Небольшая группа ученых начала разработку новых видов топлива более десяти лет назад, а сегодня их технологиями интересуются крупные инвесторы энергетической индустрии. Историю о том, как вера в идею и командная энергия задают новый стандарт в топливной индустрии, рассказал директор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета Дмитрий Глушков.
Мы начали исследования в 2012 году. У нашего молодого коллектива не было финансирования, доступа к сложному оборудованию, но были научные идеи и сильное желание их воплотить. Экспериментировали в основном с доступными энергоресурсами и вторсырьем: так зародилось наше первое важное направление исследований — композиционные топливные смеси.
Если смешать определенные пропорции различного вторсырья, то получится топливная смесь, которая сгорит экологичней, экономичнее и эффективнее, чем отдельные его компоненты. Созданные нами «коктейли» из отработанных материалов по энергетическим характеристикам не уступали углю, который до сих пор широко применяют на тепловых электростанциях.
Мы создали удачные комбинации, провели необходимые эксперименты, и результаты нашей работы привлекли внимание промышленности. Вместе с нефтегазовыми и нефтехимическими компаниями мы определили основные направления дальнейших исследований.
Возьмем для примера угольное шламовое топливо, которое получают из смеси угля, продуктов его переработки и других недорогостоящих компонентов. Такое легко произвести в теплоэнергетике на локальных или удаленных объектах из компонентов, которые буквально у вас под ногами. Мы улучшили угольный шлам, добавив биомассу, остатки сточных вод и немного отработанных масел.
Базовая формула композиционной смеси получилась такой: 50–60% — низкосортный уголь, до 30% — биомасса (древесные и сельскохозяйственные остатки), до 10% — отработанные масла (растительные или нефтяные), до 5% — специальные добавки, улучшающие стабильность суспензии и характеристики ее горения. Такие пропорции обеспечили устойчивое горение, достаточную теплоотдачу и сниженные выбросы вредных веществ.
Сырьевая база для композиционных топливных смесей чрезвычайно разнообразна: простого перебора всех сочетаний хватит на миллионы вариантов. Для подбора оптимальных решений под конкретные условия мы параллельно развиваем численное моделирование и технологии искусственного интеллекта. Наша цель — создать программный комплекс, способный прогнозировать наиболее эффективные составы топливных смесей с учетом местных ресурсов.
Мы создали полупромышленную установку, чтобы показать, как композиционные топливные смеси ведут себя в реальной энергетической системе. С ее помощью мы их готовим, сжигаем и получаем тепловую энергию.
Процесс приготовления выглядит так: вначале мы подаем твердые компоненты через дробилку, а жидкие — насосами в мельницу, где они перемалываются до состояния суспензии. Полученная смесь поступает в бак с мешалкой, где она дополнительно измельчается и стабилизируется, а потом сжигается в котле мощностью 73 кВт, оборудованном муфельным предтопком — это камера, где мы обеспечиваем предварительный нагрев, чтобы добиться быстрого воспламенения.
Предполагаемая стоимость одного килограмма нашего шламового топлива — около двух с половиной рублей: ниже, чем у подавляющего большинства альтернатив. В реальности нужно еще учитывать логистику, доступность сырья, требования конкретного предприятия. Поэтому для каждого случая мы проводим комплексный анализ.
Помимо работы над топливами для нужд энергетики мы активно исследуем жидкое биотопливо, например — авиационный биокеросин или авиационное топливо с низким углеродным следом. В некоторых странах он уже применяется для заправки воздушного транспорта, в том числе как добавка к обычному керосину, чтобы снизить выбросы парниковых газов.
Мы производим биокеросин из растительных масел, включая рапсовое, рыжиковое, талловое, а также из пищевого вторсырья. При синтезе мы применяем гидрокрекинг и каталитический крекинг: под действием температуры, давления и катализаторов расщепляем сырье и превращаем в углеводородную фракцию, похожую по свойствам на авиационный керосин.
Мы проводим испытания на двух малогабаритных авиационных двигателях. Они показывают, что наш продукт стабильно горит, при этом уровень выбросов углекислого газа в атмосферу низкий. Чтобы перейти к промышленному производству, нам нужно пройти полный цикл испытаний на двигателях и получить необходимые разрешения.
Сегодня наша команда реализовала многие идеи, которые мы начали изучать еще в 2012 году. С самого начала мы делали ставку на студентов: они участвовали в наших проектах, и это лучший способ избежать кризиса идей.
Исследовательские группы Томского политехнического университета на 30–50% состоят из обучающихся. Так будущие ученые получают не только практический опыт, но и оплачиваемую работу, формируют портфолио, участвуют и побеждают в конкурсах на стипендии. Те, кто проходит через такую подготовку, становятся востребованными специалистами. Их с радостью берут в высокотехнологичные компании.
