Стратегический технологический проект №2 «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды»
5. Стратегическое технологическое лидерство университета
5.4.2. Стратегический технологический проект №2 «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды»
5.4.2.1. Цель и задачи реализации стратегического технологического проекта
Цель проекта – решение ключевых инженерных задач для технологического лидерства Российской Федерации в сфере химического инжиниринга и разработки новых материалов, чистой энергетики и защиты окружающей среды с использованием природовдохновлённого подхода «реинжиниринга природы», в основе которого лежит исследование принципов, механизмов и процессов, наблюдаемых в природе.
Задачи проекта.
Для преодоления технологических барьеров и создания инновационных технологий, развития методологической базы и стимулирования творческого мышления при разработке и оптимизации инновационных технологий, в широком контексте будут решены следующие задачи:
5.4.2.2. Описание стратегического технологического проекта
Стратегический технологический проект «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды» ориентирован на решение задач национальных проектов «Новые материалы и химия» и «Новые атомные и энергетические технологии» для развития производства химической продукции и новых композитных материалов, разработки важнейших наукоемких технологий по направлению химической технологии для сжижения и переработки газообразных углеводородов, подготовки квалифицированных кадров по направлению новых материалов и химии.
Философия стратегического технологического проекта заключается в разработке комплекса научной и технической информации – от фундаментальных знаний в сфере гетерогенного катализа, полупроводниковых материалов, поверхностной химии и теоретических основ химической технологии до практических рекомендаций по производству катализаторов и разработке промышленных технологий сжижения и конверсии газообразных углеводородов.
Общая философия инновационных разработок по проекту – природовдохновленный подход, когда идеи для создания принципиально новых технических решений заимствуются из природы, а частные подходы обеспечивают новизну и высокую эффективность создаваемых технологий.
В основе научно-технологической деятельности по стратегическому проекту лежат пять методических подходов:
Дальнейшее взаимодействие с компанией ООО «СИБУР-Инновации» по задачам Центра пилотирования полиолефиновых технологий обсуждается в рамках открытия совместной лаборатории, как новой формы интеграции между стратегическими партнерами. Фокусировка взаимодействия: разработка катализаторов и носителей для полиолефиновых технологий; научно-технологические услуги по эксплуатационным исследованиям катализаторов для базовых процессов компании; производственная аспирантура по базовым процессам компании.
Кроме того, ведутся научно-технологические работы по следующим направлениям: ресурсные испытания и скрининг катализаторов риформинга метана, гидрирования ацетилена; механические испытания катализаторов (истирание, сдавливание, абразивная способность и др.).
В рамках развития научного международного сотрудничества организовано взаимодействие со Школой материаловедения и инженерии Южно-Китайского технологического университета (SCUT) (Гуанчжоу, Китай) и Колледжем материалов и энергетики Южно-Китайского сельскохозяйственного университета (SCAU) (Гуанчжоу, Китай) в части выполнения совместных работ по моделированию каталитических процессов и новых перспективных образцов катализаторов. Для решения задач по математическому моделированию процессов переработки газообразных и жидких углеводородов налажено взаимодействие с приглашенным ученым, профессором Национального политехнического института Мексики Хорхе Анчейта.
Описание потребностей и/или проблем, решаемых в рамках реализации стратегического технологического проекта
Проект решает ряд критических потребностей и проблем:
5.4.2.3. Ключевые результаты стратегического технологического проекта
В ходе выполнения работ по стратегическому технологическому проекту «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды» будут достигнуты результаты, имеющие значимость для отечественной и мировой науки, и решающие задачи национальных проектов «Новые материалы и химия» и «Новые атомные и энергетические технологии», в части снижения доли импорта химической и критически важной биотехнологической продукции, а именно:
5.4.2.4. Портфель планируемых к реализации проектов и их результат
1. Проект «Разработка солнечных элементов нового поколения»
Определение взаимосвязи между структурой и свойствами в материаловедении и химии является ключевым и одновременно сложным этапом исследований. Именно этот процесс позволяет понять, как управлять свойствами материалов и оптимизировать их. Из-за нелинейности зависимостей и множества участвующих параметров человеку сложно самостоятельно построить модель и предложить её для оптимизации. Машинное обучение помогает избежать рутинного построения моделей вручную, предоставляя свои собственные решения. Поэтому для решения нашей задачи необходим именно этот междисциплинарный подход. Также важно, чтобы модель была открытой и интерпретируемой для осмысленного процесса оптимизации, так как модели машинного обучения иногда склонны к переобучению и ошибкам. Эти аспекты требуют экспертной оценки специалиста для нивелирования возможных недостатков.
