Каталитический риформинг углеводородного сырья для получения водорода (H2): теплофизическая оптимизация с использованием н-гептана в качестве модельного соединения. Глобальный переход к устойчивым энергетическим системам выводит водород (h2) на передний план научных и технологических инноваций. Являясь экологически чистым топливом с высокой плотностью энергии и нулевым уровнем выбросов углекислого газа в месте использования, водород (H2) является ключевым фактором в обезуглероживании процессов производства электроэнергии, транспорта и промышленности. Однако для реализации экономики, основанной на водороде (H2), требуются масштабируемые, эффективные и адаптируемые к региону методы производства, которые сводят к минимуму воздействие на окружающую среду и легко интегрируются в существующую инфраструктуру. В этом исследовании представлен всесторонний теоретический и экспериментальный анализ получения водорода (h2) путем каталитического риформинга углеводородного сырья с акцентом на н-гептан в качестве модельного соединения. Исследование направлено на решение важнейших задач, связанных с получением водорода, включая кинетику реакции, тепло- и массообмен, стабильность катализатора и точность измерений в высокотемпературных и сверхкритических условиях, которые способствуют эффективному выделению водорода. Выбор н-гептана основан на его хорошо изученных теплофизических свойствах и репрезентативности среди более тяжелых нефтяных фракций, что обеспечивает экспериментальную воспроизводимость и применимость к реальному сырью для производства H2. Каталитический риформинг н-гептана инициирует реакции дегидрирования, приводящие к выделению водорода (H2) в соответствии со схемой: C₇H₁₆ ^ C₇H₁₄ + H2

Целью данного исследования является подтверждение возможности получения водорода (Н2) путем термокаталитического риформинга н-гептана с использованием специально разработанной экспериментальной установки, имитирующей промышленные условия. Система обеспечивает точный контроль температуры давления, расхода и состава катализатора, что позволяет систематически изучать режимы реакции и их влияние на выход Н₂ и селективность. Особое внимание уделено сверхкритических условиях, которые увеличивают конвективный теплообмен, ускоряют реакции Кинетика и повышению энергетической эффективности, позиционирование каталитического риформинга в качестве перспективной альтернативой обычного водорода (H2) методы производства, такие как паровая конверсия метана (CH₄ + H2O ^ СО + ЗН2), электролиз воды (2H2O ^ 2H2 + комплексе O2), и газификации биомассы. Эксперименты проводились в вертикальных, горизонтальных и наклонных конфигурациях труб для изучения влияния геометрии на температурные градиенты, гидродинамику и характеристики катализатора при выделении H2. Интеграция высокоточных термопар, датчиков давления, расходомеров и электронных потенциометров позволила получать данные в режиме реального времени и проводить тщательный анализ ошибок, включая отклонения в температуре, давлении и расходе, которые влияют на точность расчетов выхода H2. Каталитический риформинг включает в себя сложные реакции - дегидрирование, крекинг, изомеризацию и ароматизацию, - все они способствуют выделению водорода (H2). Например: C7H16 + Heat + Catalyst ^ C₆H₆ + CH4 + H2 

Анализируя поведение н-гептана при контролируемых температурных режимах, авторы исследования определили оптимальные параметры, которые максимизируют выход H2 при минимизации побочных ,0, продуктов, таких как CO, CH4 и кокс. Использование термостабильных и активных катализаторов обеспечивает                                             ,_у,

