Как упростить контроль качества электроэнергии в системах распределенной генерации, повысить эффективность ТЭЦ и солнечных электростанций и свести к нулю выбросы парниковых газов? Ответы на эти вопросы есть у российских ученых, которые предлагают отрасли готовые инновационные решения.

Простой контроль

Ученые из Сколковского института науки и технологии создали алгоритм, позволяющий контролировать работу инверторов — так называются устройства для преобразования мощности выработанной электроэнергии до частоты переменного тока. Внедрение разработки на практике позволит повысить эффективность использования распределенных систем генерации, объединяющих множество изолированных источников энергии. В таких системах постоянно меняются параметры сети, что требует регулярного пересчета коэффициентов. Это усложняет контроль качества электроэнергии из различных источников, в том числе солнечных панелей и дизельных генераторов, которые используются для снабжения удаленных территорий.

Ученые Сколтеха подготовили алгоритм работы коллектора, который автоматически пересчитывает коэффициенты и унифицирует качество электроэнергии, поступающей в сеть. Алгоритм позволяет анализировать данные о доступных в сети источниках и генерировать управляющий сигнал, который на выходе обеспечивает частоту переменного тока в 50 Гц, являющуюся общепринятой в России и большинстве стран Европы.

Авторы исследования намерены сделать алгоритм полностью автоматическим. В этом случае интеграция изолированных источников в общей сети будет такой же простой, как и подключение различных девайсов к персональному компьютеру.

Нулевые выбросы

Достичь максимальной полноты сжигания природного газа позволит использование кислородно-топливной камеры сгорания для энергоустановок с нулевыми выбросами парниковых газов, разработанной специалистами Национального исследовательского университета «МЭИ».

Главным отличием новой камеры сгорания является организация сжигания природного газа в смеси кислорода и углекислого газа.

«В процессе разработки кислородно-топливной камеры сгорания были определены оптимальные пропорции смешения кислорода и углекислого газа для достижения максимальной полноты сгорания природного газа, а также разработаны конструктивные решения для осуществления надежного охлаждения горячих частей устройства, работающих при температурах свыше 1500 градусов Цельсия», — пояснили специалисты вуза.

Камера сгорания — ключевой элемент перспективных энергоустановок с нулевыми выбросами парниковых газов, так как от полноты сжигания природного газа и эффективности системы охлаждения камеры сгорания зависит удельный расход топлива на производство электроэнергии.

Снижение выбросов вредных веществ при производстве электроэнергии на тепловых электрических станциях остается актуальной задачей для ученых.

ПО для ТЭЦ

Испытания программного комплекса для оптимизации работы котельного оборудования ТЭЦ показали, что с его помощью можно повысить экономическую эффективность объекта на 15–20%. Комплекс, как пояснили в пресс-службе Минобрнауки, был создан сотрудниками научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого по заказу одной из горно-металлургических компаний. В перспективе данная технология может быть распространена на все ТЭЦ России.

Известно, что комплекс использует инновационную гибридную нейросетевую модель управления — в основе лежит принцип сбалансированности между объективной прогнозной оценкой потребности в тепловой энергии и генерацией необходимого объема выработки требуемой энергии за счет оптимизации режимов работы котельного оборудования.

Разработка будет особенно полезна для горнодобывающей и горно-перерабатывающей отраслей, доля финансовых затрат на энергоснабжение которых нередко достигает 40–60%. Функционал комплекса также позволяет прогнозировать потребности предприятия в тепловой энергии, учитывая различные внешние факторы, такие как погода или прочие сезонные изменения.

В дальнейшем ученые вуза планируют развитие и совершенствование методики и системы с последующим масштабированием на другие энергоемкие производственные комплексы.

СЭС и цифровой двойник

Как повысить эффективность преобразования тепла и света в электричество на 12%, знают ученые из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», которые вместе с коллегами из Нигерии, Саудовской Аравии и Объединенных Арабских Эмиратов разработали цифровой двойник для оптимизации работы солнечных светотепловых электростанций.

