На нашей планете несмотря на то, что 70 % поверхности Земли покрыто водой, пресная вода составляет 2,5 % от всего объема воды, а 97,5 % – это минерализованная морская вода. Непосредственное использование морской воды в качестве питьевой, а также для сельскохозяйственных и промышленных нужд невозможно, однако существует множество стран, полагающихся на морскую воду после процесса опреснения, как на источник питьевой воды. Среднесуточное производство питьевой воды в ходе традиционного процесса опреснения во всем мире составляет 23 · 10⁶ м³. Этот процесс требует большого количества ископаемого топлива. По оценкам, для производства 1 миллиона кубометров питьевой воды в сутки необходимо ежегодно сжигать около 10 миллионов тонн нефти, что приводит к дополнительной «карбонизации» атмосферы и способствуют развитию парникового эффекта и последующему изменению климата планеты.

Энергетические и опреснительные системы будущего должны быть экономичными, надежными и безопасными, обеспечивать максимальную непрерывность энергоснабжения потребителей во всех регионах, особенно в отдаленных и сельских районах. Это может быть достигнуто путем развития энергетических систем на основе возобновляемых, в первую очередь, солнечных источников энергии.

В настоящее время наиболее распространенным, массовым типом солнечных опреснительных установок в развивающихся странах остаются односкатные солнечные опреснители с прямым нагревом воды солнечным светом, имеющие наибольшую доступность вследствие минимальной стоимости конструкции.

Однако производительность пресной воды традиционных систем испарительного солнечного опреснения невелика и не превышает даже в странах с высоким уровнем солнечной инсоляции 2-3 литров с одного квадратного метра в сутки, что во многом определяется высокой прозрачностью воды (низким коэффициентом черноты) для фотонов солнечного спектра.

В связи с желанием повысить эффективность систем солнечного опреснения в мире ведутся научные исследования и выполняются инженерные разработки новых принципов и конструкций солнечных опреснителей, основанных на использовании теплоносителей с добавками наночастиц, использовании систем обратного осмоса, систем ориентации на солнце, ротационных и пленочных методов интенсификации испарения, применением гибридных схем, в частности, с использованием тепла, вырабатываемого ядерными реакторами. Очевидно, что такие пути совершенствования и повышения производительности солнечных опреснителей приводят к значительному повышению их стоимости и снижают доступность к опресненной воде многих миллионов жителей стран Африки и Среднего Востока.

В данном исследовании предлагается метод повышения продуктивности солнечного дистиллятора для получения пресной воды путем преобразования оптического взаимодействия фотонов солнечного света с испаряемой водой увеличением ассимиляции энергии фотонов повышением «эффективной степени черноты» испарительного бассейна путем помещения в него уральских камней черного цвета (дунит) в качестве поглотителей и аккумуляторов энергии фотонов, что позволяет радикально повысить температуру и скорость испарения воды без значительного повышения стоимости установки.

В одинаковых климатических условиях исследованы три системы солнечного опреснения: традиционный односкатный солнечный дистиллятор (ТСД), дистиллятор с добавкой 10 кг камней (ТСДК-10) и дистиллятор с добавкой 20 кг камней (ТСДК-20). При постоянном уровне воды добавление камней уменьшило её массу в бассейне и повысило «эффективную степень черноты» испарительного бассейна, что значительно увеличило опреснительную производительность. Суммарный суточный объем опресненной воды составил для традиционного односкатного солнечного дистиллятора (ТСД) – 3 л/м², дистиллятора с добавкой 10 кг камней (ТСДК-10) – 6 л/м², и дистиллятора с добавкой 20 кг камней (ТСДК-20) – 12 л/м².

Уменьшение объема воды и увеличение «эффективной степени черноты» испарительного бассейна существенно повышает эффективность солнечного дистиллятора при минимальном изменении конструкции и повышении стоимости установки.

