Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технических решений по обратноосмотическому опреснению морских и солоноватых вод с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и с рекуперацией электрической энергии

Докладчик: Кручинина Наталия Евгеньевна

Должность: декан, профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
Целью ПНИ является разработка новых комплексных технических решений по опреснению морских и солоноватых (5-7 промилле) вод с учетом специфики их состава и температуры с помощью автономной опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и с рекуперацией электрической энергии для практического применения в условиях Крыма и других южных регионов России для хозяйственно-питьевых нужд и орошения. В большинстве южных регионов России, имеющих проблемы с пресной водой, достаточно высок потенциал солнечной энергии, что позволяет организовать выработку пресной воды на месте ее потребления, удешевляя конечный продукт за счет отсутствия транспортной составляющей. В зависимости от региональных условий и особенностей потребителя должна быть использована оптимальная комбинация первичных источников энергии (солнце, дизель-генератор), электрохимических накопителей энергии и собственно аккумулирования опресненной воды как конечного продукта. Особенности различных регионов (температура, содержание примесей) определяют целесообразность той или иной технологии опреснения. Так, для условий Черного моря мембранная технология обратного осмоса существенно превосходит другие технологии (многоступенчатая дистилляция, рекомпрессионное выпаривание, электродиализ) как по капитальным, так и по эксплуатационным показателям. Например, для рекомпрессионного выпаривания удельные энергетические затраты составляют примерно 10-15 кВт.ч/м3 опресненной воды, тогда как для технологии обратного осмоса при солесодержании на уровне 18 г/л энергетические затраты на опреснение не превышают 3 кВт.ч/м3. Капитальные затраты на рекомпрессионную выпарную установку составляют обычно 90000….135000 руб./(м3/сутки), тогда как для обратноосмотической установки не превышают 45000 руб./(м3/сутки). Стоимость 1 м3 опресненной воды методом дистилляции обычно превышает 45…70 руб. (в зависимости от цены энергоресурсов), а для обратного осмоса составляет 20…30 руб. Качество опресненной воды в технологии обратного осмоса при использовании современных обратноосмотических мембран является весьма высоким. Селективность обратноосмотических мембран позволяет в одну ступень получить воду, отвечающую требованиям к питьевой воде практически по всем компонентам. Отдельной проблемой является очистка от бора. Уровень развития мембранной технологии не позволяет получить на первой стадии обессоливания морской воды пермеат, соответствующий требованиям к питьевой воде по содержанию бора ПДК 0,5 мг/л. Например, селективность высоконапорных мембран специально ориентированных на удаление бора составляет всего 80%, что при исходном содержании бора на уровне 5 мг/л приводит к остаточному содержанию бора в опресненной воде на уровне 1 мг/л (в 2 раза выше ПДК). Для низконапорных мембран селективность по бору еще ниже. Следует отметить, что удельная стоимость высоконапорных обратноосмотических мембран в на 50 % выше чем удельная стоимость низконапорных мембран. С учетом стоимости высоконапорных насосов, корпусов, арматуры и т.п. стоимость обратноосмотических установок с высоконапорными мембранами обычно в 1,5…2 раза выше стоимости низконапорных обратноосмотических установок. Для черноморской воды характерными проблемами являются высокое содержание сероводорода и низкая температура воды в зимний период (как и для Азовского моря). В начальный период проекта должен быть создан экспериментальный стенд для проведения испытаний основных функциональных узлов установок в этих условиях. Поскольку климатические условия и соленость воды в рамках различных регионов существенно отличаются, в результате запланированных ПНИ необходимо определить типичный состав установок и направления их модификации под региональные условия, а также сформулировать техническое задание на создание типового ряда автономных опреснительных установок. В предлагаемой разработке будут решены следующие научно технические задачи: В предлагаемой разработке будут решены следующие научно технические задачи: - обеспечено высокое качество очищенной воды при опреснении морских и солоноватых вод, включая очистку морской воды от соединений бора, за счет применения высокоэффективных