Новости

16 января, 2024 16:40

Спецпроект дайджеста РНФ: Передовые технологии в энергетике

Тысячелетиями наша цивилизация училась извлекать и использовать новые виды энергии. В древности люди сжигали дрова для получения тепла и света, а сегодня мы полагаемся на газ, уголь и энергию атомного распада. При этом спрос на энергию постоянно растет, и вместе с ним неизбежно развиваются технологии. Энергетика не только помогает согревать наши дома и готовить еду, она толкает экономику страны вперед и становится катализатором перехода к устойчивому и экологически чистому будущему. Около 80 % электричества все еще производится за счет ископаемого топлива, но постепенно набирают популярность альтернативные, или зеленые, источники — энергия солнца, ветра, биотопливо. Вместе с грантополучателями РНФ мы обсудили перспективные направления энергетики и поговорили о том, какие вызовы стоят перед отраслью сегодня.
Источник: vecstock/Freepik

Энергетика и климат

При сжигании органического топлива — угля, нефти и газа — в атмосферу выбрасываются парниковые газы. Они окутывают нашу планету, удерживая солнечное тепло и повышая ее температуру. Все это приводит к изменению климата, которое несет угрозу не только для экологии и здоровья людей, но и для энергетических систем страны. Чтобы снизить негативное давление на окружающую среду и адаптировать энергетику к новым условиям, ученые разрабатывают прогностические модели и технологии по снижению углеродного следа.

«Большая проблема в нашей области – закрытость исходных данных, которые нужны для создания моделей»

Олег Локтионов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, доцент кафедры инженерной экологии и охраны труда Московского энергетического института

Россия занимает обширную территорию, и энергосетевой комплекс страны из-за своей высокой территориальной рассредоточенности — одна из наиболее уязвимых отраслей, подверженных влиянию климатических условий. В нашем проекте мы создаем методологические подходы и модели для оценки фактической вероятности возникновения аварий на объектах на основе исторических данных, а также для прогнозирования возможных сбоев в результате изменения климата — в частности, ветровых нагрузок. Дело в том, что за последние 5–7 лет доля отказов оборудования, связанных с климатическими факторами, составила порядка 40 %, а на ветровые нагрузки приходится примерно половина таких аварий. Причем самыми уязвимыми из всех объектов электросетевого комплекса являются воздушные линии электропередачи — на их долю приходится примерно 60 % всех климатических аварий.

Большую проблему в нашей области представляет закрытость исходных данных, необходимых для создания моделей. В доступных отчетах крупных электросетевых компаний часто отсутствует детальное описание причин аварий, из-за чего крайне трудно понять, почему произошел сбой. В рамках проекта мы создали парсер*, который собирает с сайтов информацию о технологических нарушениях. Также мы разработали инструмент на базе семантического анализа, который по ключевым словам находит сбои, связанные с ветровыми нагрузками. При этом было учтено косвенное воздействие, например падение деревьев и веток на линии электропередач, поскольку это тоже зачастую является следствием влияния повышенных скоростей ветра.

Вероятностные модели аварийности электросетевого комплекса в зави- симости от скорости ветра актуальны для бизнеса. Так, мы создали методику оценки риска возникновения технологических нарушений на объектах электросетевого комплекса, которая может быть востребована такими компаниями, как ПАО «Россети», ПАО «Русгидро» и другими организациями, осуществляющими передачу и распределение электроенергии. Кроме того, мы участвуем в обсуждении нормативных документов и в непосредственной работе с регуляторами в лице Минэнерго России и Ростехнадзора, поскольку многие справочные материалы и документы по нашему направлению уже устарели, их необходимо актуализировать.

«Мы сможем не только снизить углеродный след, но и удешевить процесс получения полезных продуктов»

Михаил Власкин, кандидат технических наук, заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ Объединенного института высоких температур РАН

Сегодня водород в основном получают путем паровой конверсии, в результате которой образуется побочный продукт — углекислый газ. Как известно, он негативно влияет на окружающую среду. Мы предлагаем альтернативную технологию — пиролиз. Это процесс, при котором метан разлагается на углерод и водород при высокой температуре без доступа кислорода. С одной стороны, это довольно простая химическая реакция, но в промышленном масштабе ее пока еще никто не реализовал.

Благодаря пиролизу мы сможем не только снизить углеродный след, но и удешевить процесс получения полезных продуктов. Исходный материал — это природный газ, запасы которого в нашей стране огромны, поэтому технология сегодня привлекает многих. Так, нашим индустриальным партнером стал «Лукойл», вместе с которым мы разрабатываем способ разложения углеводородов, содержащихся в попутном нефтяном газе, выделяющемся при добыче сырья.