ё ' стабильную работу в течение длительных рабочих циклов, что важно для промышленного производства - ё ' ''in'' H2. Адаптивность н-гептана в качестве исходного сырья особенно актуальна для регионов с ограниченным чл'' доступом к природному газу или возобновляемой электроэнергии, предлагая переходное решение, которое использует существующие нефтехимические ресурсы для производства H2. Экспериментальная установка и методология разработаны с учетом масштабируемости, что позволяет интегрировать их в мобильные водородные генераторы, децентрализованные энергетические системы и модернизированные установки нефтепереработки. По сравнению с паровым риформингом метана, при котором выделяется значительное количество CO2, каталитический риформинг в оптимизированных условиях может снизить выбросы парниковых газов и повысить энергоэффективность. В ходе исследования были определены плотность теплового потока, тепловые потери и эффективность преобразования для оценки воздействия процесса производства H2 на окружающую среду. Подробный анализ коэффициентов теплопередачи, температурных переходов и динамики потока дает практические рекомендации по проектированию реактора и оптимизации процесса, направленные на эффективное выделение водорода. Использование сверхкритических жидкостей в качестве охлаждающих жидкостей и реакционных сред повышает эффективность теплопередачи и позволяет создавать компактные реакторные системы с высокой производительностью для получения водорода. Для обеспечения достоверности выводов в исследовании используется строгая система анализа ошибок. Это включает отклонения в показаниях температуры, колебания давления, изменчивость расхода и помехи в системах сбора данных - все это влияет на точность оценки выхода H2. Результаты анализа позволяют получить рекомендации по повышению точности измерений и достоверности оценок производства водорода. Таким образом, данная работа укрепляет научные и инженерные основы производства водорода (H2) путем каталитического риформинга углеводородов. Результаты могут быть полезны академическим исследователям, заинтересованным сторонам в отрасли, политикам и специалистам по энергетическим стратегиям, которые ищут практические решения для перехода на водород. В конце статьи дается перспективный обзор роли каталитического риформинга в формирующейся водородной экономике. Представленная методология может быть адаптирована к различным источникам углеводородов, конструкциям реакторов и условиям эксплуатации, что делает ее универсальным инструментом в глобальных усилиях по декарбонизации энергетических систем и масштабированию производства водорода. Демонстрируя потенциал каталитического риформинга в высокотемпературных и сверхкритических условиях, это исследование вносит свой вклад в стратегическое развитие водородных технологий. Оно подчеркивает важность междисциплинарных исследований, сочетающих химическую инженерию, термодинамику, материаловедение и экологический анализ. Полученные результаты открывают путь для будущих инноваций в конструкции реакторов, разработке катализаторов и интеграции технологических процессов, что в конечном итоге способствует реализации устойчивого будущего, основанного на водороде (H2).

