КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 25-43-00051
НазваниеИсследование механизма когенерации электричества, воды и водорода в цикле на основе извлечения атмосферной влаги и электролиза воды с использованием солнечной энергии
Руководитель Гордеева Лариса Геннадьевна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл
Конкурс №99 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция
Ключевые слова Солнечная фотоэлектрическая энергия, адсорбция, адсорбционно-испарительное охлаждение, адсорбционное извлечение воды из атмосферы, дизайн адсорбентов, композиционные адсорбенты, металл-органические каркасные полимеры, гидрогели, электролиз воды, получение водорода,
Код ГРНТИ31.15.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Основываясь на сотрудничестве между партнерами, проект направлен на разработку нового комплексного решения по использованию и преобразованию солнечной энергии, которое включает в себя повышение эффективности преобразования световой энергии в электроэнергию за счет Пассивного адсорбционно-Испарительного Охлаждения (ПИО) панелей, Адсорбционное Извлечение Воды из Атмосферы (АИВА) с использованием отходящего тепла фотоэлектрических (ФЭ) панелей и получение экологически чистого водородного топлива электролизом собранной воды. Предлагаемая интегрированная система позволит реализовать гибкие и устойчивые варианты использования солнечной энергии, получить ряд полезных продуктов (электроэнергия/вода/водород) в зависимости от текущих потребностей, и, тем самым, повысить общую эффективность использования солнечной энергии. Следует отметить, что она не требует никаких дополнительных затрат, кроме солнечной энергии и влаги воздуха, что открывает путь к более эффективному использованию энергии.
К основным ожидаемым результатам относятся:
(1) Комплексная модель для термодинамического анализа и оптимизации интегрированного цикла.
Предлагаемый интегрированный цикл объединяет процессы ФЭ преобразования солнечной энергии, ПИО солнечных панелей, АИВА и электролиз собранной воды. Система включает различные потоки световой, тепловой, химической и электрической энергии, а также переходы «атмосферная влага – вода – водород» между компонентами системы. В результате выполнения проекта будет разработана комплексная термодинамическая модель, являющаяся краеугольным камнем этого исследования и позволяющая выяснить механизмы переноса энергии и массы внутри и между различными сегментами, такими как преобразование солнечной энергии в электричество и тепло, преобразование теплоты в энергию химических связей, переход воды из пара в жидкость, потребление воды и электроэнергии в установке получения водорода. Эта модель позволит оценить влияние солнечного излучения и атмосферных условий на производительность фотоэлектрических систем и на сбор воды из атмосферы. Кроме того, это создаст базу для углубленного исследования потребления электроэнергии и воды на установке электролиза воды. На основе разработанной термодинамической модели будет осуществлена оптимизация интегрированного цикла, что облегчит практическую реализацию предлагаемой системы.
(2) Инновационные адсорбенты, специализированные для предлагаемого интегрированного цикла.
Адсорбент является центральным компонентом как системы ПИО, так и АИВА, и его свойства во многом определяют эффективность всей системы в целом. Поиск эффективных адсорбентов паров воды, свойства которых соответствуют рабочим условиям интегрированного цикла и климатическим условиям конкретного региона, в котором предлагаемый цикл будет реализован, является ключевым фактором практической реализации системы. Будут синтезированы различные адсорбенты, такие как металл-органические каркасы (МОК), композиты "соль в порах матрицы" (КСПМ) и модифицированные солями гидрогели. Будут получены данные по равновесию и динамике адсорбции паров воды на синтезированных адсорбентах. На основе этих данных для дальнейшего исследования в интегрированной системе будут отобраны 1-2 наиболее перспективных материала с высокой адсорбционной емкостью по отношению к парам воды в конкретных климатических условиях, быстрой кинетикой сорбции, легко регенерируемые с использованием бросовой теплоты ФЭ панелей, и обеспечивающие эффективную конденсацию воды. Будут предложены методы приготовления структурированных адсорбентов, консолидированных с поверхностью ФЭ панелей, осуществлена оптимизация конфигурации слоя и изучена их механической, термической и химической стабильности.
(3) Адсорбционно-фотоэлектрическая система
Адсорбционно-фотоэлектрическая система включает ФЭ панель, консолидированную со слоем адсорбента, и конденсатор. Это решение обеспечивает адсорбцию атмосферной влаги в темное время суток и десорбцию поглощенной воды в дневное время с использованием теплоты, генерируемой в результате ФЭ преобразования энергии. Тем самым обеспечивается эффект ПИО ФЭ панели и повышение эффективности преобразования фотоэнергии в электрическую. В результате конденсации десорбированной влаги в конденсаторе образуется пресная вода, которая может быть либо использована в санитарных целях, либо электролитическим способом разложена до водорода. Будет разработана модель для изучения потоков и преобразования фото-энергии в электрическую и тепловую, а также массовых потоков в процессе ПИО ФЭ панелей и АИВА. Используя разработанную модель, будет осуществлена оптимизация структурных элементов интегрированной фото-адсорбционной системы, получены данные по влиянию реальных условий на выработку электроэнергии, управление температурными режимами ФЭ панелей и производительность АИВА.