низконапорных обратноосмотических мембран и оригинальной двухступенчатой схемы опреснения с промежуточным подщелачиванием; - снижено удельное энергопотребление на опреснение за счет рекуперации электрической энергии путем применения микрогидротурбины, приводимой в действие потоком концентрата после обратноосмотического опреснения; - разработаны и обоснованы различные схемы использования фотоэлектрических модулей в автономных опреснительных установках с учетом климатических условий региона и характерных режимов работы опреснительной установки; - обеспечена высокая эффективность использования электрической энергии, получаемой от фотоэлектрических преобразователей, за счет применения электрохимических накопителей с высокой удельной энергоемкостью и повышенной удельной мощностью; - оценены возможности использования крупных опреснительных установок в качестве регулирующего потребителя в замкнутой энергосистеме с большой долей солнечной энергетики в общей энерговыработке региона; - оптимизированы соотношения между накопителями опресненной воды и накопителями электрической энергии путем проведения динамического моделирования работы автономной опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей с электрохимическими накопителями и с рекуперацией электрической энергии. 2. Разработка новых комплексных технических решений по опреснению морских и солоноватых (5-7 промилле) вод с учетом специфики их состава и температуры с помощью автономной опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и с рекуперацией электрической энергии для практического применения в условиях Крыма и других южных регионов России для хозяйственно-питьевых нужд и орошения.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В рамках исследования будут оформлены и представлены Заказчику промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие в том числе:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 15 за период 2009 – 2014 г.г.;
- обоснование выбора направления исследований
- описание математической модели опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и с
рекуперацией электрической энергии.
- результаты автономной отработки обратноосмотических мембран в условиях
изменения температур и соленостей исходной воды.
- описание испытательного стенда для проверки работоспособности различных
мембран.
- результаты оптимизации соотношения между накопителями опресненной воды и
накопителями электрической энергии путем проведения динамического математического моделирования работы автономной опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей с электрохимическими накопителями и с рекуперацией электрической энергии с учетом региональных условий.
- описание экспериментального образца опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических
накопителей и с рекуперацией электрической энергии
- результаты исследовательских испытаний экспериментального образца автономной опреснительной установки с автономным электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и с рекуперацией электрической энергии.
- технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом возможностей и особенностей индустриального партнера
- обобщение результатов и рекомендации по их использованию, оценку полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем
2. Научно-технические результаты, полученные в ходе работы, должны включать в себя:
- рекомендации по выбору оборудования и расходных материалов для очистки воды с различным составом примесей при различных температурах;
- рекомендации по режимам работы установки с учетом суточных и сезонных графиков потребления воды, колебаний температур;
- рекомендации по составу энергетического оборудования с учетом графиков потребления
воды, климатических и географических условий региона расположения установки.
Разрабатываемые технические устройства и технологические методы должны обеспечить получение очищенной воды, соответствующей нормам СанПиН РФ 2.1.4.1074-01.
Исходное сырье:
- артезианская солоноватая вода (солесодержание 3-8 г/л, температура 15-20 оС, жесткость до 15 мг-экв/л, мутность до 2 мг/л)
- морская вода (температура 2-28°С, солесодержание 15-18 г/л, содержание бора до 5 мг/л, мутность до 10 мг/л);
Выход очищенной воды, соответствующей требованиям СанПиН РФ 2.1.4.1074-01, должен составлять не менее 60% от исходной артезианской воды. Выход очищенной воды, соответствующей требованиям СанПиН РФ 2.1.4.1074-01, должен составлять не менее 40% от исходной морской воды.
