Прикладне дослідження · ХНУ

Смарт-система термохімічної переробки полімерних відходів у паливо з енергоавтономним сонячним живленням

Створюємо компактну установку, яка перетворює пластикові та гумові відходи на рідке моторне паливо. Реактор нагрівається індукційно, енергію дають сонячні панелі з акумуляторами, а процесом керує цифрова система з автоматичним підбором режимів під тип сировини.

Експериментальна установка з сонячним живленням та індукційним нагрівом.

Науковий напрям Безпечна, чиста енергетика та енергоефективність	Тематичний напрям Відновлювані джерела енергії, циркулярна економіка
Рівень готовності TRL 3 → TRL 5–6 від лабораторного підтвердження концепції до перевірки технології в умовах, наближених до реальних	Організація Хмельницький національний університет
Керівник проєкту Манзюк Едуард Андрійович д.т.н., професор кафедри комп’ютерних наук	Відповідальний виконавець Мартинюк Валерій Володимирович д.т.н., професор, завідувач кафедри автоматизації, комп’ютерно-інтегрованих технологій та робототехніки

Міждисциплінарний проєкт

Проєкт поєднує шість галузей знань. Хімія та екологія визначають, що і як переробляти, енергетика й машинобудування дають установку, а комп’ютерні науки відповідають за те, що робить систему «смарт»: керування, моделі, оптимізацію та дані.

Провідна роль

Комп’ютерні науки

Інтелектуальне керування процесом, математичні моделі, оптимізація режимів, моніторинг і робота з науковими даними.

Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології

Промисловий контролер, датчики температури, тиску та складу газу, регулювання нагріву, аварійний захист.

Відновлювана енергетика

Фотоелектрична система, акумулятори, інвертор і баланс між генерацією та споживанням.

Хімічна технологія та інженерія

Кінетика термічної деструкції полімерів, якість палива: густина, в’язкість, фракційний склад, вміст сірки.

Екологія

Вплив полімерів на ґрунт, воду й повітря, екологічні критерії для палива та очищення викидів.

Машини й апарати, матеріалознавство

Конструкція реактора, теплові розрахунки, перетворення твердого залишку на сорбенти.

Що роблять комп’ютерні науки в проєкті

Цифрова система керування

Програмне забезпечення для промислового контролера Siemens SIMATIC S7-1200: ПІД-регулювання температури, адаптивне керування потужністю нагріву, аварійний захист.

Адаптація до сировини

Алгоритми, що самі коригують температуру, тривалість реакції та інтенсивність нагріву залежно від типу відходів.

Енергоменеджмент

Алгоритм балансування генерації сонячних панелей, заряду акумуляторів і споживання реактора для автономної роботи установки.

Моніторинг у реальному часі

Відстеження викидів (CO, NOx, SO₂, тверді частинки) і температури з автоматичним коригуванням режиму роботи.

Моделювання та прогноз

Кінетичні та CFD-моделі піролізу для поширених полімерів, що прогнозують вихід і властивості продуктів.

Оптимізація режимів

Планування експерименту та багатокритеріальна оптимізація генетичними алгоритмами: баланс між виходом палива, його якістю та енерговитратами.

Наукові дані за принципами FAIR

База даних експериментів, відкриті формати, програмний доступ, код у відкритому репозиторії, контроль цілісності даних.

Програмний продукт

Комп’ютерна програма інтелектуального керування піролізним процесом з адаптивною оптимізацією параметрів.

Актуальність

Пластик накопичується швидше, ніж його переробляють

415 млн т пластику вироблено у світі у 2023 році	9% пластикових відходів 1950–2015 рр. було перероблено
40,7% рівень переробки пластикового пакування в ЄС у 2022 році	5–7% рівень переробки полімерних відходів в Україні

Захоронення забруднює довкілля сотні років, механічна переробка потребує ретельного сортування й не підходить для змішаних відходів. Піроліз, тобто розкладання полімерів нагріванням без доступу кисню, дає змогу отримати з відходів рідке паливо, близьке за властивостями до дизельного. Проєкт закриває прогалини, які лишаються в існуючих рішеннях:

Піролізні установки залежать від централізованих енергомереж, а живлення індукційного нагріву від сонячних панелей майже не досліджене.
Більшість установок не мають адаптивного керування під тип сировини та умови енергопостачання.
Твердий залишок і гази піролізу часто не утилізуються.
Промислові установки стаціонарні й дорогі, тож недоступні малим громадам.

