Разработка и исследование высокоэффективных экологически безопасных энергетических технологий

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 25-79-30037

НазваниеРазработка и исследование высокоэффективных экологически безопасных энергетических технологий

Руководитель Рогалев Андрей Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №107 - Конкурс 2025 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Цикл Аллама, сверхкритический диоксид углерода (S-CO2), термодинамический цикл на S-CO2, энергетическая установка, турбина, тепловая схема, энергетическая эффективность, выбросы парниковых газов, система охлаждения, теплообменник-регенератор, кислородно-топливная установка, камера сгорания

Код ГРНТИ44.31.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Конкурентоспособность и возможности развития экономики любого государства неразрывно связаны с возможностью эффективного и экологически безопасного производства энергии. Сегодня, наряду с проблемой эффективности и борьбой с выбросами вредных веществ, актуальной проблемой являются происходящие климатические изменения. С вероятностью более 95% установлено, что потепление климата практически полностью обусловлено антропогенными факторами, наиболее значимым из которых является сжигание органического топлива. Приближение концентрации диоксида углерода к 500 млн-1 не позволит сдержать повышение среднеглобальной температуры не только в рамках 1,5°С, но в пределах 2°С [Клименко В.В.]. Единственным способом сдерживания нежелательных изменений климата является создание энергетически эффективной и экономически доступной технологии производства электроэнергии, обеспечивающей улавливание и захоронение диоксида углерода и пригодной для широкомасштабного внедрения в энергетике и промышленности. Целью проекта является разработка и испытание экспериментальной установки малой мощности (порядка 100кВт), обеспечивающей подтверждение технической реализуемости низкоуглеродной технологии на базе цикла Аллама; проведение комплекса фундаментальных и поисковых расчетных и экспериментальных исследований для формирования научно-технического задела, обеспечивающего проектирование и создание на площадке группы компаний ЭН+ опытно-промышленной установки мощностью порядка 50 МВт с целью полномасштабной отработки технологии и ее последующего тиражирования. Цикл Аллама – установка с кислородным сжиганием топлива, использующая в качестве рабочего тела диоксид углерода при сверхкритических параметрах, что обеспечивает сокращение потребления энергии собственных нужд на сжатие рабочего тела и энергетически эффективный процесс сепарации и удаления диоксида углерода из цикла с возможностью его последующего захоронения. В состав установки входит четыре единицы оборудования, не имеющие прямых мировых аналогов, создание которых требует проведения комплекса расчетно-экспериментальных исследований, направленных на изучение особенностей протекающих процессов и разработку технических решений, обеспечивающих создание рассматриваемых агрегатов для экспериментального образца малой мощности, и разработки решений, обеспечивающих переход к созданию установки промышленных масштабов: - кислородно-топливная камера сгорания; - углекислотная охлаждаемая турбина; - теплообменник (регенератор); - охладитель-сепаратор. Состав работ проекта предполагает разработку и исследование технологических схем экспериментальной и промышленной энергоустановок, создание совокупности экспериментальных стендов и проведение испытаний для исследования процессов, протекающих в критических узлах энергоустановки, и разработки научно обоснованных технических решений, которые могут быть использованы при проектировании энергоустановки промышленного масштаба. С учетом полученных характеристик оборудования энергоустановки будет проведен комплекс исследований и разработаны предложения по интеграции кислородно-топливного энергокомплекса с энергоемкими производствами с целью достижения максимальной эффективности использования энергии и сокращения выбросов при производстве продукции; сформирована научно обоснованная стратегия модернизации генерирующих мощностей отдельных регионов и энергосистемы России в целом, обеспечивающая возможность адаптации экосистем, населения и отраслей экономики к климатическим изменениям за счет внедрения кислородно-топливных энергокомплексов.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет разработана экономически доступная энергетическая технология на основе использования органического топлива (природного газа или угля), обеспечивающая производство электрической энергии с высоким уровнем тепловой экономичности (КПД при работе на природном газе не менее 50%, а при работе на угольном топливе – не менее 42%) с учетом энергетических затрат на улавливание и захоронение 100% образующегося при сжигании топлива диоксида углерода. Будут получены новые знания о процессах, протекающих в новом, не имеющем мировых аналогов оборудовании, и разработаны научно обоснованные технические решения, применение которых позволит перейти к промышленному освоению новой энергетической технологии. В частности, будут получены следующие научные результаты: 1) Совокупность технологических схем, математических моделей, рекомендаций к выбору параметров и характеристик перспективных энергетических установок на сверхкритическом диоксиде углерода, производящих один (электроэнергию) или несколько (электроэнергию, пар, водород, аммиак и др.) видов энергетической продукции. 