Стадия проекта: Лабораторное исследование
Оценка уровня готовности технологии (УГТ):
УГТ3. Даны аналитические и экспериментальные подтверждения по важнейшим функциональным возможностям и/или характеристикам выбранной концепции. Проведено расчетное и/или экспериментальное (лабораторное) обоснование эффективности технологий, продемонстрирована работоспособность концепции новой технологии в экспериментальной работе на мелкомасштабных моделях устройств. На этом этапе в проектах также предусматривается отбор работ для дальнейшей разработки технологий. Критерием отбора выступает демонстрация работы технологии на мелкомасштабных моделях или с применением расчетных моделей, учитывающих ключевые особенности разрабатываемой технологии, или эффективность использования интегрированного комплекса новых технологий в решении прикладных задач на базе более детальной проработки концепции на уровне экспериментальных разработок по ключевым направлениям, детальных комплексных расчетных исследований и моделирования.
Достигнут уровень промежуточных/полных масштабов разрабатываемых систем, которые могут быть исследованы на стендовом оборудовании и в условиях, приближенных к условиям эксплуатации. Испытание детализированных макетов разрабатываемых устройств.
Решаемая проблема:
Энергетическая проблема и поиск устойчивых источников энергии являются одними из важнейших вызовов современности. В этом контексте солнечные элементы играют ключевую роль в переходе к возобновляемым источникам энергии. Однако, несмотря на значительный прогресс, существуют важные проблемы, которые необходимо решить для повышения эффективности и долговечности солнечных элементов. Одной из таких проблем является совершенствование транспортных слоев путем улучшения их стабильности, поскольку многие из ныне используемых транспортных материалов подвержены деградации под воздействием факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение, влага и температура. Это приводит к снижению эффективности солнечных элементов со временем.
Предлагаемое решение:
Код ГРНТИ: 31.15.33 Электрохимия
Критическая технология: Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику
Связь с Приоритетами СНТР: б) Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения
Связь с Большими вызовы СНТР: е) Качественное изменение характера глобальных и локальных энергетических систем, рост значимости энерговооруженности экономики, наращивание объема выработки энергии, повышение эффективности ее передачи, хранения и использования
Приоритетное направление развития науки, технологий и техники РФ: Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика
Связь с мероприятиями НПТЛ: Новые материалы и химия
Партнеры: ГНЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» (г. Новосибирск), ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск), Мексиканский политехнический университет (г. Мехико, Мексиканские Соединенные Штаты), Школа материаловедения и инженерии Южно-Китайского технологического университета (SCUT) (г. Гуанчжоу, Китай), Колледж материалов и энергетики Южно-Китайского сельскохозяйственного университета (SCAU) (г. Гуанчжоу, Китай), ПАО «СИБУР Холдинг», ПАО «Газпром нефть».
2. Проект «Разработка мобильной технологии переработки ПНГ в жидкие продукты на структурированных катализаторах с высокой эффективной теплопроводностью»
Проект направлен на создание инновационного решения для эффективной утилизации ПНГ, который часто сжигается на месторождениях, что ведет к значительным потерям ресурсов и негативному воздействию на окружающую среду.
Основные аспекты проекта:
Оценка уровня готовности технологии (УГТ):
УГТ5. Компоненты и/или макеты подсистем верифицированы в условиях, близких к реальным. Основные технологические компоненты интегрированы с подходящими другими ("поддерживающими") элементами, и технология испытана в моделируемых условиях. Достигнут уровень промежуточных/полных масштабов разрабатываемых систем, которые могут быть исследованы на стендовом оборудовании и в условиях, приближенных к натурным условиям. Испытывают не прототипы, а только детализированные макеты разрабатываемых устройств.
Основные технологические компоненты интегрированы с подходящими другими ("поддерживающими") элементами, и технология испытана в моделируемых условиях.
Решаемая проблема:
Смесь газообразных углеводородов фракции C1-10 является побочным продуктом для нефтедобывающих компаний в процессе добычи углеводородов, который представляет ценность для производства синтетических жидких углеводородов от С6 до С20 и олефинов. Однако, вовлечение в эффективную переработку и предотвращение сжигания побочного продукта на местах добычи жидких углеводородов, особенно на удаленных месторождениях, с относительно небольшими объемами добычи с существующими технологиями нерентабельно из-за высоких капитальных затрат на создание инфраструктуры, что, в свою очередь, предопределяет важность решения данной проблемы в критически важных областях повышения глубины переработки углеводородного сырья и защиты окружающей среды. Перспективным вариантом решения этой проблемы является разработка новых технологий конверсии смеси газообразных углеводородов фракции C1-10 на местах добычи жидких углеводородов.