В настоящей работе представлено нейтронографическое исследование изотопного эффекта и механизмов структурообразования в твердом растворе внедрения TiN0,26H0,075D0,075. Цель исследования – экспериментально определить кристаллическую структуру и последовательность упорядочивания в комбинированном изотопном составе, сопоставить её с аналогичными составами, содержащими только водород или только дейтерий, и выяснить вклад деформационного взаимодействия и нулевых колебаний атомов в формирование упорядоченных фаз. Экспериментальная программа включала синтез образцов методом Сивертса, гомогенизирующий отжиг при 1475 K с последующей закалкой, рентгенографическую проверку однофазности и детальную регистрацию нейтронных дифракционных паттернов на приборе DN‑500 при длине волны λ = 1,085 Å. Профильный Rietveld-анализ выполнен в программе FullProf с целью уточнения параметров решётки, координат атомов, заполненностей междоузлий и тепловых факторов. Результаты показывают, что образец TiN0,26H0,075D0,075 при закалке от 1375 K демонстрирует упорядоченную слоистую структуру, описываемую пространственной группой P3m1, причём оптимальная температура порядка-беспорядок для этого состава составляет ≈ 1375 K. Сравнение с ранее изученными составами TiN0,26H0,15 (Tc ≈ 1135 K) и TiN0,26D0,15 (Tc ≈ 1275 K) демонстрирует устойчивую тенденцию повышения температуры упорядочения при замене H на D и при формировании комбинированного H/D-состава: в ряду H0,15 → D0,15 → H0,075D0,075 наблюдается последовательное увеличение Tc (≈ 1135 K → ≈ 1275 K → ≈ 1375 K). Параметры решётки также возрастают по тому же ряду: a и c демонстрируют небольшое, но статистически значимое расширение при увеличении доли дейтерия и при вводе комбинированного изотопного состава, что указывает на изменение локальных деформаций кристаллической решётки при различной массе и амплитуде тепловых колебаний легких элементов. Полный профильный анализ показывает, что при описании упорядоченной фазы TiN0,26H0,075D0,075 оптимальная модель предполагает полное упорядочение атомов азота по октаэдрическим позициям 1a и распределение атомов водорода и дейтерия преимущественно между двумя типами тетраэдрических позиций 2d с различными координатами z, при этом небольшая доля дейтерия (≈ 0,061) локализуется в октаэдрических позициях 1b, не занятых азотом. Для H и D получены уточнённые координаты и заполненности: H преимущественно занимает 2d с z ≈ 0,732, D – 2d с z ≈ 0,605 и частично 1b, что даёт наилучшее согласие экспериментальных и расчётных интенсивностей. Попытки альтернативного распределения изотопов приводят к существенному росту фактора несогласия подгонки. Это подчёркивает чувствительность нейтронного метода к различию когерентных сечений H и D и высокую надёжность выбранной структурной модели. Интерпретация наблюдений опирается на два ключевых фактора. Во-первых, преобладание деформационного взаимодействия над электронным взаимодействием объясняет направленное изменение Tc и параметров решётки при замене H на D и при комбинировании изотопов: изотопы при равных зарядах по-разному нагружают подрешётки неметаллов из-за различий в массе и амплитуде нулевых колебаний, что усиливает локальные деформации и повышает стабильность упорядоченной фазы. Во-вторых, разница в нулевых колебаниях и среднеквадратичных смещениях объясняет селективность заполняемости междоузлий: более тяжёлый дейтерий имеет меньшую амплитуду нулевых флуктуаций, что делает для него энергетически выгодными несколько иные потенциальные ямы и, как следствие, иные позиции в структуре по сравнению с водородом. Эти два фактора совместно обеспечивают наблюдаемое изотопное упорядочение и рост температуры порядка-беспорядок. Работа предоставляет детализированные значения параметров решётки, координат атомов, заполненностей, тепловых факторов и статистик качества подгонки (Rp, Rwp, Rexp, RBragg, χ²), что делает результаты воспроизводимыми при наличии исходных нейтронограмм и параметров подгонки. Обсуждаются возможные ограничения исследования: необходимость оценки вклада микроструктурных напряжений и размеров кристаллитов в ширину пиков, влияние микронеоднородности состава и кинетики упорядочения при фиксированных температурных режимах отжига. Рекомендуется для последующих работ провести температурные серии in situ, оценку size/strain компонентов профилей и современные расчёты потенциальных ям для H и D (например, методом DFT), чтобы количественно разделить вклады деформационного и электронного взаимодействий. Подводя итог, исследование демонстрирует новый экспериментальный пример изотопного упорядочения в системе Ti–N–H/D, уточняет распределение H и D в упорядоченной фазе TiN0,26H0,075D0,075 и аргументированно связывает рост температуры упорядочения с деформационными эффектами и различиями нулевых колебаний изотопов. Результаты имеют значение для понимания механизмов упорядочения в сплавах внедрения и для проектирования материалов с контролируемыми свойствами через изотопное и химическое регулирование.

Рост доли возобновляемых и атомных источников энергии в структуре генерации обостряет проблему по­крытия неравномерного суточного электропотребления, что оказывает существенное влияние на цену на оп­товых рынках электроэнергии. С возрастающей долей возобновляемых источников электроэнергии, цены на оптовом рынке становятся все более чувствительными к метеорологическим условиям, что требует совершен­ствования режимов работы остальных электростанций в структуре генерирующих мощностей. Данные тенден­ции требуют учета эффекта от ввода новых генерирующих источников в контексте современных системных и рыночных условий. В рамках настоящего исследования выполнен сравнительный анализ загрузки генериру­ющих мощностей и динамики цен на оптовых рынках электроэнергии в ряде развитых стран, характеризую­щихся различной энергетической стратегией и ценовой политикой. В качестве объектов исследования выбраны Великобритания, США, Франция и Российская Федерация - страны, демонстрирующие различные подходы к развитию энергетического сектора и интеграции возобновляемых источников энергии. Выполнен сравнитель­ный анализ эффективности введения дополнительной маневренной ГТУ, ПГУ и интеграции экономайзерного подогревателя в состав АЭС с целью увеличения мощности и расширения регулировочного диапазона энерго­блока. Полученные результаты свидетельствуют о том, что повышение маневренных характеристик атомных станций более целесообразно, чем введение новых генерирующих мощностей на органическом топливе.

