ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

7. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

7.1. Экологически чистая энергетика на основе альтернативных энергоносителей

Рассмотрены возможности магнитогидродинамического метода (МГД-метод) производства электроэнергии при использовании гидротермального окисления алюминия в водяном паре при их соотношениях, близких к стехиометрическому. Важнейшим результатом является то, что для полученной данным методом плазмы (состоящей из водорода с присадкой нескольких процентов калия и

Показано, что энергоустановки на базе МГД-генератора, работающие по алюмоводородным технологиям, являются перспективными аварийными (резервным) источниками электроэнергии при работе в составе энергосистем традиционного типа. При этом отсутствуют какие-либо вредные выбросы, что позволяет использовать такие установки в экологически нагруженных районах. (ОИВТ РАН)

Начата разработка среднесрочных и долгосрочных программ в области генерации и электрических сетей для Российской Федерации в целом, а также с детализацией для электроэнергетических компаний, работающих в Москве и Московской области. На этой основе ОАО «Мосэнерго» сейчас реализует крупномасштабную инвестиционную программу, успешное выполнение которой является главным условием надежного энергоснабжения потребителей всего региона в предстоящие годы.

Результаты выполненных прогнозно-аналитических исследований демонстрируют необходимость координации работ, проводимых энергетическими компаниями по всему спектру программных задач, обеспечивающих надежное прохождение зимних максимумов нагрузок. При этом, в сжатые сроки – 2009-

Для обеспечения надежного энергоснабжения московского региона особое значение имеют вопросы, связанные с созданием Петровской ГРЭС. Учитывая долгосрочный характер этой проблемы, выбор в качестве основного топлива природного газа должен быть подтвержден соответствующим постановлением Правительства РФ. Вместе с тем, по соображениям диверсификации топливного баланса и повышения надежности топливоснабжения электростанций Московской энергосистемы должен быть рассмотрен и угольный вариант Петровской ГРЭС.

Следует отметить, что прогнозные значения приростов электрических нагрузок на период до 2020 г. оказались ниже заявленных в последнее время правительством Московской области и подлежат корректировке. Необходимость разработки в 2009 г. новой редакции концепции развития энергетики Московского региона крайне необходима также ввиду существенного изменения процесса развития мировой и российской экономики. (ОИВТ РАН)

Разработаны фундаментальные основы, принципы построения и конструкция суперконденсатора нового поколения с экспериментально подтвержденным значением удельной запасенной энергией в девять раз превосходящим значение удельной запасенной энергии существующих наборных суперконденсаторов. Это достигается за счет использования нового нетоксичного органического электролита на основе ионной жидкости с напряжением декомпозиции более трех вольт и оптимизацией пористой структуры и химии поверхности нано-структурного углеродного материала. Такие суперконденсаторы являются основой для построения энергосберегающих гибридных энергетических установок транспортных средств, позволяющих в два раза снизить расход топлива за счет рекуперации энергии торможения, а также в 10 раз снизить количество вредных выбросов. (ОИВТ РАН)

Проведены работы по разработке и созданию основных элементов сверхпроводящей транспортной магистрали (СПТМ) для комплексной передачи электрической энергии и жидкого сжиженного газа на большие расстояния с мощностью до 5 ГВт. При этом, сжиженные газы используется в качестве экологически чистого энергоносителя и, одновременно, для термостатирования ВТСП силового кабеля, а электрическая энергия – для обеспечения работы технологических систем транспортировки сжиженного газа и непосредственного потребления предприятиями и коммунальными службами.

В ходе выполненных работ впервые в мире разработан и изготовлен криогенный насос с высокотемпературным сверхпроводящим (ВТСП) электроприводом мощностью 5.6 кВт с числом оборотов 12 тыс. об/мин. Для испытаний разработанного уникального устройства была создана методика экспериментального исследования процессов захолаживания и запуска крионасоса с электроприводом и экспериментальная установка для проведения комплексных испытаний крионасоса с электроприводом. Время захолаживания крионасоса составляло 1 час. Получены обобщающие зависимости для расчета захолаживания крионасоса, а результаты испытаний подтвердили заявленные напорные и расходные характеристики крионасоса. (ГТУ «МАИ», ОИВТ РАН)

7.2. Биотопливо и энергоносители из возобновляемого сырья

Разработан мембранный биореактор нового типа, содержащий мембранное устройство для отвода водорода in situ. Изготовлены композиционные мембраны на основе поли(1-триметилсилил-1-пропина) (ПТМСП) с содержанием трансструктур 20%. Для дальнейшего использования предложены мембраны с проницаемостью по водороду в диапазоне от 1200 до 2500 л/м²часатм. Испытанная мембрана не подвержена отрицательному действию биологических сред и микроорганизмов и не забивается илом в условиях эксплуатации при повышенных температурах (70^°С) в течение месяца в анаэробных условиях.