(4) Система электролиза воды
Будет разработана и сконструирована компактная установка электролиза на протон-проводящей мембране для электро-каталитического разложения собранной воды с высокой эффективностью. В качестве анода и катода для разложения воды будут использованы катализаторы на основе Ru, считающиеся перспективными кандидатами благодаря их высокой активности в реакциях выделения кислорода и водорода. В этой работе будет использоваться ИИ для быстрого скрининга катализаторов на основе Ru, диспергированного на атомном уровне. Основываясь на этом, будут разработаны методы изготовления электродных материалов и устройств, которые могут удовлетворить требованиям приложений для получения водорода путем электролиза воды. Будут получены корреляции между свойствами каталитических материалов и их электронными структурами, атомным и химическим составом.
(5) Интегрированная система
Будет сконструирована интегрированная система когенерации электроэнергии, воды и водорода. Первоначально будет создана комплексная модель интегрированной системы путем объединения отдельных математических моделей для каждого блока системы и граничных параметров каждого блока. С применением разработанной модели будет проведен теоретический анализ влияния различных факторов, таких как солнечное излучение, температура воздуха, влажность, структурные параметры (например, характеристики слоя адсорбента и камеры конденсации) и параметры согласования процессов (выработка электроэнергии и воды, потребление в электролизной установке) на общую производительность системы. После проведения теоретической оптимизации будет сконструирована интегрированная адсорбционно-фотоэлкетрическая система. Будут проведены лабораторные и уличные эксперименты для оценки практических показателей эффективности, включая эффективность преобразования солнечной энергии в электричество, выработку электроэнергии, производительность получения воды и водорода. Эффективность использования солнечной энергии будет определяться на основе производительности всей системы.
Таким образом, интегрированная адсорбционно-фотоэлектрическая система с электролизом воды для получения водорода и полученные результаты ее исследования будут соответствовать мировому уровню, так как она основана на передовых технологиях в области преобразования и использования энергии возобновляемых источников (фото-электрические, адсорбционные методы преобразования энергии, электролитический метод получения водорода). Ее реализация позволит получить целый ряд универсальных продуктов — электроэнергии, воды и водорода, предлагая гибкие варианты использования энергии в зависимости от текущих нужд потребителей, и, тем самым, повысить общую эффективность использования солнечной энергии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Надежное снабжение электроэнергией и водой является необходимым условием устойчивого развития человеческого общества. Фотоэлектрические (ФЭ) технологии являются одним из наиболее перспективных решений для смягчения энергетического кризиса. Более 80% солнечной энергии рассеивается в виде тепла, что негативно влияет на эффективность ФЭ-систем. Данный Российско-Китайский проект направлен на разработку интегрированной адсорбционно-фотоэлектрическая система для когенерации электроэнергии, воды и водорода, работающая от энергии солнечного света. В предлагаемой системе адсорбент, консолидированный с обратной стороной фотоэлектрической панели, поглощает влагу из атмосферы в ночное время. Поглощенная влага десорбируется в дневное время, за счет теплоты, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, тем самым, снижая температуру панелей за счет эффекта пассивного испарительного охлаждения, что приведет к росту эффективности преобразования света в электричество. Десорбированная влага конденсируется за счет сброса теплоты конденсации в окружающую среду с получением чистой пресной воды. Реализуется процесс извлечения воды из атмосферы. Кроме того, вода и электричество, вырабатываемые в интегрированном адсорбционно-фотоэлектрическом цикле, используются для производства «зеленого» водорода в процессе электролиза воды без потребления дополнительной энергии или веществ, кроме солнечной энергии и воздуха. Такой комплексный подход позволяет получить целый ряд универсальных продуктов — электроэнергии, воды и водорода, предлагая гибкие и устойчивые варианты использования энергии в зависимости от текущих нужд потребителей, и, тем самым, повысить общую эффективность использования солнечной энергии. Адсорбент является центральным компонентом данной комбинированной системы, и его свойства во многом определяют эффективность всей системы в целом. Эффективная реализация предлагаемой системы может быть достигнута только путем направленного дизайна адсорбента, свойства которого соответствуют рабочим условиям интегрированного цикла и климатическим условиям конкретного региона, в котором предлагаемый цикл будет реализован.