Современный энергетический уклад нацелен на применение безуглеродных источников энергии во всех направлениях - промышленность, транспорт, авиация, бытовая сфера. Многолетняя практика развития безугле­родных генерирующих решений в направлении гидроэнергетики, ветроэнергетики, солнечной световой и сол­нечной тепловой энергетики, высокотемпературной геотермальной энергетики показывает жизнеспособность безуглеродного технологического уклада, выявляет недостатки и в то же время создает однозначное понимание правильности безуглеродного технологического уклада в развитии чистой энергетики планеты.

Крайне актуальной научной и технической задачей во все времена развития человечества является задача извлечения энергии во всех её видах и применения энергии всеми возможными способами как для развития человечества, чем занимается разумная его часть, так и для его уничтожения, что является уделом безумной ча­сти человечества. Научная мысль человечества всегда работала и работает в направлении понимания сущности энергии. Тенденция развития современного мира медленно, но неуклонно ориентируется в сторону безотход­ных, безуглеродных возобновляемых источников энергии, таких как солнечное излучение, грунтовые, воздуш­ные и водные тепловые энергетические ресурсы.

Физическая основа низкотемпературной электрогенерации: 

1. Главным возобновляемыми безуглеродным источником энергии на планете Земля является солнце. Второй намного менее значимый тепловой источник - это энергия ядра нашей планеты.

Удельная солнечная мощность, поступающая на общую поверхность Земли, составляет 1367 Вт/м².

2. Тепловая модель Земли предполагает, что мощность ядра составляет около 16 ТВт, а удельная мощ­ность, поступаемая на поверхность Земли - 0,03-0,05 Вт/м². По сравнению с энергией, поступающей от Солнца, количество энергии, поступающей от внутреннего расплавленного ядра Земли существенно мало.

3. Другие возобновляемые источники энергии - ветряные и гидравлические, а также невозобновляемые, накопленные за миллионы лет (уголь, торф, нефть, газ), являются производными от трансформации и накопле­ния термоядерной солнечной энергии.

Актуальные данные о мировом применении видов энергии представлены на диаграмме (Рис. 1), из которой следует, что уголь и углеводороды составляют 86,7% а безуглеродные виды энергии, включая атомную - 13,3%.

Перспективный технологический уклад, а именно безуглеродная генерация электрической энергии из низ­котемпературных источников (солнечное излучение, воздух, грунт, вода, избыточное тепло АЭС и промышлен­ных комплексов) позволяет обеспечить большую часть мировой потребности в электрической энергии.

Далее предлагается рассмотреть теорию энергии в аспекте движения корпускул материи (молекул, ато­мов, элементарных частиц), проанализировать сущность принципа «Демон Максвелла», рассмотреть примеры технической реализации принципа, обосновать и предложить актуальную формулировку второго закона термо­динамики. Предложить экспериментально подтвержденную технологию и техническое решение высокоэффек­тивной генерации электрической энергии из низкотемпературных источников окружающей среды - воздуха, грунта, воды, постоянно возобновляемых энергией 