Экспериментальный образец автономной опреснительной установки должен обладать следующими характеристиками:
- производительность по опресненной воде – до 50 м3/сутки (в зависимости от температуры и солености);
- солесодержание исходной воды – до 18 г/л;
- солесодержание очищенной воды – до 500 мг/л;
- содержание бора в очищенной воде – до 0,5 мг/л;
- содержание кальция в очищенной воде – не менее 30 мг/л;
- остальные показатели очищенной воды – в соответствии с СанПиН РФ 2.1.4.1074-01
- энергопотребление – до 4,0 кВтч/м3 (в зависимости от солености и температуры);
- гарантированность водоснабжения – 99%;
- для опреснения морской и артезианской воды должен применяться метод обратного осмоса;
- должно быть предусмотрено аккумулирование очищенной воды;
- основные первичные источники энергии – солнечная энергия,
- вспомогательные источники энергии - дизель-генератор (для проведения пуско-наладочных и регламентных работ и для резервирования);
- должно быть предусмотрено аккумулирование электрической энергии в аккумулирующих устройствах с удельной энергоемкостью не менее 40 Втчас/кг и характерным временем полного заряда не более 0,5 часа;
- должна быть предусмотрена возможность рекуперации не менее 10% электрической энергии с помощью электромеханической системы, приводимой в действие потоком концентрата после обратноосмотических мембран;
- исполнение установки должно быть блочно-модульным, допускающим масштабирование;
- при необходимости для размещения оборудования или его части должен быть предусмотрен блок-боксы с системой климат-контроля и пожаротушения;
- диапазон рабочих температур (-10 ч +40)°С;
- коэффициент использования исходной воды – не менее 0,6 для артезианских вод и не менее 0,4 для морской воды.

Входящие в состав экспериментального образца автономной опреснительной установки обратноосмотические мембраны должны иметь гарантированный ресурс работы не менее 3 лет при назначенном сроке службы не менее 5 лет.
Входящие в состав экспериментального образца автономной опреснительной установки фотоэлектрические преобразователи должны иметь гарантированный ресурс работы не менее 5 лет при назначенном сроке службы не менее 10 лет.
Входящие в состав экспериментального образца автономной опреснительной установки электрохимические накопители должны иметь гарантированный ресурс работы не менее 5000 циклов при назначенном сроке службы не менее 3 лет.
Входящая в состав экспериментального образца автономной опреснительной установки электромеханическая система должна иметь гарантированный ресурс работы не менее 3000 часов при назначенном сроке службы не менее 3 лет.
Экспериментальный стенд предназначен для проверки работоспособности мембран в условиях различных значений температур и соленостей исходной воды.
Экспериментальный стенд должен обеспечить возможность автономной проверки характеристик фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей и электромеханической системы для рекуперации электрической энергии.
Экспериментальный стенд должен включать в себя:
- термостат;
- систему предварительной подготовки воды;
- насосный блок;
- блок анализа и контроля;
- комплекс для потенциостатических измерений.

3.Новизна проекта обусловлена комплексной проработкой широкого круга вопросов, связанных как с адаптацией технологии обратного осмоса под характеристики воды конкретного региона (для Черного и Азовского морей характерной особенностью является высокое содержание в воде бора, что требует двухступенчатой системы очистки), так и с максимально полным учетом климатических условий региона – уровней температуры, инсоляции, продолжительности бессолнечных периодов, стоимости традиционных топлив для региона. Исходя из этих данных, для Крыма и других южных регионов России будут предложены и обоснованы технические решения, оптимально сочетающие в себе систему подготовки, опреснения и хранения воды, фотоэлектрические преобразователи, электрохимические накопители и электромеханическую систему для рекуперации электрической энергии. На примере разработанной в проекте опреснительной установки будут отрабатываться решения для крупных опреснительных заводов, связанные с проверкой работоспособности основных функциональных узлов установки в условиях, характерных для Азовского и Черного морей (низкие температуры в зимний период, высокое содержание бора и сероводорода). Будут проанализированы возможности использования автономной опреснительной установки как энерготехнологического комплекса с возможностью выдачи не только воды, но и электрической энергии. Также будет рассмотрена возможность и проведено динамическое моделирование работы крупной опреснительной установки в составе децентрализованной энергосистемы с большой степенью проникновения возобновляемых источников энергии как потребителя, регулирующего работу энергосистемы, что также является весьма актуальным для энергосистемы Крыма, в которой значительная доля выработанной энергии приходится на сетевые солнечные электростанции.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в рамках проекта обеспечат накопление знаний и будут способствовать научно-техническому прогрессу в области использования морских и солоноватых вод в сочетании с солнечной энергетикой при создании экологически чистых водоэнергоустановок для автономного водо- и энергоснабжения. При этом главной проблемой является создание научно-технологических основ рационального сочетания особенностей солнечных фотопреобразователей с потребностями опреснительной техники посредством оптимального выбора мощностных и энергетических характеристик накопителей и микрогидротурбин для рекуперации электрической энергии для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую в устройствах, имеющих приемлемые для коммерческого использования массо-габаритные параметры и цену.