Основной задачами первого года выполнения проекта Российской участниками проекта являлись разработка адсорбентов, специализированных для комбинированного процесса адсорбционного охлаждения ФЭ панелей и сбора атмосферной влаги и модификация установки ИК-термографии для исследования тепловых эффектов в процессе десорбции
Основные результаты выполнения проекта в 2025 году:
1. Осуществлен термодинамический анализ комбинированного цикла и сформулированы качественные критерии для отбора адсорбентов:
• ступенчатая форма характеристической кривой адсорбции воды,
• положение ступени при значении адсорбционного потенциала, соответствующего условиям стадии адсорбции рассматриваемых регионов,
• большое изменение величины сорбции вдоль ступени.
Количественные требования к адсорбентам для АОФЭП/ИВ сформулированы в виде значений адсорбционного потенциала, равного 0.83, 0.91, 1.21, 2.09, 2.64 для климатических условий Гуанчжоу, Усть-Коксы, Симферополя, Урумчи и Элисты, соответственно. Проведен анализ литературных данных по равновесию адсорбции паров воды различными металл-органическими каркасными полимерами (МОКП) и реакций образования гидратов солей. Рассмотрено равновесие с парами воды около 40 МОКП. Показано, что MIL-101(Cr), в состав которого входят простые коммерчески доступные металл и лиганд, характеризуется максимальным поглощением 1.30-1.33 г/г в условиях умеренного и влажного климата. На основе термодинамических данных (стандартные энтропия и энтальпия образования) рассчитаны константы равновесия более 100 реакций образования гидратов солей и осуществлен отбор солей LiNO3 и Na3PO4, представляющих интерес для синтеза сорбентов для предлагаемой комбинированной системы в условиях сухого и влажного климатов, соответственно.
3. Синтезированы сорбенты для рассматриваемого процесса АОФЭП/ИВА: MIL-101(Cr), который является перспективным МОКП для условий умеренного климата Симферополя, а также композитные сорбенты на основе солей Na3PO4 и LiNO3 в порах Активированных Углеродных Волокон (АУВ) с большим объемом пор. Сорбенты охарактеризованы методами низкотемпературной адсорбции азота, РФА, СЭМ, ЭДС и измерены изобары (изотермы) адсорбции паров воды на синтезированных сорбентах MIL-101(Cr), LiNO3/АУВ и Na3PO4/АУВ. Показано, что MIL-101 характеризуется изотермой адсорбции паров воды IV типа с резким ростом величины сорбции в узком интервале давления паров воды, узкой петлей гистерезиса и максимальным поглощением wmax= 1.36 г/г. При нагреве до 60оС образца, насыщенного водой в условиях умеренного климата, интегральная теплота десорбции qcool = 2.29 кДж/г_MIL. Композит LiNO3/АУВ характеризуется ступенчатой изобарой сорбции паров воды с резким поглощением в узком интервале температуры, обусловленным образованием гидрата LiNO3*3H2O. Дальнейшее снижение температуры приводит к постепенному росту сорбции вследствие образования раствора соли в порах. Изостерическая теплота сорбции DHdes составляет 45.4 кДж/моль в интервале w = 0.05-0.7 г/г. Полученные данные демонстрируют перспективность использования MIL-101(Cr) для комбинированного процесса охлаждения ФЭ панелей и сбора атмосферной влаги в условиях влажного и умеренного климата и LiNO3/АУВ в условиях сухого климата.
4. Осуществлена модификация установки ИК-термографии для исследования тепловых эффектов и изменения массы образца в процессе десорбции паров воды. Результаты тестирования модифицированной установки показывают, что установка позволяет полноценно имитировать процесс охлаждения ФЭП и исследовать тепловые эффекты в ходе этого процесса. Данные метода ИК-термографии дополняют данные, получаемые при помощи температурных датчиков (термопар), и позволяют контролировать равномерность нагрева исследуемого образца. Тепловые эффекты ад/десорбции, определенные двумя разными и независимыми друг от друга способами (по потере массы и путем интегрирования тепловых потоков) с удовлетворительной точностью совпадают. Это показывает возможность исследования динамики сорбции на слоях композитных сорбентов, нанесенных на поверхность металлической пластины, имитирующей ФЭП, запланированных на следующий год.
Таким образом, в результате выполнения проекта были разработаны новые адсорбенты для интегрированной системы адсорбционного охлаждения ФЭ панелей и сбора атмосферной влаги, свойства которых согласуются с рабочим условиям интегрированного цикла и климатическим условиям регионов, для которых предлагаемый цикл представляет наибольший интерес.