Термо‑экологико‑экономический анализ и многокритериальная оптимизация с помощью оптимизатора «серых волков» для тригенерационной установки на биомассе, вырабатывающей электроэнергию, водород и опресненную воду

Превращение отходов в энергию, топливо и пресную воду

Обеспечение достаточного количества электроэнергии и чистой воды без перегрева планеты — одна из самых сложных задач этого века. В этом исследовании рассматривается многообещающий подход, позволяющий одновременно решать несколько проблем: повседневные отходы превращаются в электроэнергию, низкоуглеродное водородное топливо и питьевую воду в рамках одного тесно интегрированного комплекса. За счёт максимального извлечения полезной работы из каждой единицы биомассы конструкция ставит целью снизить затраты, сократить выбросы парниковых газов и эффективнее использовать ресурсы, с которыми уже сталкиваются многие города.

Одно топливо — три ценных продукта

Ядром предложенной системы является газовая турбина, питаемая газом, полученным из отходов биомассы, например бытовых твердых отходов. Вместо прямого сжигания этот материал сначала проходит газификацию и превращается в смесь газов, способную эффективно приводить в действие современную турбину. Эта турбина выступает в роли «верхнего двигателя» в каскаде: она вырабатывает электроэнергию, но её горячие выхлопы далеко не бесполезны. Авторы направляют это тепло через три связанные подсистемы, каждая из которых рассчитана на свой температурный уровень, так что практически вся используемая энергия в выхлопах захватывается до того, как она окончательно отводится в окружающую среду.

Как тепло превращается в водород и пресную воду

Самая горячая часть выхлопов сначала питает ванадий‑хлоридный цикл разложения воды, который производит водород без использования больших объёмов электроэнергии. В этом цикле вода разлагается на водород и кислород через ряд химических реакций, главным образом приводимых в действие теплом. По мере остывания выхлопов оставшаяся энергия питает органический цикл Ренкина — своего рода вторичный паровой двигатель, использующий органическую жидкость для вращения небольшой турбины и выработки дополнительной электроэнергии. Наконец, тепло самой низкой температуры приводит в действие установку увлажнения–обезвоживания, имитирующую природный круговорот воды: тёплый влажный воздух забирает воду из подогретой морской воды, а затем охлаждается, в результате чего конденсируется пресная вода, оставляя соль позади.

Совместная оценка эффективности, стоимости и выбросов

Проектирование такой установки требует балансирования нескольких конкурирующих целей. Более высокие температуры и давления могут повысить КПД, но они также влияют на количество тепла, остающегося для производства водорода и воды, и могут увеличить стоимость оборудования. Чтобы разобраться в этих компромиссах, авторы создали детальную компьютерную модель каждого основного компонента и проверили её прогнозы на лабораторных и пилотных данных из предыдущих исследований. Затем они обучили искусственную нейронную сеть в качестве быстрого аналога полной модели, что позволило поисковому алгоритму «серых волков» исследовать тысячи комбинаций проектных решений. Метод принятия решений TOPSIS использовали для выбора одной сбалансированной рабочей точки из множества математически «лучших» решений.

Что может дать оптимизированная установка

В выбранной рабочей точке установка преобразует примерно половину полезной энергии биомассы в суммарный выход электроэнергии, водорода и пресной воды — заметное улучшение по сравнению с базовым дизайном без продвинутой настройки. При этом удельная стоимость полезного продукта падает чуть более чем на шесть процентов, а выбросы углекислого газа на единицу энергии снижаются более чем на двенадцать процентов. В исследовании показано, как ключевые параметры — такие как отношение давлений турбины, температура газификации и давление во вторичном энергетическом цикле — смещают баланс между большей выработкой электроэнергии, большей долей водорода или большей долей воды, давая планировщикам рычаги для адаптации установки к местным потребностям и запасам топлива.

Почему эта концепция важна

Для неспециалистов главный вывод в том, что тщательное системное проектирование может превратить отходы в три ценных продукта, одновременно сокращая выбросы и затраты. Вместо опоры на энергоёмкие устройства, такие как традиционный электролиз для водорода или обратный осмос для опреснения, эта установка использует одно и то же топливо и его утилизируемое тепло многократно. Хотя работа основана на моделировании, а не на полномасштабной демонстрации, она указывает ясный путь к более чистым электростанциям, которые также обеспечивают зелёный водород и пресную воду, особенно в регионах с обильной биомассой и растущим спросом на энергию и воду.

Цитирование: Hadj Lajimi, R., Kriaa, K., Alsayah, A.M. et al. Thermo-environ-economic analysis and multi-criteria optimization with grey wolf optimizer for a biomass-fueled power, hydrogen, and desalinated water tri-generation plant. Sci Rep 16, 13712 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44289-8

Ключевые слова: энергия биомассы, зелёный водород, опреснение, восстановление тепла, многофункциональные системы