Оптимизация процессов и параметров технологического оборудования, изучение фундаментальных и прикладных основ процессов преобразования энергии и опреснения воды с непосредственным участием в исследованиях и разработках студентов и молодых специалистов позволит повысить качество подготовки высокопрофессиональных технологических кадров, повысить конкурентоспособность выпускников, имидж ВУЗа, будет способствовать улучшению качества публикуемых материалов, количества защищаемых диссертационных работ и повышению места университета в мировых рейтингах.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
1. Авторы: Said Touati, Abderrahmane Belkaid, Rabah Benabid, Khaled Halbaoui, Mustapha Chelali, Год выхода: 2012, Название статьи : Pre-Feasibility Design and Simulation of Hybrid PV/Fuel Cell Energy System for Application to Desalination Plants Loads, Название журнала: Procedia Engineering, http://www.elsevier.com/locate/procedia; doi:10.1016/j.proeng.2012.01.1216
2. Авторы T. Novosel, B. Cosi, G. Kraja, N. Dui, T. Puk, M.S. Mohsen, M.S. Ashhab,
A.K. Ababneh, Год выхода: 2014, Название статьи: The influence of reverse osmosis desalination in a combination with pump storage on the penetration of wind and PV energy: A case study
for Jordan, Название журнала: Energy, journal homepage: www.elsevier.com/locate/energy
http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2014.03.088
3. Авторы: Sotirios Karellas, Konstantinos Terzis, Dimitrios Manolakos, Год выхода:2011, Название статьи: Investigation of an autonomous hybrid solar thermal ORCePV RO desalination
system. The Chalki island case. Название журнала: Renewable Energy.
journal homepage: www.elsevier.com/locate/renene doi:10.1016/j.renene.2010.07.012.
4. Авторы: Maged A.I. El-Shaarawi, Hussain Al Awjan, Dawood Al Ramadhan, Mustafa Hussain, Год выхода: 2013, Название статьи: Effect of thermodynamic limitations on PV initial cost estimations for solar-powered RO desalination Название журнала: Desalination,
journal homepage: www. elsevier.com/locate/desal, doi:10.1016/j.desal.2011.03.021.
5. Авторы: А.В.Десятов, А.В.Асеев, Н.П.Какуркин, Н.Н.Казанцева и др. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды. М., Химия, 2008, 240 с.:ил. ISBN 978-5-073-8

5. Для доведения результатов ПНИ до потребителя необходимы публикация результатов работы в ведущих научно-технических журналах, выступления на международных конференциях, а также установление рабочих контактов с заинтересованными предприятиями, выявленными на этапах маркетинговых исследований.
Теоретические и экспериментальные результаты должны благоприятно способствовать накоплению знаний по данной проблематики до "критической массы" являющейся плодородной почвой к прорывному научно-техническому прогрессу в области использования морских и солоноватых вод в сочетании с солнечной энергетикой при создании экологически чистых водоэнергоустановок для автономного водо- и энергоснабжения. При этом главной проблемой является создание научно-технологических основ рационального сочетания особенностей солнечных фотопреобразователей с потребностями опреснительной техники посредством оптимального выбора мощностных и энергетических характеристик накопителей и микрогидротурбин для рекуперации электрической энергии для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую в устройствах, имеющих приемлемые для коммерческого использования массо-габаритные параметры и цену.
Оптимизация процессов и параметров технологического оборудования, изучение фундаментальных и прикладных основ, позволит планомерно, а значит более эффективно подготавливать высокопрофессиональные технологические кадры, имеющие опыт работы с уникальными комплексами уже на стадии обучения, что в будущем облегчит их трудоустройство в крупные технологический и инжиниринговые компании, промышленных предприятиях, объектах энергетики и др., в конечном счёт повысит конкурентоспособность выпускников, имидж ВУЗа; наличие уникальных экспериментальных данных, установок, новых материалов будет способствовать улучшению качества публикуемых материалов, количества защищаемых диссертационных работ и повышению места университета в мировых рейтингах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты работы должны способствовать развитию производственно-технологического, кадрового, инфраструктурного и институционального потенциала Российской Федерации в области практического использования возобновляемых источников энергии и увеличения экспортного потенциала российских компонентов и технологий. Потенциальными потребителями разработанных методов и технологий являются:
– федеральные органы исполнительной власти (Минэнерго, Минпромторг России и др.);
– органы исполнительной власти субъектов РФ;
– малые и крупные предприятия промышленности, аграрного и рекреационного секторов.
