РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГЛЕРОДНО-НЕЙТРАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ПЕРСПЕКТИВНОМУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРАНСПОРТА И ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДОРОДА И БЕЗУГЛЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Переход к экологически безопасной ресурсосберегающей энергетике возможен лишь в случае осуществления полномасштабного внедрения энергетических и энерготехнологических комплексов, обладающих высокой эффективностью и отличающихся низким уровнем выбросов вредных веществ. Целью проекта является разработка совокупности научно-методических основ создания углеродно-нейтральных энергетических систем на основе новых энерготехнологических комплексов для производства электрической энергии и безуглеродных энергоносителей. Объектами исследования являются низкоуглеродные и безуглеродные энергоустановки на газообразном топливе, реализующие бинарные и тринарные циклы, в том числе, с кислородно-топливным сжиганием, энерготехнологические комплексы для совместного производства энергетических продуктов и промышленной продукции, а также электрохимические энергетические и аккумулирующие установки, их узлы, агрегаты и материалы. В рамках этапа 1 проекта были разработаны научные основы создания водородных и неводородных энергетических и энерготехнологических комплексов в обеспечение наибольшей энергетической и экономической эффективности, а также способы получения материалов для создания импортонезависимых электрохимических аккумуляторов, топливных элементов и электролизеров воды, получены результаты теоретического исследования процессов переноса в электролизере, оценена экономическая эффективность транспортировки водорода на большие расстояния. В частности, были разработаны тринарные энергетические установки с камерами дожигания и впрыском влаги в камеры сгорания газотурбинных установок, обеспечивающие возможность достижения электрического КПД нетто свыше 60%, кислородно-топливные энергетические комплексы с интегрированными установками паровой конверсии метана для совместного производства электроэнергии и водорода, работающие на природном газе, позволяющие достичь коэффициента использования теплоты топлива свыше 70%, способ производства электроэнергии посредством использования доменного газа, образующегося на установке сухого тушения кокса на металлургическом комбинате, а также способ производства электроэнергии и водорода на нефтеперерабатывающих комплексах посредством использования водородосодержащего газа, образующегося при производстве нефтепродуктов. Столь высокая эффективность перспективных энергетических и энерготехнологических комплексов была достигнута благодаря оптимизации структуры и параметров технологических схем, проведенной с использованием разработанных методик. Предложенные в рамках этапа 1 методики структурно-параметрической оптимизации, а также оценки углеродного следа позволят на следующем этапе проекта осуществлять системные исследования энергетических и энерготехнологических комплексов в обеспечение наибольшей энергетической и экономической эффективности. Разработанные схемные решения и сочетания термодинамических параметров, обеспечивающих максимальную эффективность производства электроэнергии при использовании высокотемпературных энергоустановок, работающих на метане, водороде и метано-водородных смесях, позволят на этапе 2 проекта провести комплекс расчетных исследований физических процессов, протекающих в элементах основного энергетического оборудования. На базе сформированных рекомендаций к выбору параметров и характеристик перспективных энергоустановок осуществлена разработка стендов для проведения исследований теплофизических процессов в проточных частях нового энергетического оборудования. Разработанная экспериментальная база позволит на следующих этапах проекта проводить физические эксперименты с целью верификации и валидации результатов математического моделирования физических процессов, а также испытаний прототипов частей энергетических установок. С использованием подходов фундаментальной электрохимии проведен анализ электрохимических систем, таких как электролизеры воды, топливные элементы и литий-ионные аккумуляторы, проведено их совершенствование за счет применения новых мембранных/диафрагменных, каталитических и электродных материалов. Разработанные композитные катоды могут использоваться в литий - полимерных аккумуляторах для энергетики и объектов коммунального хозяйства, в портативных компьютерах, аналоговых и цифровых коммуникационных системах, в бытовой электронике. Разработанные микропленочные мембраны с анионообменными свойствами уже в ближайшее время могут быть использованы при создании нового поколения щелочных электролизеров воды по чистоте газов не уступающих твердополимерным аналогам. Разработанные высокоэффективные электрокаталитические материалы для низкотемпературных топливных элементов. Совокупность полученных результатов позволит устранить научное и техническое отставание отечественной промышленности и обеспечить технологическую независимость.