2) Количественные оценки влияния ключевых параметров и характеристик оборудования на тепловую и финансовую экономичность, а также экологическую безопасность перспективных энергетических комплексов. 3) Совокупность рекомендаций к выбору способов подготовки твердого и газообразного топлива перед сжиганием в кислородно-топливных камерах сгорания, способов утилизации углекислого газа, мест размещения перспективных энергетических комплексов. 4) Методики проведения конструкторских расчетов и обоснованные рекомендации к выбору конструктивных характеристик нового энергетического оборудования на сверхкритическом диоксиде углерода. 5) Новые знания об объемной структуре турбулентных течений диоксида углерода в сложнопрофильных каналах турбомашин, теплообменных устройств, камер сгорания и теоретические зависимости теплогидравлических характеристик элементов оборудования от режимных параметров. 6) Новые способы сокращения утечек углекислотного теплоносителя из проточных частей вращающихся механизмов, способы организации эффективного и стабильного горения кислородно-топливной смеси в среде избыточного диоксида углерода, новые схемы охлаждения и перспективные способы интенсификации теплообмена для деталей горячего тракта углекислотной турбины и жаровой трубы камеры сгорания, а также научно обоснованные рекомендации к выбору конструктивных характеристик экспериментальной кислородно-топливной энергоустановки малой мощности. 7) Экспериментальные стенды и образцы критических узлов нового энергетического оборудования на сверхкритическом диоксиде углерода. 8) Экспериментально установленные оптимальные соотношения окислителя, горючего и балластирующего газов, а также способы эффективной организации газодинамики зоны горения и смешения, обеспечивающие высокую степень выгорания топлива и равномерное поле температур на выходе из камеры сгорания. 9) Экспериментально установленные корреляционные зависимости теплогидравлических характеристик для каналов теплообменных устройств (охладителя-сепаратора и пластинчатого теплообменника микроканального типа) и охлаждаемых каналов, работающих на сверхкритическом диоксиде углерода, применимые для широкого диапазона изменения температуры, давления и расхода теплоносителя. 10) Научно обоснованные рекомендации к конструированию оборудования кислородно-топливных энергоустановок. Полученные при выполнении проекта результаты станут основой реализации комплекса опытно-конструкторских работ с участием ведущих производителей энергетического оборудования (в том числе АО "Силовые машины"), направленного на разработку и создание на площадке МКООО "ЭН+ ХОЛДИНГ" опытно-промышленной установки, а после ее отработки – на дальнейшее тиражирование технологии путем внедрения промышленных энергоблоков на генерирующих мощностях ЭН+ общей мощностью порядка 2,5 ГВт до 2040 г., а также тиражирование технологии в других компаниях топливно-энергетического комплекса России, в том числе: ПАО "Русгидро", ПАО "ИнтерРАО", ПАО "Татнефть", ООО "ГазпромЭнергохолдинг". Разработка и освоение производства энергоустановки рассматриваемого типа обеспечит России мировое технологическое лидерство в области низкоуглеродных технологий производства электрической энергии и создаст возможности для развития экологически безопасной энергетики на базе ископаемых топлив.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Постоянно возрастающая потребность человечества в энергии, основным источником которой как в настоящее время, так и обозримом будущем, являются и будут оставаться ископаемые углеводородные топлива, приводит к серьезному загрязнению окружающей среды и оказывает глобальное влияние на изменение климата. Значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносят объекты генерации электрической и тепловой энергии, использующие в качестве основного топлива уголь, природный газ, горючие сланцы. Решением проблемы удовлетворения потребностей человечества в тепловой и электрической энергии при одновременном снижении вредного воздействия на окружающую среду является переход к энергоустановкам повышенной эффективности с нулевыми выбросами загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу. Наряду с энергетическими и экологическими показателями важнейшую роль играют стоимостные характеристики оборудования, определяющие в совокупности с первыми стоимость отпускаемой электрической энергии, которая должна находиться на социально допустимом уровне, что позволит установкам нового типа быть конкурентоспособными по сравнению с уже существующими и получить дальнейшее активное развитие. В последнее время большое внимание ученых и отраслевых специалистов в сфере энергетики и энергомашиностроения направлено на использование в энергетических установках углекислотного рабочего тела, в том числе при сверхкритических параметрах. Переход к энергоустановкам с углекислотным теплоносителем на тепловых и атомных электростанциях позволяет достигнуть углеродной нейтральности выработки электрический