Внедрение технологий обеспечит рост конкурентоспособности отечественных компаний в секторе возобновляемой энергетики и мембранных технологий и предполагающих использование результатов в рамках технологических платформ «Перспективные технологии возобновляемой энергетики», «Малая распределенная энергетика», «Технологии экологического развития».
Полученные в ходе выполнения настоящего проекта результаты будут использованы для выполнения региональных программ в области развития сельского хозяйства, малоэтажного жилищного строительства, энергосбережения и энергоэффективности.
Предлагаемая к разработке в настоящем проекте автономная опреснительная установки на основе современных мембранных технологий, фотоэлектрической системы электропитания с электрохимическими накопителями и микрогидротурбиной для рекуперации электрической энергии найдет широкое применение в южных регионах России, там где в настоящее время дефицит водных ресурсов ограничивает развитие промышленности и сельского хозяйства. Многочисленные рекреационные объекты Крыма также являются потенциальными потребителями результатов предлагаемого проекта.
На основе полученных в представленном проекте результатов будет налажено производство ориентированных на конкретного потребителя типовых автономных опреснительных установок на основе современных мембранных технологий, фотоэлектрической системы электропитания с электрохимическими накопителями и микрогидротурбиной для рекуперации электрической энергии, а также подготовлены научно-технологические основы для проектирования и строительства крупных опреснительных заводов с использованием возобновляемых источников энергии для решения инфраструктурных проблем соответствующих регионов.
Пресная вода уже в настоящее время является дефицитом для ряда регионов России и многих зарубежных стран. В дальнейшем прогнозируется рост этого дефицита, как в отдельных регионах России, так и в мире, особенно – в Африке и на Ближнем Востоке. Пресная вода используется не только в жилищно-коммунальном хозяйстве, но и в промышленности, земледелии и животноводстве, причем еще в большем объеме. Использование привозной воды существенно увеличивает как ее стоимость, так и себестоимость производимой на месте продукции. В то же время во многих вододефицитных регионах существуют свои водные ресурсы, малопригодные для использования в хозяйственных целях в силу своей засоленности или загрязненности. Современные технологии позволяют добиться очистки морских и солоноватых вод до уровня питьевых стандартов. На сегодняшний день наиболее перспективным представляется применение обратноосмотических установок, однако как для этого, так и в еще большей степени для других способов опреснения ключевой проблемой является энергопитание опреснителя, так как расход энергии на поддержание процесса достаточно высок и существенно зависит от солености исходной воды (3-6 кВтч/м3 при содержании минеральных солей от 5 до 35 г/л).
Для обеспечения пресной водой небольших поселков, расположенных вблизи источников соленой и солоноватой воды в странах с жарким и сухим климатом, большой интерес представляют опреснительные установки относительно малой производительности с автономным источником энергии. Доставка в отдаленные поселки пресной воды экономически обычно сравнима с затратами на опреснение. При этом наиболее целесообразным в настоящее время представляется создание водоопреснительных установок в сочетании с автономной системой энергоснабжения на базе солнечных батарей с высокоэффективными накопителями электрической энергии. Одним из очевидных преимуществ автономной опреснительной установки является возможность увеличенной выработки воды в дневное время и ее аккумулирования для дальнейшего использования в ночное время суток и бессолнечные дни.

2. Индустриальный партнер проекта – ООО «Диома СПб», занимается разработкой и производством широкого ряда химической продукции, включая реактивы и системы для очистки вод от различных загрязнений.. Компания «Диома СПб» уделяет особое внимание научно-исследовательской работе в целях повышения расширения сфер применения своей продукции. ООО «Диома СПб» достаточно длительное время работает на рынке систем водоочистки и заинтересовано в участии в комплексных проектах по опреснению морских и солоноватых вод южных регионов России и ближнего зарубежья, а также в разработке экологически чистых энергетических установок на солнечной энергии с последующим применением в составе опреснительных установок, предлагаемых к разработке в заявляемом проекте.