Предлагаемое решение:
Подход к конверсии смеси газообразных углеводородов фракции C1-10, основанный на процессе Фишера-Тропша, известен достаточно давно, однако, до настоящего времени применяющиеся технологии отличаются высокими капитальными и эксплуатационными затратами, а также недостаточно высокой технологической эффективностью и недостаточным уровнем безопасности. Это связано с тем, что в традиционных каталитических системах (гранулированные катализаторы, монолитные керамические блоки) сложно реализовать эффективное управление тепловыми режимами протекания ключевых реакций, которые обладают высокими тепловыми эффектами и высокой чувствительностью к температуре. Такие каталитические системы характеризуются существенным диффузионным торможением каталитических реакций, и низкой теплопроводностью. Последний фактор обуславливает высокую сложность управления тепловыми режимами протекания целевых реакций в силу их высоких тепловых эффектов, приводящей к необходимости использования дорогих и сложных в управлении реакторов с чрезвычайно большим числом трубок. В итоге традиционные технологии конверсии имеют низкую или отрицательную рентабельность. Существенный прогресс в этой области может быть достигнут за счет применения катализаторов на основе стекловолокнистых носителей. Главным достоинством таких каталитических систем является возможность формирования структурированных картриджей, обладающих уникально высоким соотношением интенсивности массообмена к удельному гидравлическому сопротивлению и высокой теплопроводностью. Такие катализаторы оригинальны, не имеют зарубежных аналогов и обладают высоким потенциалом, как в области импортозамещения в стратегически важных сферах, так и в сфере развития высокотехнологичного экспорта.
Описание результата:
В ходе выполнения работ по проекту будут достигнуты результаты, имеющие значимость для отечественной и мировой науки и решающие научные проблемы для выбранного направления из Стратегии НТР РФ, в части повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, а именно:
Критическая технология: Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику
Связь с Приоритетами СНТР: б) Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения
Связь с Большими вызовы СНТР: е) Качественное изменение характера глобальных и локальных энергетических систем, рост значимости энерговооруженности экономики, наращивание объема выработки энергии, повышение эффективности ее передачи, хранения и использования
Приоритетное направление развития науки, технологий и техники РФ: Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика
Связь с мероприятиями НПТЛ: Новые материалы и химия; Новые атомные и энергетические технологии
5.4.2. Стратегический технологический проект №2 «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды»
5.4.2.1. Цель и задачи реализации стратегического технологического проекта
Цель проекта – решение ключевых инженерных задач для технологического лидерства Российской Федерации в сфере химического инжиниринга и разработки новых материалов, чистой энергетики и защиты окружающей среды с использованием природовдохновлённого подхода «реинжиниринга природы», в основе которого лежит исследование принципов, механизмов и процессов, наблюдаемых в природе.
Задачи проекта.
Для преодоления технологических барьеров и создания инновационных технологий, развития методологической базы и стимулирования творческого мышления при разработке и оптимизации инновационных технологий, в широком контексте будут решены следующие задачи:
- Создать и оптимизировать катализаторы на основе структурированных микроволокнистых, вспененных и сетчатых носителей с регулярной геометрической структурой, высокой интенсивностью массообмена и высокой эффективной теплопроводностью;
- Разработать и оптимизировать нестационарные каталитические и адсорбционно-каталитические процессы, для достижения нового уровня эффективности за счет целенаправленного создания и использования тепловой и концентрационной нестационарности катализатора;
- Разработать новые автотермичные процессы, ориентированные на достижение максимальной энергетической эффективности, минимальной капитальной стоимости и высокой компактности каталитических установок за счет применения внутреннего переноса тепла в каталитических структурах с повышенной теплопроводностью, а также для использования регенеративного теплообмена вместо рекуперативного;
- Применить математическое моделирование, включая современные методы гидродинамического моделирования, как один из базовых инструментов, для разработки, оптимизации и масштабирования новых технологий;
- Использовать искусственный интеллект и машинное обучение, как перспективный высокоэффективный научно-технологический инструмент для обработки больших объемов экспериментальных данных, создания и оптимизации новых катализаторов для ресурсосберегающих технологий;
- Создать онтологическую базу природных механизмов, использующих концепцию многоуровневого структурирования, типичного для многих биологических систем, для решения инженерных задач и составления каталога оптимальных решений;
- Создать центр компетенций с функцией развития методологической основы и ведения образовательной деятельности – передачи компетенций для развития и распространения методологии природовдохновленного инжиниринга по экосистемному принципу.
5.4.2.2. Описание стратегического технологического проекта
Стратегический технологический проект «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды» ориентирован на решение задач национальных проектов «Новые материалы и химия» и «Новые атомные и энергетические технологии» для развития производства химической продукции и новых композитных материалов, разработки важнейших наукоемких технологий по направлению химической технологии для сжижения и переработки газообразных углеводородов, подготовки квалифицированных кадров по направлению новых материалов и химии.
