodin, D.V., and Küppers, B. Data processing and visualization tool for atomic and molecular data for collisional radiative models. The European Physical Journal D, 77 (8), 139 (2023). https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-023-00722-5
23. Capitelli, M., Armenise, I., Bruno, D., and Cacciatore, M. Non-equilibrium plasma kinetics: A state-tostate approach. Plasma Sources Science and Technology, 16 (1), S30–S44 (2007). https://doi.org/10.1088/0963-0252/16/1/S03
24. World Health Organization. Dioxins and their effects on human health (2023). https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dioxins-and-their-effects-on-human-health
25. Environmental Code of the Republic of Kazakhstan, Ekologicheskiy kodeks Respubliki Kazakhstan ot 2 yanvarya 2021 goda № 400-VI ZRK [Code of the Republic of Kazakhstan dated January 2, 2021, No. 400-VI ZRK] (2021). (in Russian). https://adilet.zan.kz/rus/docs/K2100000400
26. Karamarković, R., and Karamarković, V. Energy and exergy analysis of biomass gasification at different temperatures. Energy, 35 (2), 537–545 (2010). https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.10.022
27. Messerle, V., Ustimenko, A., Karpenko, E., Lockwood, F., and Jankoski, Z. Plasma assisted coal combustion. Theory and experiment. Recent Contributions to Physics, 43 (1), 1 (2013). https://bph.kaznu.kz/index.php/zhuzhu/article/view/70
28. Shahbeig, H., Shafizadeh, A., Rosen, M.A., and Sels, B.F. Exergy sustainability analysis of biomass gasification: a critical review. Biofuel Research Journal, 9 (1), 1592–1608 (2022). https://doi.org/10.18331/BRJ2022.9.1.5
29. Amulah, N.C., Oumarou, M.B., and Muhammad, A.B. Exergy Analysis of Waste-to-Energy Technologies for Municipal Solid Waste Management. Environment and Natural Resources Journal, 22 (3), 232–243 (2024). https://doi.org/10.32526/ennrj/22/20240023
30. Sornchai, A., Patcharavorachot, Y., and Saebea, D. Comparative Analysis of Syngas Production via Gasification and Plasma Gasification of Municipal Solid Waste. Chemical Engineering Transactions, 120, 103–108 (2025). https://doi.org/10.3303/CET25120018
31. Donskoy, I. Exergetic Efficiency of Coal Gasification Using High-Temperature Mixtures of O2/ N2 and O2/CO2. International Journal of Thermodynamics, 28 (1), 51–61 (2025). https://doi.org/10.5541/ijot.1642883
32. Baidoo, R.R., Ferguson, F., and Yeboah, F.E. Exergy and Energy Analysis of Plasma Waste-topower Generation Model. Cogeneration and Distributed Generation Journal, 24 (2), 51–67 (2009). https://doi.org/10.1080/15453660909595150
33. Wu, Y. Computational Fluid Dynamics Modeling of Biomass Gasification in Fixed-bed Reactors Using Highly Preheated Agent (KTH Royal Institute of Technology, 2014).
34. Messerle, V.E., Lavrishchev, O.A., and Ustimenko, A.B. Plasma-chemical waste processing: numerical analysis and experiment. Part 4. Ash-and-slag waste and oil refinery wastes. Thermophysics and Aeromechanics, 30 (4), 823–828 (2023). https://doi.org/10.1134/S0869864323040169
35. Messerle, V.E., Mosse, A.L., and Ustimenko, A.B. Plasma-chemical waste processing: numerical analysis and experiment. Part 2. Fuels and lubricants. Thermophysics and Aeromechanics, 30 (2), 387–392 (2023). https://doi.org/10.1134/S0869864323020208
36. Messerle, V.E., Ustimenko, A.B., and Lavryshchev, O.A. Plasma assisted combustion of low-rank fuels and liquid hazardous wastes. Fuel, 194, 244–252 (2017). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.01.011
37. Akhmetshin, M.R. Snizhenie kontsentratsii oksidov sery i azota pri gorenii otkhodov neftedobychi i neftepererabotki v sostave kompozitsionnykh zhidkikh topliv [Reducing the concentrations of sulfur and nitrogen oxides during the combustion of oil production and refining waste as part of composite liquid fuels] Candidate dissertation (Tomsk Polytechnic University, 2023). (in Russian). https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/77113/1/dis00595.pdf
38. World Health Organization. WHO ambient air quality database, 2021 update (2021). https://www.who.int/news-room/feature-stories/detail/what-are-the-who-air-quality-guidelines
39. ST RK GOST R ISO 14044-2010, Ekologicheskiy menedzhment. Otsenka zhiznennogo tsikla. Trebovaniya i rukovodyashchiye ukazaniya [Environmental management. Life cycle assessment. Requirements and guidelines] (2010). (in Russian).