Используя специальное программное обеспечение, ученые построили трехмерную численную модель фотоэлектрической-термоэлектрической (PV-TE) установки. В своих экспериментах ученые использовали реальные климатические данные из Юго-Восточной Нигерии, собранные в течение года. Такой подход позволил с высокой точностью имитировать погоду для более точного моделирования процессов в самом «цифровом двойнике».

Кроме того, в своей работе ученые исследовали то, какой из трех основных типов примесей в наножидкостях для терморегулирования PV-TE систем является наиболее эффективным: просто дистиллированная вода, оксид титана или графен. Использование последнего материала продемонстрировало наилучшие характеристики, в том числе обеспечив повышение общей производительности энергетического оборудования.

По мнению одного из разработчиков системы, сотрудника лаборатории искусственного интеллекта университета Нигерии Нсукка Кингсли Шинонсо Околи, исследование показало, что правильная конфигурация PV-TE системы оказывает критическое влияние на эффективность выработки электроэнергии. Этот фактор напрямую связан с погодными параметрами, где применяется данное оборудование.

Уникальный катализатор

Катализатор для превращения дизельного топлива в синтез-газ, не имеющий промышленных аналогов, разработали в Новосибирском государственном университете (НГУ). Ученые вуза смогли первыми добиться полной конверсии коммерческого дизельного топлива в уже пригодный для питания топливных элементов водородосодержащий газ.

«При создании катализатора мы столкнулись с серьезной трудностью: конверсия дизельного топлива в синтез-газ — высокотемпературный процесс, в результате чего активный компонент катализатора быстро спекается. Поэтому мы впервые использовали для данных приложений в качестве структурированного носителя металлическую подложку из сплава хрома, железа и алюминия, которая обладает хорошими свойствами по тепломассопереносу», — приводит пресс-служба слова разработчика Владислава Шилова. Уникальность созданной системы, по его словам, состоит в использовании металлической подложки. Методика нанесения слоев каталитического покрытия на металлическую сетку довольно сложна и разрабатывалась на протяжении нескольких лет.

Электрохимические генераторы, работающие на дизельном топливе, могут быть использованы в качестве стационарного, резервного или вспомогательного источника электроэнергии, поскольку оно является более удобным носителем водорода. Эта технология, по мнению разработчика, найдет применение в отдаленных северных регионах, в условиях Крайнего Севера и при освоении Арктики, а также на других объектах, где основным энергоносителем является дизельное топливо.

Такие устройства обладают гораздо более высоким КПД по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Они экологически безопасны — их выбросы представляют собой углекислый газ и водяные пары. Отличаются бесшумной работой, длительным сроком эксплуатации и не требуют частого обслуживания. А использование топливных элементов для получения электро-энергии позволяет извлекать ее из энергоносителей прямым преобразованием энергии химических связей в электрическую.

«Эффективность этого процесса выше, чем при использовании стандартных дизель-генераторов. Увеличение эффективности энергоустановок позволит уменьшить объемы ресурсо-затратного завоза дизельного топлива в удаленные, арктические районы. Кроме того, применение разрабатываемых энергоустановок будет более экологичным за счет уменьшения объемов потребления дизельного топлива», — пояснил Шилов.

5 инновационых разработок

Алгоритм,
позволяющий контролировать качество электроэнергии из различных изолированных источников энергии.

Новая камера сгорания,
позволяющая снизить выбросы вредных веществ при производстве электроэнергии на тепловых электрических станциях.

Программный комплекс
на основе инновационной гибридной нейросетевой модели управления, который повышает экономическую эффективность ТЭЦ на 15–20%.

PV-TE системы генерации
энергии, которые работают на основе солнечных элементов и преобразуют в электричество не только свет, но и тепло.

Катализатор
для превращения дизельного топлива в синтез-газ, не имеющий промышленных аналогов.