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.
|
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 наукиІнтелектуальне керування процесом, математичні моделі, оптимізація режимів, моніторинг і робота з науковими даними. |
Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технологіїПромисловий контролер, датчики температури, тиску та складу газу, регулювання нагріву, аварійний захист. |
Відновлювана енергетикаФотоелектрична система, акумулятори, інвертор і баланс між генерацією та споживанням. |
Хімічна технологія та інженеріяКінетика термічної деструкції полімерів, якість палива: густина, в’язкість, фракційний склад, вміст сірки. |
ЕкологіяВплив полімерів на ґрунт, воду й повітря, екологічні критерії для палива та очищення викидів. |
Машини й апарати, матеріалознавствоКонструкція реактора, теплові розрахунки, перетворення твердого залишку на сорбенти. |
Що роблять комп’ютерні науки в проєкті
Цифрова система керуванняПрограмне забезпечення для промислового контролера Siemens SIMATIC S7-1200: ПІД-регулювання температури, адаптивне керування потужністю нагріву, аварійний захист. |
Адаптація до сировиниАлгоритми, що самі коригують температуру, тривалість реакції та інтенсивність нагріву залежно від типу відходів. |
ЕнергоменеджментАлгоритм балансування генерації сонячних панелей, заряду акумуляторів і споживання реактора для автономної роботи установки. |
Моніторинг у реальному часіВідстеження викидів (CO, NOx, SO₂, тверді частинки) і температури з автоматичним коригуванням режиму роботи. |
Моделювання та прогнозКінетичні та CFD-моделі піролізу для поширених полімерів, що прогнозують вихід і властивості продуктів. |
Оптимізація режимівПланування експерименту та багатокритеріальна оптимізація генетичними алгоритмами: баланс між виходом палива, його якістю та енерговитратами. |
Наукові дані за принципами FAIRБаза даних експериментів, відкриті формати, програмний доступ, код у відкритому репозиторії, контроль цілісності даних. |
Програмний продуктКомп’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.
|
||
|
||
|
||
|
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.
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 установкаФункціональний зразок системи переробки з індукційним нагрівом і сонячною генерацією. |
Цифрова система керуванняПрограмне забезпечення з адаптивними алгоритмами під тип сировини. |
Платформа моніторингуКонтроль екологічних параметрів у реальному часі з автоматичним коригуванням режиму. |
Математичні моделіВерифіковані моделі піролізу для найпоширеніших полімерів. |
База даних полімерівКласифікація полімерних відходів за впливом на довкілля. |
Технологія для залишківПеретворення 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