Мета і завдання

Створити інтелектуальну енергоавтономну систему термохімічної конверсії полімерних відходів у моторне паливо з високочастотним індукційним нагрівом і фотоелектричним живленням.

Проаналізувати вплив синтетичних полімерів на довкілля.
Дослідити кінетику й термодинаміку термічної деструкції різних полімерів.
Розробити методи використання всіх продуктів конверсії за принципами циркулярної економіки.
Визначити екологічні критерії якості рідкого палива з відходів.
Створити систему контролю якості палива з дотриманням екологічних нормативів.
Спроєктувати й виготовити реактор з індукційним нагрівом і цифровим регулюванням.
Розробити систему енергоменеджменту на фотоелектричних модулях.
Створити систему фільтрації та нейтралізації газів.
Провести випробування та визначити оптимальні режими роботи.
Поширити результати серед науковців, громад, екологічних організацій і промисловості.

Як це працює

Від відходів до палива на сонячній енергії

Подрібнені відходи нагріваються в герметичному реакторі без кисню. Пара конденсується в рідке паливо, неконденсований газ очищується, а твердий залишок стає сировиною для сорбентів. Над усім процесом працює шар цифрового керування.

Енергія

Сонячні панелі → Інвертор і контролер заряду ⇄ Акумулятори + Мережа 220 В резерв

Процес

Відходи PE, PP, PS, PET, гума → Індукційний нагрівач високочастотний → Реактор без доступу кисню → Конденсатор

Продукти

Рідке паливо Газ → очищення циклон, адсорбція, каталіз Твердий залишок → сорбенти

Керування

Датчики температура, тиск, склад газу → Контролер ПІД + адаптивні алгоритми → Нагрів, енергобаланс, захист

Індукційний нагрів гріє стінки реактора вихровими струмами, тому прогріває швидше й рівномірніше за газові пальники та резистивні нагрівачі, і не спалює газ.

Прототип

Попередня експериментальна установка

Проєкт спирається на раніше створений прототип: мініреактор з індукційним нагрівом, живленням від сонячної панелі, акумуляторів і мережі та охолоджувачем, у якому конденсується рідке паливо.

Плата керування індукційним нагрівом і терморегулятор.

Установка з акумуляторними батареями.

Мініреактор.	Індукційна котушка навколо реактора.
Охолоджувач-конденсатор.	Рідке паливо з гумових відходів.

План робіт

Чотири етапи дослідження

Екологічні характеристики відходів і процеси термохімічної деструкції. Вплив полімерів на довкілля, кінетика розкладання, шляхи використання всіх продуктів.
Екологічний моніторинг і контроль якості палива. Критерії екологічності, протокол контролю якості, система моніторингу процесу.
Проєктування й виготовлення смарт-системи. Реактор з індукційним нагрівом, енергоживлення від сонячних панелей, очищення газів, випробування.
Поширення результатів. Публікації, конференції, семінари для громад і промисловості, відкриті дані.

Очікувані результати

Що дасть проєкт

Енергоавтономна установка

Функціональний зразок системи переробки з індукційним нагрівом і сонячною генерацією.

Цифрова система керування

Програмне забезпечення з адаптивними алгоритмами під тип сировини.

Платформа моніторингу

Контроль екологічних параметрів у реальному часі з автоматичним коригуванням режиму.

Математичні моделі

Верифіковані моделі піролізу для найпоширеніших полімерів.

База даних полімерів

Класифікація полімерних відходів за впливом на довкілля.

Технологія для залишків

Перетворення твердого залишку піролізу на сорбенти та інші корисні матеріали.

Відкрита наука

Результати у відкритому доступі

Статті в журналах відкритого доступу та препринти.
Набори даних з постійними ідентифікаторами DOI під вільною ліцензією.
Код систем керування та моделей у відкритому репозиторії.
Депонування в інституційному репозиторії ХНУ.
Відкритий онлайн-курс з технологій переробки полімерних відходів і відновлюваної енергетики.

Контакти

Зв’язатися з командою проєкту

Керівник проєкту: Манзюк Едуард Андрійович, manziuk.e@khmnu.edu.ua

Відповідальний виконавець: Мартинюк Валерій Володимирович, martyniukva@khmnu.edu.ua

Хмельницький національний университет, вул. Інститутська, 11, м. Хмельницький, 29016