Философия стратегического технологического проекта заключается в разработке комплекса научной и технической информации – от фундаментальных знаний в сфере гетерогенного катализа, полупроводниковых материалов, поверхностной химии и теоретических основ химической технологии до практических рекомендаций по производству катализаторов и разработке промышленных технологий сжижения и конверсии газообразных углеводородов.
Общая философия инновационных разработок по проекту – природовдохновленный подход, когда идеи для создания принципиально новых технических решений заимствуются из природы, а частные подходы обеспечивают новизну и высокую эффективность создаваемых технологий.
В основе научно-технологической деятельности по стратегическому проекту лежат пять методических подходов:
- Многоуровневое структурирование катализаторов, которое включает использование каталитических систем, структурированных в широком масштабном диапазоне – от активных центров нанометровых размеров к микронитям и микрогранулам микронного размера, до структурированных каталитических блоков с характерными размерами от миллиметров до сантиметров, с обеспечением максимально эффективного взаимодействия между уровнями. В частности, работы будут посвящены созданию и оптимизации катализаторов на основе микроволокнистых, вспененных и сетчатых носителей с регулярной геометрической структурой, высокой интенсивностью массообмена и высокой эффективной теплопроводностью.
- Динамический катализ, который основан на целенаправленном создании нестационарных условий осуществления реакций в каталитических структурах. В данном подходе фокус направлен на разработку и оптимизацию нестационарных каталитических и адсорбционно-каталитических процессов, для достижения нового уровня эффективности в которых используют активное целенаправленное создание и использование тепловой и концентрационной нестационарности катализатора.
- Автотермичные процессы, которые ориентированы на достижение максимальной энергетической эффективности, минимальной капитальной стоимости и высокой компактности каталитических установок за счет применения внутреннего переноса тепла в каталитических структурах с повышенной теплопроводностью, а также за счет использования регенеративного теплообмена вместо рекуперативного.
- Математическое моделирование, включая современные методы гидродинамического моделирования, как один из базовых инструментов разработки, оптимизации и масштабирования технологий.
- Искусственный интеллект и машинное обучение, как перспективный высокоэффективный научный инструмент для обработки больших объемов экспериментальных данных, создания и оптимизации новых катализаторов.
- Технологии для нефтегазовой отрасли: ● Автотермичная переработка компонентов газового конденсата (побочный продукт в процессе добычи углеводородов для газо- и нефтедобывающих компаний - смесь жидких углеводородов фракции C5+) в газообразные транспортабельные продукты на удаленных газовых месторождениях, которые представляют ценность для производства бензинов, реактивных и дизельных топлив, а также могут быть использованы для комплексной нефтехимической переработки с получением высокооктановых компонентов, растворителей, ароматических углеводородов, спиртов, различных ингибиторов и синтетических волокон, пластмасс, что подчеркивает высокую актуальность разработки;
- Экологически чистая энергетика: ● Автотермичный процесс метанирования диоксида углерода с получением синтетического метана, как одна из наиболее актуальных научных и технологических задач при создании новой энергетики с нулевым или сниженным уровнем выбросов СО2 за счет разработки высокоэффективных технологий конверсии и аккумуляции энергии для демпфирования суточных и погодных колебаний производства и потребления электроэнергии;
- Защита окружающей среды:
● Компактные каталитические реакторы для паровой или автотермической конверсии углеводородов (природный и попутный нефтяной газ) для получения водорода и синтез-газа из углеводородного и органического сырья, в том числе углеводородных отходов и нетрадиционных типов сырья, для нужд химической промышленности и экологически чистой энергетики. Важным фактором в этой области является использование природного газа или возобновляемых органических топлив, таких как биоэтанол. Главными критериями успешной технологии производства водорода и синтез-газа являются низкие капитальные и энергетические затраты, высокая чистота водорода, особенно в отношении оксидов углерода;
● Процесс синтеза Фишера-Тропша для переработки попутного нефтяного газа в жидкие продукты на структурированных катализаторах с высокой эффективной теплопроводностью для производства синтетических жидких углеводородов от С6 до С20 и олефинов. Вовлечение в эффективную переработку и предотвращение сжигания ПНГ на местах добычи жидких углеводородов, особенно на удаленных месторождениях, с относительно небольшими объемами добычи;
● Селективное гидрирование ацетиленовых соединений (метод тонкой очистки исходного этилена от примесей ацетилена) на основе структурированных микроволокнистых катализаторов для получения полиэтилена.
● Воздушные процессоры на основе структурированных микроволокнистых катализаторов для экологически чистого производства тепловой энергии, отопления, очистки и дезинфекции воздуха в помещениях.
● Энергосберегающие адсорбционно-каталитические процессы для очистки газовых выбросов от вредных летучих органических соединений (паров углеводородов, органических спиртов, кислот, альдегидов и пр.), которые представляют существенную опасность для человека и биосферы, поэтому такие выбросы представляют собой существенную опасность для общества, экономики и государства. Кроме того, неприятный запах таких выбросов может существенно снижать качество жизни людей;
● Процессы на основе структурированных микроволокнистых катализаторов для очистки дымовых газов от золопылевых частиц, оксидов азота и серы.