Учитывая сокращение сырьевых источников ископаемого топлива, а также невозобновляемость и нестабильность этих топливных ресурсов, изучение альтернативных источников энергии в настоящее время является одной из глобальных проблем мира. В то же время изучение возобновляемой энергетики имеет большое значение с точки зрения снижения выбросов парниковых газов и загрязнения воздуха. Среди различных возобновляемых источников энергии биомасса (растения и их остатки, отходы) привлекла внимание благодаря своему потенциалу снижения вредного воздействия ископаемого топлива на окружающую среду. Среди различных видов топлива, получаемых из биомассы, биодизель имеет большой потенциал в качестве технологической альтернативы дизельному топливу на основе нефти в качестве зеленой энергии. Биодизель является возобновляемым, устойчивым, биоразлагаемым, нетоксичным и чистым источником энергии. Биодизель представляет собой дизельное топливо на основе длинноцепочечных алкиловых эфиров растительных или животных масел и образуется в результате химической реакции липидов со спиртом, в результате которой образуются эфиры жирных кислот. В научно-исследовательской работе проведена трансэтерификация масел, полученных из семян граната, являющихся отходами производства ООО «AZGRANATA», действующего в Азербайджане, в биодизельное топливо с участием бентонита Даш Салахлы, добытого на территории Газахского района Азербайджана и активированного в качестве гетерогенного катализатора. Выход биодизеля, полученного  в результате реакции трансэтерификации, проводимой в течение 2 часов при температуре 220 °C с мольным соотношением масла к метанолу 1:10 в присутствии модифицированного катализатора 5% CaO/бентонит, составил 93,5%. Определены различные физико-химические показатели масла семян граната, используемого при производстве биодизеля и полученного методом холодного отжима. Физико-химические показатели биодизеля из семян граната были проанализированы с использованием различных физико-химических методов и проведено сравнительное исследование его соответствия международным стандартам ASTM D 6751 (American Society for Testing and Materials - Американское общество по испытаниям и материалам) и EN 14214 (European standard - Европейский стандарт). Определены его физико-химические свойства: плотность 880 кг/м³, кинематическая вязкость 4,5 мм²/с, цетановое число 55 и теплота сгорания 40,6 МДж/кг.

В работе представлен анализ Сахалинского водородного полигона - первой в России интегрированной платформы для валидации и демонстрации водородных технологий. Полигон охватывает весь цикл, включая производство, хранение, транспортировку и конечное использование водорода, что обеспечивает переход от лабораторных исследований (УГТ 1-4) к промышленному внедрению (УГТ 7-9). На базовой площадке установлена солнечная электростанция мощностью 297 кВт, обеспечивающая энергией электролизер производительностью 30 Нм³/ч. Водород хранится в композитных баллонах с давлением до 70 МПа и подается на испытательные стенды для топливных элементов и демонстрационных установок. Экспериментальный заправочный комплекс обеспечивает заправку 200 л (~7,5 кг водорода) за <25 минут при производительности компрессора >30 м³/ч, соответствуя стандарту SAE J2601. На удалённых площадках полигона реализовано резервное питание с использованием топливного элемента мощностью 5 кВт. Система обеспечивает до 72 ч автономной работы при отключении сети. Гибридная ветро-водородная микросеть, включающая ветроустановку мощностью 250 кВт, электролизер производительностью 20 Нм³/ч, топливный элемент на 30 кВт и ванадиевый аккумулятор 50 кВт^ч. Система обеспечивает покрытие до 85% годовой нагрузки потребителей мощностью ~150 кВт при стоимости генерации ниже дизельной на >60%. Мобильные водородные системы для спасательных работ, включающие топливный элемент мощностью 10 кВт, литий-ионный аккумулятор 20 кВт^ч, модульную солнечную станцию на 15 кВт и систему хранения водорода в композитных баллонах под давлением 70 МПа, обеспечивают автономное питание полевого лагеря на срок до 10 суток. Полигон формирует интегрированную тестовую и образовательную инфраструктуру, поддерживает стандартизацию, валидацию технологий в экстремальных условиях и подготовку специалистов, ускоряя промышленное внедрение водородных решений в энергоизолированных регионах.

Исследование посвящено переводу тепловых электростанций с когенерационного на комбинированное производство теплоты, электричества и водорода методом паровой конверсии метана.

Актуальность работы обусловлена необходимостью корректного распределения затрат топлива между принципиально разнородными продуктами в мультигенерационных энергетических системах с целью оптими­зации и определения режимов загрузки оборудования.

К методам исследования относятся анализ и синтез знаний о существующей методике расчёта удельных расходов условного топлива и материально-энергетических балансах тепловых электростанций и установок па­ровой конверсии метана (УПКМ), а также имитационное моделирование тепловой схемы паросиловой электро­станции в программе «United Cycle».