Найдены ключевые подходы для создания эффективных мембранных контакторов рециркуляционного типа, работающих в режиме абсорбция-десорбция. В соответствии с этим синтезированы укрупненные лабораторные партии образцов ПТМСП с содержанием цис-звеньев 80%, обладающих высокой химической устойчивостью по отношению к различным реагентам щелочного типа, и получены лабораторные образцы высокопроницаемых композиционных мембран на их основе. Разработаны новые модификации мембранных контакторных элементов с варьированием толщины слоя подвижного жидкого носителя в диапазоне 100-
350 микрон, обеспечивающих оптимизацию эффектив-ности разделения компонентов биогаза в рециркуляционном режиме. (ИНХС РАН)

Получены экологически безвредные и биологически разлагаемые микробиологические ферменты для прямого термического гидролиза и деполимеризации основных компонентов растительных биомасс, в первую очередь, гемицеллюлозы. На примере гидролиза пшеничной и рисовой соломы обнаружен новый неизвестный ранее эффект влияния силовых полей давления и сдвига на частичное осахаривание продуктов в процессе механического диспергирования. (ИБХФ РАН)

При помощи методов высокоэффективной белковой хроматографии выделены индивидуальные (гомогенные) целлобиазы (β-глюкозидазы), изучены их биохимические и каталитические свойства. При гидролизе целлюлозо-содержащего сырья в присутствии целлюлазного препарата целловиридин Г20Х (на основе штамма T.reesei) и целлобиазы полученного штамма-продуцента P.canescens выход глюкозы повышается в 2,5-3 раза по сравнения с реакционной системой, в которой целлобиаза отсутствовала. (ИНБИ РАН)

Разработан оптимизированный режим электронно-лучевой перегонки биомассы, и на его основе впервые показана возможность 60-80-процентной конверсии растительного сырья в безводное жидкое топливо с выходом более

Установлено, что использование комбинаций ферментативных катализаторов (целлюлаз и -глюкозидазы) является наиболее эффективным подходом к организации одновременного осахаривания и ферментации (ООФ) целлюлозо-содержащих субстратов (ЦСС) по сравнению с использованием индивидуальных ферментов, в частности, целлобиогидролаз.

При получении биоэтанола из кукурузных стеблей ООФ максимальная концентрация спирта (38 г/л) была получена при использовании иммобили-зованных клеток дрожжей в комбинации c иммобилизованной -глюкозидазой и дополнительно внесенными целлюлазами в концентрации 15 мг общего белка/г сухих веществ исходного субстрата. Выход этанола при этом составил 90% от теоретически возможного. Показан высокий уровень жизнеспособности иммобилизованных клеток, подтверждающий теоретическую возможность многократного использования таких биокатализаторов для получения биоэтанола, и возможность организации непрерывного процесса с их участием. Полученные результаты могут быть использованы для разработки основ инновационной технологии получения топливного биоэтанола из ЦСС. (ИБХФ РАН)

Впервые обнаружено, что превращение диэтилового эфира (ДЭЭ) на алюмоплатиновом катализаторе приводит к образованию нормальных и разветвленных алканов, содержащих более четырех атомов углерода. Найдены оптимальные параметры процесса и его режимы. В присутствии алюмоплатинового катализатора при 350^°C конверсия ДЭЭ достигает ~95%, выход алканов С₃–С₁₂ составляет около 40%.

Найдена каталитическая система (смесь W_xRe_1-XO₃/-Al₂O₃ и Pt/Al₂O₃), обеспечивающая эффективную кросс-конденсацию этанола и глицерина в алкен-алкановую фракцию с выходом, превышающим 40% масс. Установлены оптимальные температурный интервал проведения реакции и соотношение сореагентов, обеспечивающие эффективное вовлечение глицерина в реакцию кросс-конденсации с этанолом.