Современные системные и рыночные условия диктуют требование принудительной разгрузки атомных станций в часы снижения энергопотребления. Технологически АЭС способны планово следовать графику нагрузки в определенные периоды топливного цикла с разгрузкой в часы снижения спроса на электроэнергию, однако это может снизить их экономическую эффективность и конкурентоспособность. Одним из путей сохранения показателей экономической эффективности АЭС может стать производство товарного водорода за счет невостребованной электроэнергии энергоблока станции. Значительную долю в себестоимости производства водорода занимают издержки, связанные с доставкой водорода до конечного потребителя. В настоящей статье выполнен анализ влияния способов транспортировки водорода на его себестоимость. Установлено, что наиболее целесообразным методом при больших суточных расходах водорода является использование перепрофилированного трубопровода, средняя себестоимость в таком случае составляет порядка 2,029 $/кг при дальности 100-400 км. При относительно небольшом расходе водорода (до 61,6 тонн/сутки) целесообразно осуществлять его доставку при помощи автотранспорта с грузоподъемностью 700 кг, такому методу соответствует средняя себестоимость около 2,24 $/кг. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности реализации комплекса по производству товарного водорода на АЭС. За счет централизованного производства водорода на атомной станции достигается ряд положительных эффектов как для самой АЭС, так и для потребителя водорода.

Комбинирование АЭС с водородным комплексом на основе процесса электролиза воды является актуальным способом регулирования графиков суточной нагрузки, позволяющим аккумулировать невостребованную электроэнергию в часы провала энергопотребления и использовать ее в пиковые часы нагрузки при неизменной мощности реактора и парогенераторов атомной станции за счет сжигания образующихся вследствие электролиза водорода и кислорода с целью перегрева рабочего тела ПТУ АЭС и выработки пиковой мощности. Основным оборудованием водородного энергокомплекса является система электролизных установок, в зависимости от типа которых варьируются эффективность работы и капитальные вложения всего водородного комплекса. В настоящей работе проведен анализ основных технологий электролиза, изучен мировой опыт разработки и эксплуатации установок, а также выявлены показатели эффективности и стоимости исследуемых типов электролизеров. В соответствии с проведенным обзором получено, что наибольшей эффективностью обладают твердооксидные электролизеры. Одновременно с этим такой тип подразумевает наибольшую конечную стоимость по причинам сравнительно меньшего уровня разработки и начального этапа коммерциализации. Электролизеры с протонообменной мембраной отвечают средним показателям эффективности и стоимости, в свою очередь щелочной электролиз имеет меньшую эффективность, что компенсируется за счет минимальных капитальных вложений. Также выявлено, что твердооксидный электролиз эффективен в связке с АЭС для целей производства товарного водорода, что характеризует необходимость проведения дальнейших исследований и разработок в области комбинирования высокотемпературных электролизеров с атомной станцией.

Стратегия развития энергетики России до 2050 г. предусматривает участие АЭС в регулировании суточной неравномерности электрической нагрузки. Это приводит к переменному режиму работы атомных станций, что не эффективно по причинам преждевременного износа основного оборудования станции, в особенности это касается оболочек тепловыделяющих элементов в активной зоне, а также особенностей процесса цепных реакций в активной зоне, связанного с ксеноновым отравлением. В этой связи в работе рассмотрена система дополнительного подогрева питательной воды в паротурбинном цикле АЭС с рециркуляцией непрореагировавшего водорода, позволяющая безопасно повысить мощность энергоблока АЭС в пиковые часы электрической нагрузки в энергосистеме при обеспечении базисного режима работы атомной станции. По выполненным экспериментально-теоретическим оценкам в диапазоне давлений в водород-кислородной камере сгорания 0,2-2 МПа доля рециркуляции водорода составила 99,5-18,3%. Уменьшение величины рециркуляции с ростом давления обусловлено активной рекомбинацией водорода с кислородом в процессе охлаждения диссоциированного пара, а также возрастающим влиянием уноса водорода в конденсате из-за увеличения его растворимости. При снижении доли рекомбинации до 0,97 в диапазоне давлений 0,2-7 МПа, доля рециркуляции водорода составляет 99,5-28,1%. Проведенная оценка показала, что происходит снижение абсолютного внутреннего КПД паросилового цикла по мере увеличения расхода водорода на подогрев питательной воды. При этом прирост КПД брутто энергоблока АЭС составляет 0,73-1,78%, а эффективность конверсии внепиковой электроэнергии достигает 37,06-25,96%. Максимальная эффективность достигается при давлении в водород-кислородной камере сгорания, равном 1,1 МПа.

Получение высокоэффективного производства электрической энергии достигается применением совместного цикла работы парогазовой и газотурбинной установок. Показатели тепловых выбросов и удельного расхода топлива имеют сниженные значения, а коэффициент полезного действия и мобильность рабочего процесса повышаются.