Имеется также большое количество обращений от коммерческих компаний России и зарубежных стран, заинтересованных в практической реализации результатов настоящего проекта. Например, компания «Литинтерн инжиниринг» является российской структурой, занимающейся внедрением передовых технологий и оборудования как в России так за ее пределами. В настоящее время компания «Литинтерн инжиниринг» с участием РХТУ имени Д.И.Менделеева ведет активные переговоры с египетскими партнерами о поставках опреснительных установок и питанием от возобновляемых источников энергии в рамках межправительственной Российско-Египетской комиссии.
Свою заинтересованность в использовании результатов проекта подтвердила компания Hermes Solar Ltd. (Болгария). Готова к сотрудничеству по результатам проекта компания Jurby WaterTech Int. одна из мировых лидеров в разработке и изготовлении мембранных установок для очистки и опреснения воды. Большой интерес к разработкам РХТУ имени Д.И.Менделеева в области водоочистки и возобновляемой энергетики и, в частности, к результатам настоящего проекта проявляет группа компаний «Русгазинжиниринг»
Установлены тесные связи с университетами, расположенными в районах потенциального использования результатов проекта – Казахско-Британским техническим университетом, Каспийским университетом технологий и инжиниринга, Евразийским национальным университетом им. Л.Н. Гумилёва, ведутся переговоры с Каирским университетом. Это позволит проводить подготовку квалифицированных кадров для обеспечения надежной эксплуатации разрабатываемых технологий и оборудования.
Ожидаемые социально-экономические последствия в сфере науки и образования неразрывно связаны с теми инновациями, на развитие которых нацелена деятельность университета. Прежде всего, это исследования, направленные на получение новых материалов, химических продуктов, веществ с необычными и ценными свойствами, а также технологии и оборудование с ними связанные. Эти вещества и материалы востребованы самыми разными отраслями экономики - от энергетики до жилищно-коммунального хозяйства. Весьма велик экспортный потенциал проводимых исследований.
Перспективным является разработка технических решений по обратноосмотическому опреснению морских и солоноватых вод с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей электрической энергии.
Расширение источников (в том числе возобновляемых) энергии, эффективное и экономически выгодное преобразование различных видов энергии весьма актуально многих других отраслях промышленности.
Создание научной и экспериментальной базы, получение экспериментальных зависимостей, их анализ и разработка новых технических решений по совершенствованию технологии опреснения воды будет способствовать формированию научно-технического задела в области химии и технологии обратноосмотических мембран, фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей электрической энергии для дальнейшего выполнения работ по углублению знаний в данной тематике.
По результатам выполнения проекта будет сформулировано техническое задание и сформулированы требования для выполнения ОКР по теме: «Разработка типового ряда автономных опреснительных установок с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей с рекуперацией электрической энергии для решения задач водоснабжения в южных регионах Российской Федерации».
3.Ожидаемые социально-экономические последствия в сфере науки и образования неразрывно связаны с теми инновациями, на развитие которых нацелена деятельность университета. Прежде всего, это исследования, направленные на получение новых материалов, химических продуктов, веществ с необычными и ценными свойствами, а также технологии и оборудование с ними связанные. Эти вещества и материалы востребованы самыми разными отраслями экономики - от энергетики до жилищно-коммунального хозяйства. Весьма велик экспортный потенциал проводимых исследований.
Перспективным является разработка технических решений по обратноосмотическому опреснению морских и солоноватых вод с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей электрической энергии.
Расширение источников (в том числе возобновляемых) энергии, эффективное и экономически выгодное преобразование различных видов энергии весьма актуально многих других отраслях промышленности.
Создание научной и экспериментальной базы, получения экспериментальных зависимостей, их анализ и обзор способа безболезненной интеграции в имеющиеся технологию на данном этапе проекта (2014 - 2016 г.г.) будет плодотворно способствовать формированию научно-технического задела в области химии и технологии обратноосмотических мембран, фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей электрической энергии для дальнейшего выполнения работ по углублению знаний в данной тематике.
