Энергия под контролем

Россия уже давно решила вопрос, как согреть и осветить жилища. На повестке дня — новая задача: как это сделать, не повредив природе. Решают эту задачу именно те, кто будет жить, пользуясь чистой энергией,— молодые ученые.

Заведующий лабораторией Егор Кашкаров подготавливает ионно-плазменную установку для нанесения защитных водородонепроницаемых покрытий

Фото: Предоставлено пресс-службой ТПУ

В конце XIX века человечество переходило от «века пара» к «веку электричества». Паровые машины уходили в прошлое, уступая место более эффективным электрическим системам.

Сегодня ученые молодежных лабораторий, открытых в рамках нацпроекта «Наука и университеты», создают установки на основе использования традиционных источников энергии и альтернативных. К традиционным — возобновляемым — относятся солнечные, ветровые, гидроэнергетические и геотермальные. Альтернативные — установки, которые работают на водородном топливе, тепловых насосах, и термоэлектрические генераторы.

Альтернативная энергия

Энергосистемы на основе водорода могут обеспечить более высокие показатели эффективности, лучшую защиту окружающей среды и большую надежность. Помимо множества преимуществ у водородной энергетики есть и существенные минусы. Главный из них — это стоимость. Чтобы с помощью водородной энергетики обогреть одну квартиру площадью 60 кв. м, нужно построить установку стоимостью более 5–7 млн руб.

Решить одну из главных проблем водородной энергетики с помощью подбора новых, более дешевых материалов пытаются физики Томского политехнического университета. В новой молодежной лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем они создают научные основы и технологии производства новых функциональных композитных материалов и технологий диагностики элементов водородных систем.

«Есть несколько причин, почему нужно развивать водородную энергетику в России. Прежде всего это возможность перехода на альтернативные источники энергии в связи с постепенным истощением запасов традиционных топлив. Это снижение углеродного следа в концепции декарбонизации энергетики и мировой климатической повестки. Наконец, это возможность повышения энергоэффективности промышленных производств и источников генерации энергии»,— комментирует заведующий лабораторией Егор Кашкаров.

Один из примеров успешного применения технологий водородной энергетики — комплексная система резервного электроснабжения, состоящая из солнечной электростанции для первичной генерации электроэнергии, которая используется в устройстве для получения и накопления водорода методом электролиза. Это так называемый зеленый водород. Накопленный водород используется для генерации тепло- и электроэнергии с использованием водородных топливных элементов.

В Томском политехе проводятся исследования в области получения, выделения, очистки, хранения, транспортировки и безопасного использования водорода. «На базе разработанных гибридных моделей элементов современных энергосистем, где накопленный водород является источником энергии, создаются комплексные системы на основе твердооксидных топливных элементов и протонно-обменных мембран. Они служат для получения электроэнергии из водорода и их интегрирования в системы автономного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии водорода. Такие технологии могут применяться, в том числе, для обеспечения энергией удаленных труднодоступных районов»,— добавляет Егор Кашкаров.

707 молодежных лабораторий уже создано в России

В молодежной лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем разрабатывают фильтры для получения чистого водорода на основе палладийсодержащих мембран и беспалладиевых высокоэнтропийных сплавов, а также новые материалы-накопители водорода. Кроме того, политехники разрабатывают технологии неразрушающего контроля материалов систем хранения водорода. Это позволит повысить их емкость и увеличить срок службы, снизить затраты на производство и повысить безопасность их эксплуатации. Также можно будет говорить о повышении энергоэффективности использования водорода применительно к конкретным вариантам стационарного или мобильного исполнения.

Чистая энергия

На стене одного из учебных корпусов УрФУ установлены солнечные панели, которые помогают генерировать энергию

Фото: Предоставлено пресс-службой УрФУ

Электричество можно получать с помощью воды, солнца, воздуха. Установки, которые позволяют получить электричество от энергии водных масс, называются гидроэлектростанции. Обычно ГЭС строят на реке с сильным течением и устойчивой почвой. Однако чрезвычайные ситуации — половодье или затопление — могут нарушить работу гидроэлектростанции. Как оптимизировать работу ГЭС и эффективнее использовать водные ресурсы нашей страны, знают в Уральском федеральном университете. В молодежной лаборатории экологически толерантной энергетики ученые работают над созданием и внедрением экспериментальных установок «чистого» производства электро- и тепловой энергии.

Научный руководитель лаборатории, профессор кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ Владимир Велькин отметил, что цель сотрудников лаборатории — исследовать в каждой установке возможности и предложить способы и методы повышения эффективности этих установок в разных климатических условиях. Например, для России это Урал, Сибирь и Арктика. Для африканских стран, к примеру, Ганы, Египта, необходимо решать вопросы повышения эффективности работы установок в условиях жары, высоких температур экваториальных стран. «В сумме это дает синергетический эффект: мы работаем по разным направлениям, и затем, когда создаем установку, она становится более работоспособной и эффективной»,— добавил ученый.