Дальнейшее взаимодействие с компанией ООО «СИБУР-Инновации» по задачам Центра пилотирования полиолефиновых технологий обсуждается в рамках открытия совместной лаборатории, как новой формы интеграции между стратегическими партнерами. Фокусировка взаимодействия: разработка катализаторов и носителей для полиолефиновых технологий; научно-технологические услуги по эксплуатационным исследованиям катализаторов для базовых процессов компании; производственная аспирантура по базовым процессам компании.
Кроме того, ведутся научно-технологические работы по следующим направлениям: ресурсные испытания и скрининг катализаторов риформинга метана, гидрирования ацетилена; механические испытания катализаторов (истирание, сдавливание, абразивная способность и др.).
В рамках развития научного международного сотрудничества организовано взаимодействие со Школой материаловедения и инженерии Южно-Китайского технологического университета (SCUT) (Гуанчжоу, Китай) и Колледжем материалов и энергетики Южно-Китайского сельскохозяйственного университета (SCAU) (Гуанчжоу, Китай) в части выполнения совместных работ по моделированию каталитических процессов и новых перспективных образцов катализаторов. Для решения задач по математическому моделированию процессов переработки газообразных и жидких углеводородов налажено взаимодействие с приглашенным ученым, профессором Национального политехнического института Мексики Хорхе Анчейта.
Описание потребностей и/или проблем, решаемых в рамках реализации стратегического технологического проекта
Проект решает ряд критических потребностей и проблем:
- Уменьшение негативного влияния на окружающую среду (выбросы парниковых газов, загрязняющих веществ и отходов) за счет разработки экологичных и эффективных технологий предотвращения технологических выбросов;
- Повышение эффективности использования природных ресурсов, таких как нефть и газ за счет разработки технологий, которые позволяют извлекать больше полезных компонентов из меньшего объема сырья;
- Проект способствует диверсификации энергетического баланса за счет увеличения доли возобновляемых источников энергии, что снижает зависимость от ископаемого топлива и способствует устойчивому развитию энергетики;
- Оптимизация процессов добычи и переработки ресурсов с использованием новых технологий позволяет снизить операционные и капитальные затраты, что делает производство более экономически выгодным;
- Разработка и внедрение инновационных технологий способствуют повышению безопасности производственных процессов, что снижает риск аварий и техногенных катастроф;
- Проект направлен на выполнение международных стандартов и нормативов в области экологии и устойчивого развития, что обеспечивает соответствие законодательным требованиям и улучшает социальную ответственность компаний;
- Импортозамещение в области малотоннажной химии для крупнотоннажных продуктов с целью создания циклов производства критически важных продуктов в РФ из отечественного сырья.
- Создать и оптимизировать катализаторы на основе структурированных микроволокнистых, вспененных и сетчатых носителей с регулярной геометрической структурой, высокой интенсивностью массообмена и высокой эффективной теплопроводностью;
- Разработать и оптимизировать нестационарные каталитические и адсорбционно-каталитические процессы, для достижения нового уровня эффективности за счёт целенаправленного создания и использования тепловой и концентрационной нестационарности катализатора;
- Разработать новые автотермичные процессы ориентированные на достижение максимальной энергетической эффективности, минимальной капитальной стоимости и высокой компактности каталитических установок за счет применения внутреннего переноса тепла в каталитических структурах с повышенной теплопроводностью, а также для использования регенеративного теплообмена вместо рекуперативного;
- Применить математическое моделирование, включая современные методы гидродинамического моделирования, как один из базовых инструментов, для разработки, оптимизации и масштабирования новых технологий;
- Использовать искусственный интеллект и машинное обучение, как перспективный высокоэффективный научно-технологический инструмент для обработки больших объемов экспериментальных данных, создания и оптимизации новых катализаторов для ресурсосберегающих технологий;
- Создать онтологическую базу природных механизмов, использующих концепцию многоуровневого структурирования, типичного для многих биологических систем, для решения инженерных задач и составления каталога оптимальных решений;
- Создать центр компетенций с функцией развития методологической основы и ведения образовательной деятельности - передачи компетенций для развития и распространения методологии природовдохновленного инжиниринга по экосистемному принципу.