энергии при сопоставимом уровне эффективности с традиционными энергетическими установками, а также уменьшить массогабаритные характеристики оборудования, что приведет к уменьшению стоимости установленной мощности энергетических установок и, как следствие, к снижению стоимости электроэнергии. Целью проекта является формирование научно-технического задела, обеспечивающего дальнейшую разработку и создание высокоэффективных энергоблоков с нулевыми выбросами диоксида углерода и формирование стратегии масштабирования технологии на территории Российской Федерации посредством размещения генерирующих объектов в составе единой энергосистемы и энергоемких промышленных предприятий. Первый этап проекта направлен на проведение термодинамических исследований тепловых схем промышленных энергетических установок на углекислотном рабочем теле – кислородно-топливные энергетические комплексы (КТЭК), атомные станции малой мощности (АСММ) с углекислотным рабочим телом, анализ способов утилизации избыточного углекислотного рабочего, образующегося в процессе работы кислородно-топливных энергетических комплексов, проведение предварительного технико-экономического обоснования их строительства, а также на разработку экспериментальных стендов для исследования критических узлов нового энергетического оборудования на углекислотном рабочем теле. Для обеспечения проведения термодинамических исследований энергоустановок на углекислотном рабочем теле были разработаны технологические схемы и математические модели следующих энергоустановок: КТЭК на базе цикла Аллама, КТЭК на базе цикла SCOC-CC, АСММ с реакторами «Шельф-М» и «HTR-10», экспериментального КТЭК. Для КТЭК на базе цикла Аллама установлено, что увеличение мощности с 50 до 100 МВт приводит к увеличению КПД нетто на 1,32%, дальнейшее увеличение мощности до 800 МВт приводит к увеличению КПД нетто на 1,97%. Разработана технологическая схема КТЭК на базе цикла Аллама с интегрированной установкой газификации угля, в которой избыточная теплота генераторного газа используется в многопоточном рекуператоре для подогрева углекислого газа, кислорода и метана. По результатам термодинамического исследования тепловой схемы КТЭК на базе цикла Аллама установлено, что использование смеси углекислого газа и кислорода в качестве дутьевого агента для газификации угольного топлива приводит к увеличению КПД КТЭК на 0,45% по сравнению с использованием для газификации чистого кислорода. Для КТЭК на базе цикла SCOC-CC разработаны: 1) тепловая схема КТЭК с утилизацией теплоты от воздухоразделительной установки для подогрева питательной воды и основного конденсата в паротурбинной установке, позволяющая увеличить КПД нетто на 1,32%; 2) тепловая схема КТЭК для комбинированного производства электрической и тепловой энергии. В результате термодинамических расчетов установлено, что с повышением отпускаемой мощности теплофикационной КТЭК на основе цикла SCOC-CC с 50 до 100 МВт максимальная тепловая нагрузка возрастает с 39,07 до 78,14 Гкал/ч. КИТТ при 100% теплофикационной нагрузки составит 64,4%; 3) тепловая схема КТЭК, обеспечивающая совместную выработку электроэнергии и водорода за счет установки паровой конверсии метана с кислородно-топливным сжиганием и улавливанием СО2, а также выработку аммиака. По результатам термодинамических исследований установлено, что при увеличении мощности энергоблока в конденсационном режиме с 50 до 100 МВт максимальная выработка водорода возрастает с 1,6 до 3,2 кг/с, а аммиака – с 5,33 до 10,67 кг/с. Для АСММ с реактором «Шельф-М», а также реактором «HTR-10» определена структура и оптимальные термодинамические параметры тепловой схемы на базе замкнутого цикла Брайтона со сверхкритическим диоксидом углерода, обеспечивающие ее внутренний абсолютный КПД, равным 27,7 и 50,6% соответственно. В рамках термодинамических исследований экспериментального КТЭК мощностью 100 кВт определены оптимальные термодинамические параметры, обеспечивающие КПД брутто 33,48 и 34,91% при начальном давлении 6 и 11 МПа и давлении выхлопа 2,74 и 4,39 МПа. На основе исследования влияния ключевых факторов, влияющих на выбор места расположения перспективных энергетических установок на сверхкритическом диоксиде углерода, установлено, что наиболее перспективными городами для размещения первого промышленного КТЭК являются Альметьевск, Ижевск, Оренбург, Сорочинск, Стерлитамак, Ачинск. По результатам финансово-экономического моделирования проектов строительства КТЭК мощностью 50 МВт на базе цикла Аллама и цикла SCOC-CC сделаны выводы об экономической целесообразности применения установок на базе цикла Аллама при производстве электрической энергии, а также цикла SCOC-CC в режиме генерации нескольких видов продукции, в частности в режиме комбинированной выработки, что характерно для условий эксплуатации энергоустановок в России. Разработаны экспериментальные стенды для исследования критических узлов нового энергетического оборудования на сверхкритическом диоксиде углерода: стенд для исследования горелочного устройства кислородно-топливной камеры сгорания, стенд для исследования охлаждаемых лопаток газовой турбины, стенд для исследования секции теплообменного оборудования, стенд для исследования охладителя сепаратора.