40. RMG 61-2010, Gosudarstvennaya sistema obespecheniya yedinstva izmereniy. Pokazateli tochnosti, pravil'nosti, pretsizionnosti metodik kolichestvennogo khimicheskogo analiza. Metody otsenki [State system for ensuring the uniformity of measurements. Accuracy, trueness and precision measures of quantitative chemical analysis methods. Methods of evaluation] (2010). (in Russian).
41. RMG 76-2014, GSI. Vnutrenniy kontrol' kachestva rezul'tatov kolichestvennogo khimicheskogo analiza [State system for ensuring the uniformity of measurements. Internal quality control of quantitative chemical analysis results] (2014). (in Russian).
42. Khan, M.S., et al. A comprehensive review of primary heat transfer and energy conversion systems in fusion power plants. Energy, 344, 139722 (2026). https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139722
43. Bozorgian, A., and Norouzi, N. Thermal Design of a Fusion Power Plant and Its Waste Heat Recovery to Produce Hydrogen. Thermal Science and Engineering, 42 (2), 538 (2023). https://doi.org/10.37256/tse.4220232490
44. Linares, J., et al. Supercritical CO2 Brayton power cycles for DEMO fusion reactor based on Dual Coolant Lithium Lead blanket (EUROFUSION Report, 2015).
45. Tosti, S. Classical Thermodynamic Analysis of D-Based Nuclear Fusion Reactions: The Role of Entropy. Energies, 16 (10), 3996 (2023). https://doi.org/10.3390/en16103996
46. Taghavi, S.M., Salarian, H., and Ghorbani, B. Thermodynamic and exergy evaluation of a novel integrated hydrogen liquefaction structure using liquid air cold energy recovery, solid oxide fuel cell and photovoltaic panels. Journal of Cleaner Production, 320, 128821 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128821
47. Thomas, R.J., Ghosh, P., and Chowdhury, K. Application of exergy analysis in designing helium liquefiers. Energy, 37 (1), 207–216 (2012). https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.11.044
48. Li, M. Thermodynamic Analysis and Multi-Objective Optimization of the Hefei Advanced Light Facility (HALF) Cryogenic System. SSRN Preprint (2024). https://doi.org/10.2139/ssrn.5204119
49. Zheng, J., and Li, J. Energy and exergy analysis of the cryogenic system for HTS magnets based on an open-cycle G-M/J-T cryocooler. Physica C: Superconductivity and its Applications, 619, 1354478 (2024). https://doi.org/10.1016/j.physc.2024.1354478
50. Perin, A., et al. Cryogenic Efficiency and Sustainability Aspects for Particle Accelerators and Detectors. In: Proceedings of the 16th International Particle Accelerator Conference (IPAC25) (2025).
Рецензия
Для цитирования:
Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Лаврищев О.А., Нұғман М.К. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ МЕТОДОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. Вестник Казахстанско-Британского технического университета. 2026;23(3):498-517. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-3-498-517
For citation:
Messerle V.E., Ustimenko A.B., Lavrishchev O.A., Nugman M.K. EXERGETIC METHODOLOGY FOR STANDARDIZED PERFORMANCE ASSESSMENT OF PLASMA PROCESSES. Herald of the Kazakh-British Technical University. 2026;23(3):498-517. (In Russ.) https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-3-498-517
JATS XML