5.4.2.3. Ключевые результаты стратегического технологического проекта
В ходе выполнения работ по стратегическому технологическому проекту «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды» будут достигнуты результаты, имеющие значимость для отечественной и мировой науки, и решающие задачи национальных проектов «Новые материалы и химия» и «Новые атомные и энергетические технологии», в части снижения доли импорта химической и критически важной биотехнологической продукции, а именно:
- Решены задачи национальных проектов «Новые материалы и химия», «Новые атомные и энергетические технологии» и укреплены взаимодействия с такими компаниями, как ПАО «СИБУР Холдинг», ПАО «НК «Роснефть» и ПАО «Газпром нефть»;
- Оптимизированы конструкторские и производственные решения, развит комплекс мероприятий по направлению сквозных наукоемких технологий «Природоподобные технологии» до 2036 года;
- Создан резерв высококвалифицированных кадров, способных ориентироваться в разработке и процессах внедрения на методы природновдохновенного инжиниринга с опытом решения реальных задач;
- Разработаны и внедрены технологические решения, созданные на основе природовдохновленного подхода, и решающие прикладные задачи индустрии;
- Открыты новые магистерские программы: «ИИ в науках о материалах», «Природоподобный химический инжиниринг» в междисциплинарной логике по модели кросс-уровневого образования;
- Запущена производственная аспирантура с партнерами из различных отраслей для подготовки инженерных кадров, интеграции ее с производственными задачами и образовательными программами магистратуры и бакалавриата;
- Открыты совместные с индустриальными партнерами научно-исследовательские лаборатории для решения производственных задач и вовлечения студентов с ранних курсов в реальные проекты;
- Сформирован портфель результатов интеллектуальной деятельности по итогам решения производственных задач индустрии с распределением прав между университетом и индустриальными партнерами;
- Запущены ДПО для сохранения и накопления компетенций и интеллектуального потенциала после реализации НИОКР.
5.4.2.4. Портфель планируемых к реализации проектов и их результат
1. Проект «Разработка солнечных элементов нового поколения»
Определение взаимосвязи между структурой и свойствами в материаловедении и химии является ключевым и одновременно сложным этапом исследований. Именно этот процесс позволяет понять, как управлять свойствами материалов и оптимизировать их. Из-за нелинейности зависимостей и множества участвующих параметров человеку сложно самостоятельно построить модель и предложить её для оптимизации. Машинное обучение помогает избежать рутинного построения моделей вручную, предоставляя свои собственные решения. Поэтому для решения нашей задачи необходим именно этот междисциплинарный подход. Также важно, чтобы модель была открытой и интерпретируемой для осмысленного процесса оптимизации, так как модели машинного обучения иногда склонны к переобучению и ошибкам. Эти аспекты требуют экспертной оценки специалиста для нивелирования возможных недостатков.
Стадия проекта: Лабораторное исследование
Оценка уровня готовности технологии (УГТ):
УГТ3. Даны аналитические и экспериментальные подтверждения по важнейшим функциональным возможностям и/или характеристикам выбранной концепции. Проведено расчетное и/или экспериментальное (лабораторное) обоснование эффективности технологий, продемонстрирована работоспособность концепции новой технологии в экспериментальной работе на мелкомасштабных моделях устройств. На этом этапе в проектах также предусматривается отбор работ для дальнейшей разработки технологий. Критерием отбора выступает демонстрация работы технологии на мелкомасштабных моделях или с применением расчетных моделей, учитывающих ключевые особенности разрабатываемой технологии, или эффективность использования интегрированного комплекса новых технологий в решении прикладных задач на базе более детальной проработки концепции на уровне экспериментальных разработок по ключевым направлениям, детальных комплексных расчетных исследований и моделирования.
Достигнут уровень промежуточных/полных масштабов разрабатываемых систем, которые могут быть исследованы на стендовом оборудовании и в условиях, приближенных к условиям эксплуатации. Испытание детализированных макетов разрабатываемых устройств.
Решаемая проблема:
Энергетическая проблема и поиск устойчивых источников энергии являются одними из важнейших вызовов современности. В этом контексте солнечные элементы играют ключевую роль в переходе к возобновляемым источникам энергии. Однако, несмотря на значительный прогресс, существуют важные проблемы, которые необходимо решить для повышения эффективности и долговечности солнечных элементов. Одной из таких проблем является совершенствование транспортных слоев путем улучшения их стабильности, поскольку многие из ныне используемых транспортных материалов подвержены деградации под воздействием факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение, влага и температура. Это приводит к снижению эффективности солнечных элементов со временем.
Предлагаемое решение:
- Оптимизировать, с использованием методов Машинного Обучения, условий синтеза соединений AMM’Q3 (A = щелочной металл; M = РЗЭ; M’= -d элемент; Q = халькогенид).
- Структурно исследовать новые материалы, включая анализ температурных зависимостей ключевых параметров и депонирование данных в международные базы.
- Исследовать оптические свойства четверных халькогенидов с помощью ИК-, УФ-, и Рамановской спектроскопии, сопоставить экспериментальные данные с теоретическими ab initio расчетами зонной структуры и фононного спектра в рамках DFT, определить частоты и типы ИК- и КР-мод, а также степени участия ионов в каждой моде.