Наша область достаточно конкурентна, все больше коллективов подключаются к решению этой проблемы. Главная трудность заключается в технических ограничениях на пути к масштабированию процесса. Если их преодолеть, то пиролиз получит широкое распространение, так как с экономической точки зрения он крайне выгоден.

Новые технологии использования органического топлива

Запасы органического топлива ограничены: согласно прогнозам, при текущем уровне энергопотребления нефть закончится к 2070 году, а природный газ — через столетие. Поэтому сегодня человечество учится более эффективно использовать имеющиеся ресурсы, минимизируя потери в процессах преобразования энергии. Кроме того, развиваются зеленые технологии, и все больше внимания получают возобновляемые источники, которые обладают большим потенциалом для производства энергии.

«Главное препятствие — сложность взаимодействия с бизнесом»

Дмитрий Пащенко, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Самарского государственного технического университета

Современное развитие теплоэнергетики и теплотехники в основном сфокусировано на двух направлениях: повышение энергетической эффективности и переход к использованию низко- или безуглеродных топлив. Разрабатываемый в рамках гранта РНФ проект затрагивает оба вектора.

В частности, мы исследуем способ повышения энергетической эффективности теплоэнергетических и теплотехнологических установок за счет термохимической рекуперации** теплоты высокотемпературных вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

Концепция этого способа основана на использовании ВЭР для производства обогащенного водородом газа, который сжигается в качестве топлива. Другими словами, тепловые отходы применяются для выработки топлива, в составе которого находится до 60 % водорода. Благодаря нашей схеме, с одной стороны, повышается энергетическая эффективность за счет рекуперации теплоты ВЭР. С другой стороны, результатом рекуперации является водородсодержащий газ с более низким углеродным следом, чем у природного газа, например.

Итоги научного труда нашли отражение в создании системы рекуперации теплоты для печи подогрева нефти нефтеперекачивающей станции. Сейчас мы адаптируем разработки для повышения энергетической эффективности газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов. Однако применение научных результатов на практике сталкивается со множеством препятствий, главное из которых — это сложность взаимодействия с бизнесом. То, что мы делаем, частично нарушает устоявшиеся технические условия на теплоэнергетических и теплотехнологических установках, и необходимо приложить огромные усилия, чтобы внедрить инновационную разработку. Это связано с тем, что теплоэнергетика — достаточно консервативная отрасль, и многое в ней зависит от нашей личной инициативы.

«Метаносодержащий газ можно эффективно утилизировать»

Екатерина Ципис, кандидат химических наук, научный сотрудник Лаборатории спектроскопии дефектных структур Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Мы исследуем возможность эффективной утилизации метаносодержащего газа, который выделяется в шахтах при добыче угля и на свалках при компостировании мусора. С одной стороны, выбросы метана представляют серьезную угрозу для экологии, а с другой — метан является источником тепловой и электрической энергии, поэтому представляет интерес.

В ходе проекта мы оценили годовые объемы метана, образующегося на крупных полигонах твердых коммунальных отходов в России. Большая часть таких отходов утилизируется на свалках, но лишь немногие из них оборудованы системами сбора выделяющегося биогаза. По нашим оценкам, общее количество метана в выбросах составляет примерно 2,7 млн в год. Это 3,3 тысячи гигаватт-час электроэнергии и 1,5 тысячи гигаватт-час тепловой энергии, если для утилизации газа будут использоваться твердооксидные топливные элементы.

Источники метан-содержащих сбросных газов и основные преимущества их потенциального использования для производства электрической и тепловой энергии

Мы экспериментально продемонстрировали перспективность этой технологии. Были предложены и исследованы новые каталитически-активные компоненты анодов батарей твердооксидных топливных элементов, которые обеспечивают их оптимальную работу при использовании метаносодержащих газовых смесей, включающих примеси сероводорода. В дальнейшем мы планируем провести испытания батарей на реальных свалочных газах, а также оценить потенциал шахтного метана для получения тепловой и электрической энергии.

Безуглеродные источники энергии


Сложно подсчитать, сколько электроэнергии каждый из нас потребляет ежедневно, поэтому вопрос экологичного производства, а также исчерпаемости традиционного топлива с каждым годом становится острее. Ученые ищут решения, которые помогут человечеству уменьшить углеродный след и позволят использовать более экономичные, экологичные и ресурсосберегающие источники: солнечную, ветровую, гидро- и атомную энергию.

«Использование водородной солнечной энергетики - выгодно»

 

Екатерина Козлова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа Института катализа СО РАН, профессор РАН

Актуальность освоения возобновляемых источников энергии продиктована стремлением человека уменьшить негативное влияние на окружающую среду из-за выбросов углекислого газа, а также исчерпаемостью мировых запасов традиционного топлива. В Институте катализа СО РАН мы занимаемся получением зеленого водорода — экологически чистого топлива, обладающего большой теплотой сгорания.

