КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-79-10205

НазваниеМеханизмы снижения вредных выбросов в энергетических установках за счет использования водорода и метано-водородных видов топлива

РуководительМатвеев Сергей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые словаВозобновляемые источники энергии, оксиды азота, процессы горения, химическая кинетика, турбулентность, природный газ, водород, квантово-химические расчеты, эмиссия, энергоэффективность

Код ГРНТИ44.31.39


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Распоряжением Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 г. № 2634-р утвержден план мероприятий («дорожная карта») по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года, направленный на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В России задача по развитию водородной энергетики закреплена в ключевом отраслевом документе стратегического планирования – актуализированной Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года. В соответствии с «дорожной картой» к 2024 году предусмотрена реализация ряда пилотных проектов в области водородной энергетики, одним из которых является разработка, изготовление и проведение испытаний газовых турбин на метано-водородном топливе. В настоящее время, в мире существует множество различных программ по декарбонизации или переходу на водородное топливо. Согласно докладу Bloomberg «Перспективы водородной экономики», к 2050 году 24% мировых потребностей в энергии будет покрывать водород, а его цена снизится до уровня сегодняшних цен на газ. По одному из сценариев интеграции водородных технологий в энергокомплекс США, водород к 2040 году станет вторым после электроэнергии всеобщим энергоносителем. При этом потребность в первичной энергии угля, газа и нефти упадет на 73%, 34% и 18% соответственно, а доля возобновляемых источников энергии возрастет в 4-5 раз. Все это показывает актуальность исследований в области применения водорода, а также метано-водородных смесей в качестве топлива для газовых турбин, наземного транспорта и авиационных двигателей. Горение водорода и метано-водородных смесей отличается высокой скоростью распространения пламени и более высоким тепловыделением относительно горения метанового топлива. Все это приводит к возрастанию температуры во фронте пламени и скорости его распространения, что приведет к повышенным выбросам оксидов азота NOx и может привести к прогару элементов двигателя. Для решения проблем, связанных с высокими выбросами оксидов азота, необходимо понимать механизмы их образования на фундаментальном уровне, а именно уточнять кинетические суб-механизмы образования NOx и соответствующие константы скорости химических реакций, включать их в кинетические модели горения метано-водородных и водородных топливо-воздушных смесей. Также необходимо проверять полученные механизмы на собственных экспериментах по определению нормальной скорости распространения пламени и концентраций оксидов азота в продуктах сгорания. В связи с этим, в рамках проекта планируется решить актуальные в настоящее время вышеизложенные задачи.

Ожидаемые результаты
1. Валидированный детальный кинетический механизм горения традиционных и альтернативных видов топлива, включающих суб-механизмы образования вредных веществ, в том числе NOx. Редуцированные механизмы горения традиционных и альтернативных видов топлива с определенными границами применимости. В ходе выполнения работы будут разрабатываться кинетические механизмы различной степени детализации, обладающие высокой предсказательной способностью, позволяющей описывать химические превращения традиционных и альтернативных топлив. Элементарные химические реакции, составляющие детальные механизмы будут взяты из последних экспериментальных данных и квантово-химических расчётов, проведённых на основе первых принципов (ab initio). Применение в работе квантово-химических расчётов поможет выявить значимые пути химических превращений, уточнить соответствующие суб-механизмы и их скорости реакций. Механизмы будут валидированы на основе новых экспериментальных данных, базирующихся на определении нормальной скорости распространения пламени, а также данных по времени задержки воспламенения различных топливовоздушных смесей, полученных в лучших лабораториях мира. Для применения кинетических механизмов в CFD расчётах, в том числе при использовании подхода LES, будут предложены редуцированные механизмы. Квантово-химические расчеты будут проводится в программах Gaussian, MESS и Molpro, используемых для высокоточных расчетов и признанных в мировом научном сообществе. 2. Новые данные ламинарной скорости распространения пламени топливовоздушных смесей, включающих: метан, природный газ, с добавками водорода. Экспериментально полученные зависимости ламинарной скорости распространения пламени в зависимости от температуры и состава смеси при горении различных традиционных и альтернативных видов топлива могут быть использованы для валидации разрабатываемых детальных и редуцированных кинетических моделей. Также полученные зависимости могут быть использованы при CFD моделировании для более качественного описания положения и величину фронта пламени. Экспериментальные зависимости нормальной скорости распространения пламени будут получены на установке использующей метод "Heat Flux", который является наиболее точным в настоящее время и признанным в мировом научном сообществе, что подтверждается статьями (Q1) ведущих научных мировых школ занимающихся процессами горения. Данная установка является единственной в РФ, во всем мире насчитывается около 10 таких установок. 3. Способы снижения эмиссии вредных веществ на основе фундаментальных исследования путей их образования. Международной организацией гражданской авиации (ICAO) установлены нормы на ограничение эмиссии оксидов азота (NOX), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (CXHY) и дыма. При этом планируется последовательное ужесточение принятых норм, в том числе по выбросам NOX к 2030 г. – на 60% (по отношению к нормам 2008 года). Исходя из этого в рамках проекта будут рассмотрены пути образования оксидов азота, и предложены механизмы к их снижению. 4. Новые закономерности и экспериментальные данные о процессах горения для широкого диапазона режимов горения традиционных и альтернативных видов топлива. Новые экспериментальные данные могут быть использованы для валидации методов численного моделирования процессов горения и образования вредных веществ. Также будет модифицирован прибор для измерения концентрации NO2, работающий на основе метода поглощения лазерного излучения. Доработанное устройство запатентовано и показывает высокую степень достоверности результатов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