- Комплексно изучить термические свойства AMM’Q3 в инертной и окислительной атмосфере, определить характеристики температур и энтальпий фазовых превращений, установить этапы процессов окисления в воздушной атмосфере.
- Исследовать электрофизические свойства материалов в широком диапазоне температур.
- Подобрать условия, с использованием Машинного Обучения, для создания мишени наиболее перспективного соединения AMM'Q3 с помощью «Нанотехнологического комплекса NT-MDT НаноФаб-100».
- Создать прототип с транспортным слоем на основе соединения AMM'Q3 и его тестирование.
- Впервые будут синтезированы новые четверные халькогениды РЗ, для которых будут установлены структуры, измерены оптические, электропроводящие свойства. Структурные параметры будут депонированы в банк данных, а также будет проведен анализ взаимосвязи структуры и свойств.
- Будет предложена методика создания транспортного слоя на основе соединений AMM’Q3 для солнечных батарей.
- Будет создан рабочий прототип солнечного элемента с ожидаемым эффектом повышения его эффективности и долговечности. В итоге работа раскроет потенциал применения новых материалов для создания солнечных батарей и будет способствовать более широкому применению возобновляемых источников энергии.
Код ГРНТИ: 31.15.33 Электрохимия
Критическая технология: Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику
Связь с Приоритетами СНТР: б) Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения
Связь с Большими вызовы СНТР: е) Качественное изменение характера глобальных и локальных энергетических систем, рост значимости энерговооруженности экономики, наращивание объема выработки энергии, повышение эффективности ее передачи, хранения и использования
Приоритетное направление развития науки, технологий и техники РФ: Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика
Связь с мероприятиями НПТЛ: Новые материалы и химия
Партнеры: ГНЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН» (г. Новосибирск), ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск), Мексиканский политехнический университет (г. Мехико, Мексиканские Соединенные Штаты), Школа материаловедения и инженерии Южно-Китайского технологического университета (SCUT) (г. Гуанчжоу, Китай), Колледж материалов и энергетики Южно-Китайского сельскохозяйственного университета (SCAU) (г. Гуанчжоу, Китай), ПАО «СИБУР Холдинг», ПАО «Газпром нефть».
2. Проект «Разработка мобильной технологии переработки ПНГ в жидкие продукты на структурированных катализаторах с высокой эффективной теплопроводностью»
Проект направлен на создание инновационного решения для эффективной утилизации ПНГ, который часто сжигается на месторождениях, что ведет к значительным потерям ресурсов и негативному воздействию на окружающую среду.
Основные аспекты проекта:
- Мобильность технологии: Разработка мобильных установок позволяет применять технологию непосредственно на месте добычи нефти, что снижает затраты на транспортировку газа и делает процесс более гибким и адаптивным к условиям различных месторождений;
- Использование структурированных катализаторов: Применение катализаторов с высокой теплопроводностью способствует более равномерному распределению тепла в реакционной зоне, что увеличивает эффективность процесса преобразования газа в жидкие продукты, такие как синтетическая нефть или химические вещества;
- Экологические преимущества: Проект способствует уменьшению выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ, поскольку снижает объем сжигаемого ПНГ. Это позволяет не только улучшить экологическую обстановку, но и соответствовать международным стандартам по охране окружающей среды;
- Экономические выгоды: Превращение ПНГ в ценные жидкие продукты увеличивает доходность месторождений и способствует более рациональному использованию природных ресурсов. Это также может обеспечить дополнительные источники дохода и снизить зависимость от экспорта нефти;
- Инновационность: Проект использует передовые технологии и материалы, что способствует развитию научно-технического потенциала в области нефтегазовой переработки и может стимулировать дальнейшие исследования и разработки.
Оценка уровня готовности технологии (УГТ):
УГТ5. Компоненты и/или макеты подсистем верифицированы в условиях, близких к реальным. Основные технологические компоненты интегрированы с подходящими другими ("поддерживающими") элементами, и технология испытана в моделируемых условиях. Достигнут уровень промежуточных/полных масштабов разрабатываемых систем, которые могут быть исследованы на стендовом оборудовании и в условиях, приближенных к натурным условиям. Испытывают не прототипы, а только детализированные макеты разрабатываемых устройств.
Основные технологические компоненты интегрированы с подходящими другими ("поддерживающими") элементами, и технология испытана в моделируемых условиях.