Работа установок будет экологически безопасной: ни вода, ни воздух во время использования в установках возобновляемой энергетики никак не загрязняются. Используется либо скорость течения, либо напор. Суть работ, например, гидроустановок: вода с уровня верхнего бьефа (часть водоема/реки, примыкающая к водозаборным сооружениям с верховой стороны) опускается вниз, срабатывает на турбине, вращая ее, и протекает дальше.

В молодежной лаборатории экологически толерантной энергетики физики УрФУ занимаются преимущественно фундаментальными исследованиями. «Наша задача — предлагать научное, инновационное, обоснованное решение, доказанное с точки зрения теории различных законов. Результаты наших исследований — это теоретические разработки и создание лабораторных, не промышленных установок. Да, наши фундаментальные работы сочетаются с проведением экспериментальных исследований на стендах, которые сами аспиранты и создают. Но это прототипы, как правило, они созданы из подручных материалов. К примеру, наши ребята спроектировали экспериментальный комплекс на южной стене здания Уральского энергетического института УрФУ»,— добавил Владимир Велькин.

Для этого они разработали солнечную станцию мощностью 50 киловатт. Эта установка гибридная: будет работать и с сетью, и с аккумуляторами. Когда будет работать с сетью, излишки энергии пойдут в сеть, а в нормальном режиме — на освещение коридоров учебного корпуса. Установка позволит не только исследовать различные варианты ее применения и повышения эффективности, но и непосредственно снизить расходы на освещение корпуса. Сейчас подобная небольшая установка уже функционирует и обеспечивает, в частности, освещение одного из этажей здания вуза.

Защитить энергию

Сотрудники лаборатории «Умные наноматериалы» КГЭУ магистрант Артур Акбуляков и студент 4-го курса Максим Крайков демонстрируют стенд для исследования температурного режима материала

Фото: Предоставлено пресс-службой КГЭУ

Существует множество способов добычи энергии, но затем главная задача — ее правильно сохранить и эффективно использовать. Теплоэнергетическая система состоит из трех звеньев: генерация, транспортировка и потребление. Чем меньше объем потребления ресурсов, тем ниже выброс парниковых газов — что благоприятно для экологии, а также уменьшает счет за оплату коммунально-бытовых услуг для конечного потребителя.

Ученые молодежной лаборатории «Умные наноматериалы для повышения энергоэффективности» Казанского государственного энергетического университета разрабатывают материалы с улучшенными теплоизолирующими и теплоаккумулирующими свойствами. Новые энергосберегающие и теплоизоляционные материалы будут обладать возможностью накапливания энергии. Что это даст на практике? Например, энергия тепла внутри здания, обшитого такими материалами, будет сохраняться. Для этого ученые создают новые гранулы аэрогеля для использования в качестве теплоизоляционных материалов. Аэрогели могут гарантировать заданное термическое сопротивление при сниженной толщине материала относительно других материалов.

Материалы на основе аэрогеля имеют в 2–3 раза более низкую тепловодность, чем минеральная вата. По себестоимости тепловая изоляция из аэрогеля пока в несколько раз дороже аналогов из минеральной ваты. Однако простота монтажа, повышенная износостойкость и длительный срок службы позволяют предположить, что стоимость жизненного цикла в перспективе 20–25 лет у аэрогеля будет ниже, чем у минеральной ваты.

«Помимо обшивки зданий, материалы на основе аэрогеля могут применяться для изоляции высокотемпературного оборудования (печи, реакторы) и паровых сетей. К примеру, в сегменте до 150°С уверенные позиции на рынке тепловой изоляции трубопроводов занимает пенополиуретан. В то время как паровые сети с температурой эксплуатации 250–400°С до сих пор покрываются минеральной ватой, которая уступает аэрогелю как по теплотехническим характеристикам, так и по износостойкости и долговечности»,— рассказывает руководитель лаборатории, доктор технических наук, профессор КГЭУ Ирина Ахметова.

В качестве исходного вещества для создания аэрогелей, как правило, используется диоксид кремния. В свою очередь, производство аэрогеля из графена и углеродных нанотрубок позволяет получить материал с более низкой плотностью и теплопроводностью при существенно возросшей эластичности.

В молодежной лаборатории экологически толерантной энергетики УрФУ работают аспиранты и молодые кандидаты технических наук из Египта, Китая, Ганы, Ирака, Индонезии, Бангладеш, Индии, России.

Помимо непосредственной разработки технологий для создания современных теплоизоляционных материалов, коллектив молодежной лаборатории занимается изучением динамики теплотехнических свойств материалов в реальных условиях эксплуатации. В частности, наблюдают за поведением материалов под воздействием стресс-факторов в климатических камерах и на действующих газовых печах.

«С научно-технической точки зрения мы нацелены на разработку комплексных рекомендаций и решений по производству, эксплуатации и утилизации современных теплоизоляционных материалов для объектов ЖКХ и промышленности»,— добавила Ирина Ахметова.