Исследования для различных областей ТЭКа ведут российские вузы, предлагая компаниям современные решения.

Три вида энергии из отходов

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Кузбасского технического университета разработали систему полигенерации. Она позволяет из отходов сельского хозяйства вырабатывать одновременно три вида энергии — зеленый водород, тепло- и электроэнергию.

Такой подход увеличивает энергетическую эффективность схемы получения водорода до 46 %, а общую эксергетическую эффективность до 39 %. Разработанная система может лечь в основу создания биоэнергетических установок для удаленных районов страны.

Система полигенерации основана на газификации сельскохозяйственных отходов (буковых опилок) с использованием перегретого водяного пара, однако обладает «гибкостью» и может использовать различные исходные материалы, например, уголь, шламы, биомассу и другое. Система базируется на уникальном способе получения водяного пара с температурой до 1000 °C при давлении до 30 бар. Пар с такими параметрами предполагается использовать в двухстадийных газогенераторах. В первой камере происходит частичная газификация исходных материалов с образованием горючего газа (из него в дальнейшем получают тепло и электроэнергию) и твердого остатка. Во второй камере процесс газификации проходит с образованием синтез-газа, богатого водородом (более 30 %) и CO.

«Схема состоит из нескольких блоков: газификации, выделения водорода, генерации тепловой и электрической энергии. Они взаимосвязаны между собой в технологическом цикле. Получается схема закрытого цикла, которая позволяет сократить выбросы вредных веществ. Причем исследования показали, что предложенная нами система может работать автономно», — отметил доцент Кузбасского технического университета Сергей ШЕВЫРЁВ.

Разработанную систему ученые протестировали на модели с варьированием состава сырья и свойств в диапазонах, типичных для разных регионов страны и мира. Результаты показали, что эксергетическая эффективность (способность получения полезной работы. — Прим.) парового котла при использовании системы полигенерации выросла более чем в три раза: с 17 % при традиционном распределении пара до 53 % — при новом подходе. Эксергетическая эффективность разработанной системы составила до 39 %, что выше традиционных станций генерации энергии.

«Предложенное технологическое решение позволяет производить до 0,15 кг «зеленого» водорода в секунду из биомассы с теплотворной способностью 19 МДж/кг, используя 4 кг отходов. Система гибкая и позволяет регулировать выпуск водорода, тепла и электроэнергии в зависимости от потребности», — прокомментировал заведующий лабораторией тепломассопереноса ТПУ Павел СТРИЖАК.

Продукты, полученные после пиролиза. 

Фото предоставлено пресс-службой ТПУ

ИИ для катализатора

В России создали ИИ-сервис, который ускоряет разработку катализаторов для нефтегаза и водородной энергетики в пять раз.

Исследователи Института ИИ Университета Иннополис разработали первый полностью отечественный программный комплекс для моделирования микрокинетики гетерогенных каталитических процессов с применением искусственного интеллекта. Решение позволяет обрабатывать свыше 1 млн структур катализаторов ежегодно, в 1000—5000 раз ускоряя вычисления и на 40% снижая затраты на исследования. Проект реализован при поддержке Фонда науки и технологий Республики Татарстан.

По словам исследователей, разработка новых катализаторов — одна из ключевых задач в химической промышленности, энергетике и производстве топлива. Традиционные методы поиска катализаторов основаны на экспериментальном скрининге, занимают 5–7 лет и требуют десятков миллионов долларов инвестиций.

Созданный программный комплекс представляет интегрированную платформу на основе ансамбля моделей глубокого обучения, способную предсказывать энергии активации и адсорбции на поверхности катализаторов с точностью 0,048–0,073 эВ, что сопоставимо с результатами квантово-химических расчетов, но в 1000–5000 раз быстрее, и сокращает разработку новых катализаторов до 1–2 лет. Разработчики первыми в мире объединили предсказания ИИ с микрокинетическими моделями — это позволило рассчитывать скорости реакций и прогнозировать выход продуктов для таких процессов, как сухой риформинг метана, гидрирование этилена и синтез аммиака.

Проектирование АЭС станет точнее

Инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого внедряют передовые численные методы и подходы в процесс проектирования атомных электростанций. Их использование позволит существенно снизить затраты на строительство новых АЭС.

Инженеры СПбПУ развивают и внедряют в процесс проектирования АЭС передовые численные методы и подходы на основе современных программ конечно-элементного анализа, что позволяет точно и эффективно с вычислительной точки зрения описывать сложные мультифизические процессы, протекающие при эксплуатации АЭС.

В частности, политехники разрабатывают методики оценки прочности элементов конструкций АЭС в условиях сейсмических и экстремальных воздействий. Разработчики использовали метод синтеза динамических подструктур, который позволяет свернуть масштабную расчетную модель, состоящую из десятков и сотен тысяч элементов, до уровня одного «суперэлемента», полностью описывающего поведение исходной расчетной модели. Это значительно повышает вычислительную эффективность. За счет использования метода подструктур расчетная модель корпуса блока реакторной установки БР-1200 из более 600 тыс. элементов сократилась до менее 10 тыс., что более чем на 80% повысило скорость определения нагрузок на оборудование при сейсмических и иных внешних динамических воздействиях.

Солнечные ячейки прослужат дольше

Инновационный способ продлить срок службы солнечных батарей нового поколения предложили ученые МЭИ.

Новый подход к созданию солнечных ячеек DSSC, который позволяет значительно увеличить срок их эксплуатации, упростить производство и повысить ремонтопригодность, разработали в НИУ «МЭИ». Ключевое решение — специальные токосъемники с микроканалами для обеспечения циркуляции жидкого электролита внутри устройства.

Солнечные ячейки DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) — сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые относятся к новейшему, третьему поколению фотоэлектрических преобразователей. Принцип их работы основан на том, что органический краситель поглощает солнечный свет и высвобождает электроны, которые затем передаются на слой полупроводника, как правило, на основе диоксида титана, и поступают во внешнюю электрическую цепь. Электролит, расположенный между электродами ячейки, восстанавливает краситель, возвращая ему потерянные электроны.

Главные преимущества DSSC перед традиционными кремниевыми панелями — относительно низкая стоимость производства, регулируемые степень прозрачности и цвет, способность работать при слабом освещении, а также исполнение на гибких подложках. Указанные качества открывают широкие перспективы для применения такого типа ячеек в энергетике и их интеграции в строительно-архитектурные конструкции.

«DSSC — перспективная технология, способная существенно повысить масштабы использования энергии солнца для производства электроэнергии за счет интеграции в различные строительные конструкции и сооружения. Разработка наших ученых позволяет в значительной мере преодолеть технологические барьеры на этом пути за счет применения новых конструкций солнечных ячеек и обеспечения возможности создания контуров циркуляции электролита с произвольной конфигурацией», — отметил ректор НИУ «МЭИ» Николай РОГАЛЕВ.