Есть несколько способов использования водорода для получения энергии. Мы синтезируем водород из воды с применением солнечной энергии. Солнечная энергия — мощный и неисчерпаемый ресурс, поэтому внедрение водородной солнечной энергетики выгодно по ряду причин. Также можно использовать водород в электрохимических устройствах и получать электричество, скажем, для электромобилей.

Наша научная группа работает над созданием фотокатализаторов на основе нового материала: графитоподобного нитрида углерода — органического полимера с полупроводниковыми свойствами. Это доступный и экологически чистый фотокатализатор, в отличие от катализаторов на основе сульфида кадмия.

В рамках гранта РНФ мы ставили задачу добиться уменьшения количества платины, которая наносится на поверхность графитоподобного нитрида углерода. Благодаря нанесению платины из комплексов, которые мы синтезируем сами, нам удалось достичь высокой активности в получении водорода при меньших содержаниях благородного металла. Таким образом, мы снизили издержки процесса и увеличили экономический эффект.

Также у нас в институте работает Центр НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики», где мы изучаем прикладные аспекты: например, проводим эксперименты по укрупнению реакторов для получения водорода. С помощью уникального оборудования — лампы, имитирующей солнечное излучение, — мы можем смоделировать условия солнечного спектра для различных регионов: Новосибирска зимой или Самары летом. Катализаторы успешно работают в разных условиях, — полученные нами значения активности находятся на уровне самых высоких из опубликованных в литературе.

У бизнеса есть интерес к разработкам, однако, чтобы предложить конкретный продукт, сначала нужно выйти на более высокий уровень готовности технологий, масштабировать их. Чем мы, собственно, и занимаемся. Сложно дать прогноз с далеким горизонтом, но возможно, через 15-20 лет мы увидим объекты распределенной энергетики в России.


Исследовательская группа под руководством Екатерины Козловой

«Повышая безопасность обращения с водородом, мы добьемся увеличения эффективности работы АЭС»

Александр Егоров, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдела энергетических проблем Федерального исследовательского центра «Саратовский научный центр РАН»

У российских АЭС, по сути, отсутствует маневренная эффективность, они работают на стопроцентной загрузке. Наш научный коллектив решает эту проблему, разрабатывая методы на основе водородных технологий. Мы предложили и запатентовали принципиально новый подход к использованию водорода на АЭС: сжигание в независимом замкнутом цикле. За счет производства и аккумулирования водорода в ночной период и его сжигания днем мы сможем обеспечить маневренность АЭС.

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы решаем вопрос обеспечения безопасности обращения с водородом. Несмотря на то, что водород очень выгодный энергоноситель и имеет массу достоинств, это взрывоопасный газ, поэтому возможность его использования на весьма зарегулированной с точки зрения безопасности АЭС требует досконального изучения.

На Кольской АЭС реализуется пилотный проект по производству водорода. Процесс запущен: если производство допустили, то есть надежда, что использование водорода тоже разрешат в скором времени.

В перспективе нас ждет больше комбинированных АЭС, на которых будет присутствовать водородный энергокомплекс. Разрабатываемые нами математические модели и уравнения уникальны для России, — они никем ранее не изучены.

Проект развивает одно из направлений исследований, необходимых для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике и выполнения целей «Стратегии научно-технического развития РФ». Повышая безопасность обращения с водородом при его использовании на атомной станции, мы добьемся увеличения эффективности работы АЭС. В перспективе это должно приводить к экономии топлива и снижению тарифов для потребителей. Таким образом, наши разработки помогут ощутимо снизить себестоимость электроэнергии и сделать ее экологически более чистой.

Поддержка РНФ помогла реализовать ряд исследовательских задач, но в моем регионе слабо развита экспериментальная база, поэтому в ходе работы приходится обращаться к московским коллегам, в ОИВТ РАН. Хотелось бы, чтобы регионы, в которых существует эта проблема, получали субсидии на развитие материальной базы.

Передача электроэнергии

В России большая часть электроэнергии доставляется от электростанций до потребителей при помощи централизованной системы, включающей линии электропередачи общей протяженностью 2,5 млн километров. Медленная модернизация и цифровизация этого комплекса, существенная зависимость от органического топлива, а также большие потери энергии при передаче требуют новых решений. Вместе с государственными и коммерческими институциями ученые создают модели и элементную основу для активного внедрения распределенной энергетики — локальных объектов, требующих меньше ресурса на работу, позволяющих снизить потери при транспортировке и аварийность сетей электроснабжения.