Решаемая проблема:
Смесь газообразных углеводородов фракции C1-10 является побочным продуктом для нефтедобывающих компаний в процессе добычи углеводородов, который представляет ценность для производства синтетических жидких углеводородов от С6 до С20 и олефинов. Однако, вовлечение в эффективную переработку и предотвращение сжигания побочного продукта на местах добычи жидких углеводородов, особенно на удаленных месторождениях, с относительно небольшими объемами добычи с существующими технологиями нерентабельно из-за высоких капитальных затрат на создание инфраструктуры, что, в свою очередь, предопределяет важность решения данной проблемы в критически важных областях повышения глубины переработки углеводородного сырья и защиты окружающей среды. Перспективным вариантом решения этой проблемы является разработка новых технологий конверсии смеси газообразных углеводородов фракции C1-10 на местах добычи жидких углеводородов.
Предлагаемое решение:
Подход к конверсии смеси газообразных углеводородов фракции C1-10, основанный на процессе Фишера-Тропша, известен достаточно давно, однако, до настоящего времени применяющиеся технологии отличаются высокими капитальными и эксплуатационными затратами, а также недостаточно высокой технологической эффективностью и недостаточным уровнем безопасности. Это связано с тем, что в традиционных каталитических системах (гранулированные катализаторы, монолитные керамические блоки) сложно реализовать эффективное управление тепловыми режимами протекания ключевых реакций, которые обладают высокими тепловыми эффектами и высокой чувствительностью к температуре. Такие каталитические системы характеризуются существенным диффузионным торможением каталитических реакций, и низкой теплопроводностью. Последний фактор обуславливает высокую сложность управления тепловыми режимами протекания целевых реакций в силу их высоких тепловых эффектов, приводящей к необходимости использования дорогих и сложных в управлении реакторов с чрезвычайно большим числом трубок. В итоге традиционные технологии конверсии имеют низкую или отрицательную рентабельность. Существенный прогресс в этой области может быть достигнут за счет применения катализаторов на основе стекловолокнистых носителей. Главным достоинством таких каталитических систем является возможность формирования структурированных картриджей, обладающих уникально высоким соотношением интенсивности массообмена к удельному гидравлическому сопротивлению и высокой теплопроводностью. Такие катализаторы оригинальны, не имеют зарубежных аналогов и обладают высоким потенциалом, как в области импортозамещения в стратегически важных сферах, так и в сфере развития высокотехнологичного экспорта.
Описание результата:
В ходе выполнения работ по проекту будут достигнуты результаты, имеющие значимость для отечественной и мировой науки и решающие научные проблемы для выбранного направления из Стратегии НТР РФ, в части повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, а именно:
- Разработаны и оптимизированы принципиально новые методики синтеза структурированных микроволокнистых катализаторов с повышенной каталитической активностью при низком содержании активного компонента, в том числе на основе методов вакуумного нанесения и высокодисперсного напыления раствора прекурсора активного компонента, а также обеспечивающие оптимальное распределение активного компонента по поверхности носителя и по объему стеклонитей.
- Установлены свойства активного компонента, синтезированных образцов стекловолокнистых катализаторов, на основе данных физико-химического охарактеризования, определена активность в реакции парового риформинга и синтеза Фишера-Тропша.
- Разработаны и оптимизированы принципиально новые конструкции каталитических картриджей (отличающиеся повышенной теплопроводностью и сверхнизким гидравлическим сопротивлением), получены и обобщены экспериментальные данные по перепаду давления и интенсивности массообмена в них в том числе с использованием методов гидродинамического и теплофизического моделирования тепловых и реакционных процессов с помощью программного комплекса мультифизического моделирования ANSYS FLUENT/CFX.
- Проведена верификация результатов гидродинамического и теплофизического моделирования структурированного стекловолокнистого катализатора, конструкции каталитических картриджей, оптимизированных на нано-микро-мили-мезо-макроуровнях, определены их оптимальные конструкционные параметры.
- Разработаны теоретические основы нового процесса переработки ПНГ, конструкции каталитических картриджей, оптимизированных на нано-микро-мили-мезо-макроуровнях. Полученные в ходе исследования результаты могут стать базой для развития новых направлений переработки углеводородного сырья. В результате выполнения проекта будут созданы теоретические и технологические основы новой высокоэффективной технологии переработки ПНГ и ПГ, основанной на структурированных микроволокнистых системах, которая будет отличаться существенно сниженными капитальными затратами и позволит повысить уровень глубины переработки углеводородных газов для нужд химической промышленности и экологически чистой энергетики, а также решить высокоактуальные экологические проблемы (полностью предотвратить выбросы метана и снизить выбросы СО2 не менее, чем на 50%).
Критическая технология: Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику
Связь с Приоритетами СНТР: б) Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения
Связь с Большими вызовы СНТР: е) Качественное изменение характера глобальных и локальных энергетических систем, рост значимости энерговооруженности экономики, наращивание объема выработки энергии, повышение эффективности ее передачи, хранения и использования
Приоритетное направление развития науки, технологий и техники РФ: Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика
Связь с мероприятиями НПТЛ: Новые материалы и химия; Новые атомные и энергетические технологии