Рассмотрим работу электрической станции комбинированного цикла «Bazian» в Ираке, которая имеет мощностные показатели 750 МВт. Данная станция расположена в регионе Курдистан. Введена в эксплуатацию в 2016 году. Основным недостатком данного производства является снижение энергетической эффективности установки в летний период. Это напрямую связано с высокими температурными показателями наружного воздуха. Данные характеристики влияют на объемный и массовый расход газа. Происходит увеличение удельного топливного расхода и уменьшение давления в выходном патрубке компрессора. Снижаются электрические мощностные показатели. Данная проблема влечет за собой экономические затраты, а в последствии и остановки системы вне планового графика.

Проблема может быть решена с помощью инновационных разработок в области охлаждения для комбинированных установок. Достигается интенсифицирование теплообмена, восстановление контроля и повышение эффективности. Рассмотрим такие инновации, как термодинамическое моделирование и искусственная нейронная сеть.

Термодинамическое моделирование представляет собой процесс создания моделей, способных оценить по параметрическим данным термодинамические значения. Производится оценка установки, анализирование термохимических процессов, систематизация теоретических и практических информационных данных, прогноз результатов взаимодействия с высокими температурными значениями. Инновация использует следующие виды программного обеспечения мирового уровня: «ThermoLib», «Химический верстак», «OLI».

Искусственная нейронная сеть основана на тесном взаимодействии нейронов между собой. Сначала происходит получение входных данных, далее ряд вычислительных действий для определения решения и, в завершении, показывается общий итоговый результат. Чем выше синоптический вес нейронной связи, тем больше узловые воздействия между собой.

Данные инновационные методы производят расчет производительности и оценку финансовой целесообразности с применением платформы программирования «MATLAB».

Активно развивающаяся солнечная энергетика с учетом всемирного курса на снижение производственного углеродного следа требует перехода к максимальной доле рециклинга при утилизации солнечных панелей. Данный актуальный вопрос ставит задачу изучения мирового опыта утилизации и анализа соответствующих методов. С этой целью определены направления утилизации солнечных панелей, их применимость на примерах разных стран, активно использующих солнечную энергетику. Функционал крупнейших компаний по переработке определил главные направления и методы, направленные на разделение отходов солнечной энергетики, извлечение ценных компонентов и повторного их использования в производстве. Так, например, для модуля CdTe разработаны технологии, позволяющие обеспечить степень восстановления почти 90 % для стекла и примерно 95 % для полупроводниковых материалов по массе. Вместе с тем, проведенный анализ выявил критическое отсутствие экономически эффективных методов переработки тонкопленочных модулей (CIGS, a-Si) в промышленном масштабе, а также недостаточную зрелость технологий химической деламинации для отделения полимерных слоев. Все это способствует уменьшению экологической нагрузки данного производства, увеличению его экономической эффективности и экономии 50 % материалов, необходимых для производства.

Проблема накопления и утилизации золошлаковых отходов тепловых электростанций остается одной из наиболее острых в сферах энергетики и экологической безопасности. Зола, образующаяся при сжигании углей, может содержать большое количество различных тяжелых металлов. В связи с тем, что уголь остается одним из основных топливных ресурсов энергетики, проблема накопления золы и загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является достаточно острой. Целью данной обзорной статьи является проведение анализа состава зол различных угольных бассейнов, используемых на российских тепловых электрических станциях, установление наиболее встречающихся тяжелых металлов, а также сравнение их концентраций с порогом ценности для промышленного извлечения. Был проведен анализ имеющейся информации в открытых источниках, сформированы диаграммы распределения угольных электростанций по энергосистемам, доли угольных бассейнов по добыче и использованию в энергетике по установленной мощности, а также по содержанию тяжелых металлов в наиболее значимых бассейнах. В результате проведенного анализа установлено, что наиболее распространены такие тяжелые металлы как: цинк, хром, свинец, кобальт, медь. Концентраций тяжелых металлов в золах большинства угольных электростанций недостаточно для промышленной переработки с целью их извлечения. При невозможности извлечения тяжелых металлов из золы, наиболее перспективным направлением является фиторемедиация.