Доработана существующая методика расчёта удельных расходов условного топлива для оценки технико­экономических показателей при комбинированном производстве трех продуктов. Методика была апробирована  на примере Северной ТЭЦ-21 (г. Санкт-Петербург) с использованием цифрового двойника.

Результаты показывают повышение энергетической эффективности при комбинированном производстве: рост коэффициента использования теплоты топлива на 0,10-0,43% и снижение суммарного расхода топлива при сохранении объемов продукции. Интеграция УПКМ позволяет снизить тепловую мощность её печи на 28% и уменьшить потери в конденсаторах турбин. Эффективность интеграции зависит от сезонного режима работы станции и масштаба производства водорода. Предложенная методика и инструменты цифрового моделирования позволяют проводить технико-экономический анализ и оптимизацию режимов работы энерготехнологических комплексов, обеспечивая научно обоснованный выбор параметров интеграции для конкретных условий эксплу­атации.

Перевод теплоэлектростанций (ТЭС) на альтернативные виды топлива, в том числе водород, является общепризнанным направлением декарбонизации электроэнергетического комплекса. Препятствием для этого является соотношение цен водорода и ископаемого топлива. Оптимизация технологий и инфраструктуры цикла «производство-хранение-транспортировка-потребление» водорода позволит в перспективе минимизировать эту разницу. Большим потенциалом обладает производство водорода методом газификации твердых коммунальных отходов (ТКО) на ТЭС. Использование методов имитационного моделирования позволяет качественно оценить влияние, оказываемое установкой ТКО-водород на режимы работы и технико-экономические показатели (ТЭП) ТЭС. Цель исследования - оценить потенциал утилизации ТКО с производством водорода на ТЭС с парогазовой установкой (ПГУ) для условий Московской области (МО). Были определены потенциальные объемы утилизации ТКО, производства водорода и потребляемых ресурсов. Разработана имитационная модель типового энергоблока ПГУ-450 и проанализировано влияние, оказываемое установкой ТКО-водород на технико-экономические показатели и маржинальную прибыль ТЭС. Был предложен и рассчитан показатель, позволяющий оценить влияние на цену водорода режимного фактора. Исследования показали, что ежегодно в Московской области 4 млн тонн ТКО может быть переработано в 0,09-0,24 млн тонн водорода. Для этого потребуется 0,53-0,63 млн тонн пара и от 0,27 до 33,40 млн тонн охлаждающей воды. Для ПГУ-450 отбор пара на установку ТКО-водород приведет к снижению коэффициента использования теплоты топлива (КИТТ) на 1-2% и снижению маржинальной прибыли от 6,0 тыс. руб./ч до 25,6 тыс. руб./ч. Для компенсации снижения маржинальной прибыли, возникающего из-за режимного фактора, цена водорода должна быть увеличена на _у 463-4847 руб./т.

Разработана экспериментальная конструкция автономной ионообменной установки ИОУ-4Ф с полной ин­теграцией всех технологических стадий - фильтрации, взрыхления ионитов, регенерации и промывки в едином компактном модуле из коррозионностойких полимеров. Установка предназначена для селективной и комплекс­ной очистки промышленных сточных вод от ионов тяжёлых металлов и солей с использованием возобновляе­мых источников энергии. Питание от фотоэлектрической панели обеспечивает энергетическую автономность до 98,5% при среднегодовой инсоляции 5,0 кВт • ч/м²^в сутки, характерной для Центральной Азии, и значитель­ное снижение эксплуатационных затрат и углеродного следа. Экспериментальные исследования подтверди­ли эффективность удаления загрязнителей на уровне 99%. Разработка способствует созданию отечественного энергоэффективного оборудования, соответствующего глобальным целям устойчивого развития в области аль­тернативной энергетики, водоочистки и промышленной экологии.

Построены модели выбора и распределения ресурсов информационной системы энергосберегающего управления. Проведено системное моделирование задач выбора и распределения ресурсов, осуществлён синтез метамодели системы выбора и распределения ресурсов в условиях замещения и конфликта. Построено распре­деление ресурсов, обеспечивающее жизненный цикл информационной системы энергосберегающего управле­ния.