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.