После 3 лет работы будут сформулированы основные научно-технические требования для работы по классификации ОКР по теме: «Разработка типового ряда автономных опреснительных установок с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей и электрохимических накопителей с рекуперацией электрической энергии для решения задач водоснабжения в южных регионах Российской Федерации» на следующие 3 года действия программы (2017-2019 г.г.), с целью внедрения новых технологий и оборудования, для повышения обеспеченности ресурсами, необходимыми для успешного развития и безопасности страны.
Важнейшим условием спроса на подобные установки является их экономическая эффективность. Уровень капитальных и эксплуатационных затрат определяется во многом мощностью фотоэлектрических преобразователей. В свою очередь мощность фотоэлектрических преобразователей в составе опреснительной установки определяется уровнем потребления электроэнергии на опреснение воды. Для снижения уровня энергетических затрат в опреснительных установках, работающих от сетевой электроэнергией, используются так называемые рекуператоры механической энергии концентрата, выходящего из опреснительной установки под высоким давлением. При наличии в составе опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей электрохимических накопителей может быть осуществлена рекуперация электрической энергии путем использования микрогидротурбины, приводимой в действие потоком концентрата из обратноосмотической установки. Такое комплексное решение позволяет существенно (на 10-15%) снизить потребление электроэнергии и пропорционально уменьшить необходимую мощность солнечных батарей, что существенно снижает уровень капительных и эксплуатационных затрат.
Предлагаемая к разработке в настоящем проекте автономная опреснительная установки на основе современных мембранных технологий, фотоэлектрической системы электропитания с электрохимическими накопителями и микрогидротурбиной для рекуперации электрической энергии позволит решить ряд инфраструктурных проблем в южных регионах России, в настоящее время ограничивающих развитие там промышленности и сельского хозяйства. Особенно актуальной проблема представляется для водоснабжения Крыма, обладающего существенным потенциалом солнечной энергии с одной стороны, и имеющего застарелые проблемы с засолением подземных водоносных горизонтов с другой [Н.С. Огняник, С.А. Гавловский А.П. Швец, Актуальные проблемы рационального использования подземных вод Крыма в условиях интенсивного действия водохозяйственных объектов//Гидрогеология. Инженерная геология, Геологический журнал №6, т. 47 (1987), стр.30-38;]. В случае Крыма дефицит воды также сопровождается дефицитом электрической энергии и большим рекреационным потенциалом региона, что делает целесообразным использование малых автономных опреснительных установок непосредственно на площадках конечных потребителей – гостиниц, пансионатов, фермерских хозяйств. Дальнейшее тиражирование разрабатываемой технологии возможно и в других южных регионах России - соленость воды в ряде скважин Ростовской области достигает 5-7 г/л, в Азовском море – 9-10 г/л.
Реализация данного проекта будет способствовать выполнению региональных программ в области развития сельского хозяйства, малоэтажного жилищного строительства, энергосбережения и энергоэффективности.


Текущие результаты проекта:
Научный коллектив РХТУ им. Д.И. Менделеева, исполняющий проект имеет большой опыт создания водоочистных и водоопреснительных установок различной производительности для очистки и опреснения морских и солоноватых вод, а также минерализованных сточных вод промышленных предприятий. Участники коллектива Заявителя принимали непосредственное участие в проектировании и строительстве крупнейшего в СНГ опреснительного завода с использованием обратноосмотических мембран в г.Актау (Казахстан), а также в создании опреснительных установок на Азовском и Каспийском морях, в Приаралье, в Южно-Африканской республике, Сингапуре и ряде других стран. Заявителем разработано и построено большое количество установок для очистки индустриальных сточных вод в различных регионах Российской Федерации.
Коллектив Заявителя обладает значительным опытом теоретических и экспериментальных работ в области фоточувствительных материалов. Одной из последних разработок является компьютерная модель гетероструктуры солнечного элемента.