В статье рассматриваются ключевые направления технологий 3D-моделирования и виртуальной реальности в контексте национальной программы «Экономика данных», которая охватывает вопросы подготовки кадров и цифровизации промышленности. Приведена характеристика перспективных решений по типам подачи материала в виртуальной реальности с анализом их достоинств, достигнутых результатов и примеров реализации. Обоснована актуальность разработки и внедрения инновационных проектов с применением упомянутых технологий. Представлены восемь инновационных проектов, созданных сотрудниками и преподавателями Научно-образовательного центра «Экология энергетики» НИУ «МЭИ» за последние 7 лет с описанием полученного или ожидаемого эффекта, а также сведения о внедрении. Разработанные проекты используются при проведении обучения сотрудников энергокомпаний по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Электроэнергетика и электротехника» в НИУ «МЭИ». Они включают визуализации элементов основного тепломеханического и электротехнического оборудования – парового прямоточного котла ТГМП-314, элегазового комплектного распределительного устройства (КРУЭ) 110 кВ, паровой турбины Т-250-240, турбогенератора ТВВ-350. Проекты, выполненные в рамках НИОКР – тренажеры и интерактивные инструкции для эксплуатационного и ремонтного персонала энергокомпаний, предназначенные для отработки конкретных навыков и технологических операций в режиме обучения или сдачи экзамена.

Выполнена оценка экономического эффекта на примере проекта «Создание интерактивных инструкций по эксплуатации котла ТГМП-314». Результаты свидетельствуют об экономической эффективности реализации результатов НИОКР.

Кроме того, представлены перспективные разработки и проекты с использованием технологий 3D-моделирования и виртуальной реальности, которые могут быть успешно применены в технических отраслях, в том числе в электроэнергетике.

В работе рассматривается задача суточного многократного прогнозирования электрической нагрузки при дискретизации 15 минут (24 ч, 96 шагов), где нелинейность, нестационарность и многомасштабное смешение осложняют точное долгогоризонтное предсказание. Предлагается схема EMD-двухветвевой MLP с покомпонентным моделированием и калиброванным слиянием. В частности, эмпирическая модовая декомпозиция (EMD) применяется для разложения ряда нагрузки и последующей реконструкции в высокочастотную (HFC) и низкочастотную (LFC) компоненты; для HFC и LFC обучаются две прямые многовыходные MLP-модели с корреляционным отбором признаков (Пирсон), а для компенсации смещения реконструкции используется глобальное аффинное слияние (Global Affine) в качестве пост-калибровки. Многоцелевая оптимизация гиперпараметров выполняется алгоритмом NSGA-II (Optuna) путём совместной минимизации валидационных ошибок ветвей HFC и LFC. Эксперименты на наборе UCI ElectricityLoadDiagrams (MT_232, 2012-2013) с температурными рядами IPMA (Лиссабон) показывают, что EMD_MLP достигает RMSE/MAE/sMAPE = 8.567/5.434/7.546, снижая RMSE на 16,6 % и 19,5 % по сравнению с MLP и LSTM; вариант с NSGA-II дополнительно улучшает результаты до 8.363/5.377/7.503 и обеспечивает более стабильный профиль ошибки по горизонту. Предложенный метод формирует надёжные высокочастотные суточные траектории нагрузки для задач оперативного планирования, включая unit commitment, резервирование и рыночные операции.

В работе представлены результаты разработки технических решений по технологии жидкофазного восстановления железа и непрерывного производства стали, направленных на создание энергоэффективного металлургического производства.

Основная цель данной работы заключается в разработке комплексной технологии непрерывного производства горячекатаного листа на базе инновационного сталеплавильного агрегата непрерывного действия (далее САНД), в основе которого лежит принцип жидкофазного восстановления железа. Основной задачей является создание технологии внедоменного непрерывного восстановления железа углеродоводородной смесью за счет продувки природным газом, что позволяет максимально эффективно использовать энергию топлива.

На основе разрабатываемой установки предложен генеральный план с расположением основного оборудования. Он учитывает логистику материальных потоков при создании нового металлургического предприятия. Особое внимание уделено разработке систем утилизации вторичных энергетических ресурсов и анализу показателей экологичности процесса.

Научная и практическая значимость исследования подтверждается технической возможностью внедрения альтернативных технологий производства стали, демонстрацией существенного сокращения выбросов парниковых газов по сравнению с аглококсодоменной технологией, а также перспективами повышения конкурентоспособности металлургического производства. Полученные результаты могут служить основой для разработки технико-экономического обоснования при проектировании промышленной установки.