Публикации

1. Рогалев А.Н., Лапин И.О., Злывко О.В., Маленков А.С., Жихарева В.Р. Multi-objective optimization of power generation systems in developing advanced natural gas-fired power plants Sustainability, 17(23), 10795 (год публикации - 2025)
10.3390/su172310795

2. Киндра В.О., Паторкин Д.В., Вегера А.Н., Писарев Д.С., Маленков А.С. Design of heat exchangers with low-boiling working fluids: algorithm development and parameter optimization Energies, 18(22), 5987 (год публикации - 2025)
10.3390/en18225987

3. Киндра В.О., Лапин И.О., Лымарев Д.А., Злывко О.В., Комаров И.И. Анализ потребности энергоемких отечественных производств в низкоуглеродной генерации энергетической продукции Известия Российской академии наук. Энергетика, 1 (год публикации - 2026)

4. Рогалев А.Н., Лапин И.О., Максимов И.А., Злывко О.В., Маленков А.С. Многокритериальная оптимизация структуры производства электрической энергии в контексте развития перспективных энергетических комплексов, работающих на природном газе Вестник Московского энергетического института, 1 (год публикации - 2026)

5. Рогалев А.Н., Осипов С.К., Яковлев В.С., Кожемякин М.С., Писарев Д.С. Comparison of oxy-fuel combustion kinetic mechanisms of methane by laminar burning velocity under normal conditions Clean Energy Science and Technology (год публикации - 2025)

6. Рогалев А.Н., Осипов С.К., Яковлев В.С., Шейх М.М., Вегера А.Н. Comparative analysis of blowing agents for coal gasification in oxy-fuel energy complexes Applied Chemical Engineering, 8(4), 5828 (год публикации - 2025)
10.59429/ace.v8i4.5828