В ходе выполнения федеральных программ научно-образовательным центром, созданным на базе РХТУ им.Д.И. Менделеева и Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, исследована кинетики и механизмы электрохимических процессов в водных и неводных растворах электролитов с использованием комплекса физико-химических методов изучения каталитически активных функционализрованных углеродных наноструктур, направленных на создание нового поколения электрохимических накопителей электрической энергии.
Имеются разработанные методики контроля параметров и соответствующее оборудование для электронной микроскопии, Рамановской спектрометрии, определения удельной площади поверхности ВЕТ-методом, определения электропроводности и удельного электрического сопротивления четырехконтактным методом, импедансометрии в трехэлектродной ячейке и т.п.
Имеется значительное количество высококвалифицированных научных кадров, в том числе непосредственно по тематике выполняемых работ профессоров, докторов наук – 10, доцентов кандидатов наук – 15, аспирантов и соискателей – 12.
Имеется действующая система менеджмента качества РХТУ им.Д.И. Менделеева, направленная на выполнение требований и ожиданий потребителей к качеству образовательных услуг и предусматривающая интеграцию новых информационных технологий с управленческими механизмами деятельности университета, а также совершенствование внутри вузовской системы оценки качества обучения и организации учебного процесса. В системе менеджмента качества интегрированы все виды учебной, научной, финансовой и управленческой деятельности университета.
Составными частями системы являются:
- развитие факультета довузовской подготовки абитуриентов, Учебного комплекса, очных и дистанционных подготовительных курсов, проведение предметных олимпиад и профессиональных конкурсов, а также информационно-рекламную деятельность;
- непрерывно совершенствуемый процесс «Обучение», критериями успешности которого является применение инновационных методов обучения на базе современных информационных педагогических технологий, а также своевременная разработка, утверждение и непрерывное совершенствование документов по его организации и контролю;
- процесс «Научная работа», включающий совершенствование планирования и реализации научных исследований, в том числе в рамках инновационных образовательных программ по приоритетным научным направлениям.
Соисполнителем по проекту является Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН) – ведущий исследовательский центр Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН и страны в области энергетики и теплофизики.
В рамках настоящего проекта специалисты ОИВТ РАН обеспечат проведение исследований и разработок по созданию оптимизированных систем энергоснабжения разрабатываемых опреснительных установок, включая участие в разработке методов математического моделирования энергоустановок, разработку базы исходных климатических и актинометрических данных для перспективных районов использования автономных опреснительных установок, разработку научно-технических решений по рекуперации энергии концентрата обратноосмотического модуля, находящегося под высоким давлением с помощью микротурбины с выполнением следующих работ:
- анализ современной научно-технической, патентной и нормативной литературы по проблемам опреснения вод различного состава, использования солнечной энергии в различных схемах опреснения, повышения ресурсных характеристик накопителей электрической энергии – в части использования солнечной энергии;
- анализ водных ресурсов юга России и прилегающих регионов;
- анализ различных схем автономных энергоустановок с точки зрения использования накопления воды или электроэнергии, различных архитектур преобразовательных и согласующих электротехнических устройств с учетом климатических факторов;
- разработка математической модели автономной опреснительной установки, ее верификация на основе экспериментальных данных в части энергоблока;
- расчет оптимального состава установки для выбранных климатических условий;
- оптимизация соотношения между накопителями опресненной воды и накопителями электрической энергии путем проведения динамического моделирования работы автономной опреснительной установки с электропитанием от фотоэлектрических преобразователей с электрохимическими накопителями и с рекуперацией электрической энергии с учетом региональных условий
- анализ схем рекуперации энергии водного потока;
- экспериментальная отработка схем рекуперации энергии водного потока;
- оценка возможностей использования крупных опреснительных производств как регуляторов мощности в замкнутых энергосистемах со значительной долей использования возобновляемых источников энергии ;
- комплексная оценка применения солнечной энергии для нужд автономного опреснения в южных регионах России, формирование базы данных и исходных данных для проектирования типоряда автономных опреснительных установок.
- испытания накопителей различных типов в режимах, близких к работе в составе установки;
- экспериментальная отработка различных комбинаций накопителей и преобразовательных устройств, оценка кпд схем;
- разработка комплекта эскизной технической документации на энергоблок.