«Нужно повышать долю совместного производства тепловой и электрической энергии»

Феликс Бык, кандидат технических наук, доцент Новосибирского государственного технического университета

Потенциал существующей централизованной энергетики почти полностью исчерпал себя. Энергокомплекс потребляет около 30 % добываемого в стране углеводородного топлива, при этом показывает низкую энергетическую эффективность производства и недостаточный уровень ресурсосбережения при передаче электроэнергии.

В итоге потребители вынуждены оплачивать содержание избытков в генерирующем и сетевом комплексах, а стоимость электроэнергии растет, опережая темпы инфляции. Противоречия между энергетикой и потребителями нарастают. Это проявляется, с одной стороны, ростом задолженности за использованную электроэнергию, а с другой — созданием собственных источников электрической и тепловой энергии малой мощности. Процесс приобретает неуправляемый, неконтролируемый и непрогнозируемый характер.

В поисках решения проблемы сегодня ведется активная работа по внедрению объектов распределенной энергетики — атомных электростанций и возобновляемых источников, — а также увеличению доли когенерационных установок для одновременного производства тепловой и электрической энергии. Такие установки размещаются локально, например на электростанциях предприятий или в жилых домах, и доводят до потребителей тепло, которое вырабатывается в процессе получения электроэнергии и обычно выбрасывается в атмосферу.

Наш проект также направлен на повышение доли совместного производства тепловой и электрической энергии. В больших городах с крупными ТЭЦ эта проблема в определенной степени решается. Для малых и средних городов дела обстоят иначе: здесь характерна высокая доля раздельного производства энергии, а основным источником тепловой энергии являются угольные и газовые котельные.

Наш коллектив разрабатывает модели и методы, которые помогают региональным властям менять отношение к объектам распределенной энергетики. Необходимо создавать в составе региональных систем электроснабжения локальные интеллектуальные энергосистемы, сбалансированные по мощности и энергии. Эти комплексы основаны на газопоршневых и газотурбинных установках малой мощности, а их основным потребителем является население. Кроме топливного эффекта, это позволит снизить негативное влияние перекрестного субсидирования, которое ослабляет конкурентоспособность промышленных и сельскохозяйственных производителей, а также увеличивает затраты малого и среднего бизнеса на электроэнергию.

«Мы помогаем создавать качественные и эффективные преобразователи энергии»

Александр Маклаков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Южно-Уральского государственного университета, ведущий научный сотрудник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, доцент Московского политехнического университета

В нашей области исследований существует общая для всех проблема, которую мы решаем: проблема электромагнитной совместимости систем генерации и потребления электроэнергии с распределенными системами электроснабжения. Другими словами, необходимо преобразовать постоянное напряжение, например от солнечной панели, в переменный ток для подачи в общую электрическую сеть. Сделать это нужно с наименьшими потерями.

Изучаемые нами объекты основаны на полупроводниковых преобразователях большой мощности в несколько мегаватт, что сравнимо с мощностью небольшой ГЭС. Чтобы управлять такими устройствами, недостаточно прибегать к классическималгоритмам или пытаться повысить частоту коммутации модулей преобразователя. В первом случае это приведет к искажениям напряжений и токов, и, как следствие, — нарушению работы потребителей электроэнергии. Во втором случае потребуется усиленное охлаждение, что значительно снизит энергоэффективность и надежность всей системы. Здесь нужны свежие решения. Мы предложили новый подход, разработали алгоритмы и показали их эффективность: на низкой частоте переключений мы обеспечиваем приемлемый уровень помех и искажений, а также высокий КПД — на уровне 97%.

В области совершенствования преобразователей энергии мы сотрудничаем с такими предприятиями, как «Парус электро», «Магнитогорский металлургический комбинат», MMK Metalurji, а также с челябинскими коллегами, которые заинтересованы в развитии отечественных технологий. Мы с оптимизмом смотрим в будущее и надеемся, что наши разработки помогут создать качественные и эффективные преобразователи энергии для страны.


Александр Маклаков и сотрудник лаборатории Тао Цзин рядом с платформой для прототипирования алгоритмов управления силовой преобразовательной техникой. Источник: Александр Маклаков

Сноски:

* Парсер — программа для сбора и систематизации информации, размещенной на различных сайтах.
** Возвращение, улавливание веществ, расходуемых при технологических процессах, с целью их повторного использования
20 февраля, 2024
Лекторий РНФ «Наука за 10 минут» прошел в рамках международной выставки-форума «Россия»
В рамках Международной выставки-форума «Россия» и Форума национальных достижений 17 февраля прошел...
19 февраля, 2024
Александр Хлунов и грантополучатели Фонда приняли участие в работе Форума будущих технологий
На Форуме будущих технологий, прошедшем в Москве 13-14 февраля, центральной темой дискуссий и засе...