На основе моно- и биметаллических ацетатных, хелатных и алкоксидных предшественников разработаны моно- и биметаллические мембранно-катали-тические системы, проявляющие высокую активность в углекислотном

Синтезирован и оптимизирован новый анодный катализатор Ru^V, отличающийся высокой удельной активностью, стабильностью и обеспечивающий фарадеевский коэффициент окисления спирта 75-80%. Разработан улучшенный катодный катализатор CoFe/C, толерантный к этанолу. На основе синтезированных катализаторов, не содержащих платину и специализированной мембраны (сепаратора) разработан и испытан топливный элемент этанол-воздух с электродами размером 25 см². При температуре 60^°С величина максимальной удельной мощности составляет 90-100 мВт/см², что по крайней мере в два раза превышают зарубежные характеристики, полученные при использовании платиновых катализаторов.

Разработан способ циркуляционного облучения, обеспечивающий безотход-ную конверсию газов С₁–С₅ в высокоразветвленные жидкие алканы С₆–С₁₂. При этом производительность переработки углеводородных газов в равновесных условиях составляет не ниже 0.16 кг/кВтч. Моторное октановое число продукта превышает 95 и возрастает с ростом степени разветвления молекул сырья и мощности дозы электронного излучения. Получаемое топливо превосходит традиционные сорта бензинов по экологической чистоте, стабильности и детонационной стойкости. Повышенная детонационная стойкость продукта позволяет использовать его в основном в качестве высокооктановой добавки
(до 25%) к низкосортным бензинам. Теплота сгорания продукта составляет
47-49 МДж/кг.

Предложено формирование электрода для топливных элементов, утилизирующих биогаз, в виде цепочки «проводник электронов → катализатор → проводник протонов или гидроксил-ионов →» на одном тканевом или пленочном сорбенте, обеспечивающим поглощение «топлива» и его диффузию в единой системе к поверхности катализатора. Обоснована перспективность нанопленок этанолоцикламов как базы для получения компонентов цепочки электрода. На основе наносорбента ИФХЭ–ЭТЦ (хлопчатобумажная ткань с ПВХ-покрытием с сорбционно-активной нанопленкой этанолоцикламов) получены материалы с протонопроводящими сорбционно-активными нанопленками, материалы с гидроксилпроводящими сорбционно-активными нанопленками, материалы с каталитически- и сорбционно-активными нанопленками и материалы с электронопроводящими нанопленками, наполненными атомами никеля и меди. (ИФХЭ РАН)

Установлено, что полиморфизм диоксида кремния (матрицы) для размещения редкоземельных элементов (РЗЭ) играет ключевую роль в создании катализаторов окислительной конденсации метана с образованием этилена, этана, пропилена, пропана и бутенов. Селективность катализаторов в образовании продуктов превышает 50% в расчете на превращенный метан. Выход продуктов С₂₊ достигает 29%. Впервые созданы катализаторы методом твердофазного синтеза, без использования растворителей. (ИОНХ РАН)

Найдены оптимальные условия процесса получения бензина из биогаза и попутных нефтяных газов через синтез-газ (Н₂:СО=1:1) и ДМЭ. Конверсия ДМЭ составляет 96-98%, селективность по углеводородам бензинового ряда до 75%. Полученный бензин характеризуется повышенным содержанием изо-парафинов и меньшим содержанием ароматических соединений.

Исследован процесс конверсии биогаза в синтез-газ на пилотной установке в проточном реакторе с быстрой сменой циклов реакция-обработка-регенерация-обработка-реакция с циркулирующим в системе эффективным микросферическим катализатором. В оптимальных условиях (время контакта 5 с, температура 800 ^°С, [О]/CH₄=1 (мольн.)) NiCo-катализатор обеспечивал высокую конверсию CH₄ (более 95%) и селективность образования Н₂ и СО на уровне 90% (от теории). (ИНХС РАН)

Создана действующая демонстрационная математическая модель экзотермического реактора процесса синтеза Фишера-Тропша, которая обеспечивает решение не только прямой задачи – моделирования процесса синтеза углеводородов в зависимости от технологических параметров, но и обратной задачи – определения и оптимизации технологических параметров в зависимости от требуемого целевого продукта (состава и структуры синтезируемых углеводородов). Это позволяет осуществлять целенаправленный ФТ-синтез из ненефтяного сырья. (ОИВТ РАН)

Изучена совместная гидроконверсия тяжелого нефтяного сырья (гудрона) и древесины с высокоароматизированной добавкой (газойлем крекинга). Показано, что при совместной переработке гудрона и древесной массы условная конверсия сырья возрастает на 12,6% с соответствующим ростом выхода газа на 7% и некоторым снижением выхода дистиллятных фракций.

Установлено, что при сравнительно мягких условиях органическая масса древесины почти полностью превращается с получением газа и жидких углеводородов. (ИНХС РАН)