Ученые научились превращать отходы одновременно в три вида энергии

Графическое представление работы

© ТПУ

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. Исследования показали, что 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.

Исследование поддержано федеральной программой Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы ученых опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy (Q1, IF: 8,3).

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», – отмечает 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.

По словам ученых, эффективность получения водорода при использовании предложенной системы также выросла. Так, энергетическая эффективность системы по выработке водорода увеличилась до 46 %, а эксергия конверсии биомассы в водород – до 22 %. При этом ученые определили оптимальные условия для максимальной выработки водорода: перегретый пар должен быть нагрет до 960 ℃ при давлении 2 бар.

«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», – добавляет заведующий лабораторией тепломассопереноса ТПУ Павел Стрижак.

Следующим этапом исследований станет масштабирование предлагаемой схемы и ее расчет для угля. Кроме этого, в планах создание модели глубокой переработки угля с получением синтетических топлив.

В исследовании приняли участие ученые лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики Томского политеха и кафедры теплоэнергетики Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева.

Источник: indicator.ru