Международный проект Минобрнауки РФ со странами Африки

Номер соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ № 13.2251.21.0336 (№ эл. бюджета 075-15-2026-230) от 28 апреля 2026 г.

Организации исполнители проекта:

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Россия

Университет Витватерсранда, ЮАР

Руководитель российской научной группы: заведующий лабораторией Термодинамики, к.т.н. Александр Козлов

Руководитель южно-африканской научной группы: профессор Юсуф Макарфи Иса.

Индустриальный партнер проекта:

ООО «АРМАДА» осуществляет деятельность в области сбора, утилизации и переработки неопасных и опасных отходов.

Цель проекта:

Разработка новых научно-технологических основ и создание технологии получения модифицированных биоуглей с улучшенными электрохимическими характеристиками из углеродсодержащих отходов (пластики, резина, агроотходы, ТКО) для применения в качестве электродных материалов суперконденсаторов, предназначенных для микроэнергосистем с возобновляемыми источниками энергии.

Задачи проекта:

В ходе выполнения проекта научными коллективами из России и ЮАР будут решены следующие задачи:

2026 год

Россия

1. Провести системный анализ научно-технической литературы и нормативной документации в области термической конверсии углеродсодержащих отходов в углеродные материалы для производства суперконденсаторов. Цель: выявить "белые пятна" и обосновать выбор приоритетных направлений исследований и разработок.
2. Выполнить патентное исследование по ГОСТ 15.011-2022 для определения патентной чистоты будущих разработок и анализа существующих технических решений в области получения биоуглей, их модификации, производства суперконденсаторов и дальнейшего их использования в микроэнергосистемах с ВИЭ. Новизна подхода заключается не в самом поиске, а в фокусировке на выявлении незащищенных областей применения разработанных технологических решений для конкретных видов отходов РФ.
3. Количественно оценить ресурсный потенциал углеродсодержащих отходов РФ, пригодных для вторичной переработки в условиях экономики замкнутого цикла. В отличие от стандартных статистических обзоров, исследование сфокусируется на выявлении видов сырья, наиболее перспективных для получения материалов с высокой добавленной стоимостью (модифицированные биоугли), а не просто для утилизации.
4. Исследовать базовые характеристики биоуглей, полученных традиционным пиролизом (внешний нагрев) из типовых отходов. Решение этой задачи создает реперную (контрольную) точку данных. Анализ результатов позволит количественно оценить недостатки традиционного подхода (низкая скорость, неравномерность прогрева, высокое энергопотребление) для последующего сравнения.
5. Разработать и протестировать лабораторный стенд инновационного способа пиролиза с индукционным нагревом. Новизна заключается в адаптации метода индукционного нагрева (традиционно используемого в металлургии) к процессам термохимической конверсии углеродсодержащих отходов, что позволит реализовать принципиально иной механизм подвода тепла – непосредственно в объем сырья.
6. Установить корреляционные зависимости между типом сырья, режимами индукционного нагрева и свойствами получаемых продуктов (элементный состав, пористость, удельная поверхность). Задача направлена на решение научно-технической проблемы определения оптимальных параметров для получения прекурсоров электродных материалов для суперконденсаторов.
7. Провести сравнительный анализ состава пиролизных газов в зависимости от типа сырья и метода нагрева (традиционный vs индукционный). Это позволит оценить экологические показатели процесса и потенциальную энергетическую ценность газообразных побочных продуктов, что является важным для последующей технико-экономической оценки.
8. Выполнить предварительную технико-экономическую оценку эффективности производства биоуглей традиционным и индукционным методами. Анализ позволит количественно обосновать преимущества нового подхода по критериям "энергозатраты/качество продукта" на ранней стадии исследований.

ЮАР

1. Оценить ресурсный потенциал углеродсодержащих отходов ЮАР для определения локальной сырьевой базы, специфичной для региона (отходы сельского хозяйства, виноделия и пр.). В отличие от РФ, фокус делается на сырье, пригодное для гидротермальной карбонизации (ГТК), что обосновано климатическими и экономическими условиями региона.
2. Исследовать процесс получения биоуглей методом гидротермальной карбонизации (ГТК) из углеродсодержащих отходов ЮАР. Выбор ГТК обоснован его эффективностью для переработки влажного сырья без предварительной сушки (в отличие от пиролиза), что является критическим преимуществом в условиях высокой влажности исходной биомассы.
3. Разработать методы модификации (активации) биоуглей, полученных методом ГТК, с целью улучшения их электрохимических характеристик (емкость, проводимость). Новизна заключается в подборе химических и/или физических методов активации, специфичных именно для гидротермальных углей, структура которых существенно отличается от пиролизных биоуглей.

2027 год

Россия

1. Разработать методы финишной модификации биоуглей (полученных наилучшим способом, выявленным на первом этапе выполнения проекта) для максимизации их электрохимических характеристик. Научная задача: определить механизмы влияния различных допантов и режимов активации на формирование двойного электрического слоя.
2. Изготовить опытные образцы суперконденсаторов на основе модифицированных биоуглей и провести их стендовые испытания (циклирование, импедансная спектроскопия). Сравнение полученных характеристик с коммерческими аналогами и углеродными материалами из традиционного сырья позволит оценить конкурентоспособность разработки.
3. Разработать и верифицировать математическую модель суперконденсатора, учитывающую пористую структуру полученного биоугля. В отличие от стандартных моделей, использующих усредненные параметры, модель будет верифицирована на реальных экспериментальных данных, что повысит точность прогнозирования.
4. Разработать и верифицировать математическую модель работы суперконденсатора в составе микроэнергосистемы с ВИЭ. Модель позволит исследовать режимы "сглаживания пиков" и компенсации стохастичности генерации энергии ветра/солнца.
5. Создать лабораторный стенд "ВИЭ + накопитель" для физического моделирования режимов работы микроэнергосистемы. Стенд позволит перейти от теории (модели) к практике, исследуя реальные динамические процессы.
6. Провести экспериментальные исследования работы суперконденсатора в составе лабораторного стенда при имитации стохастического характера генерации ВИЭ. Задача решает научно-техническую проблему оценки реальной эффективности накопителя в условиях, максимально приближенных к реальным.
7. Оценить экологичность производства пористых углеродных материалов. В отличие от упрощенной экологической оценки, будет проведен комплексный анализ с учетом типа сырья, метода получения и модификации биоуглей.
8. Провести сравнительный анализ технико-экономических показателей микроэнергосистемы при использовании разработанного суперконденсатора и традиционного накопителя (например, проточного). Обоснование выбора: показать преимущества по сроку службы, мощности и экологичности.
9. Сформулировать научно-технические рекомендации по выбору сырья и технологии получения биоуглей, обеспечивающих заданные электрохимические свойства. Составление проекта технического задания на проведение ОКР по теме исследования.
10. Подготовить и подать заявки на результаты интеллектуальной деятельности (РИД). Обоснование охраноспособности: новизна технических решений будет заключаться либо в способе получения (индукционный пиролиз под конкретное сырье), либо в составе материала (модифицированный биоуголь), либо в конструкции устройства на его основе.

ЮАР

1. Провести технико-экономическую оценку эффективности производства биоуглей методом ГТК в условиях ЮАР. Анализ включает сравнение с пиролизом и оценку себестоимости конечного продукта.
2. Изготовить и исследовать опытные образцы суперконденсаторов на основе модифицированных гидротермальных биоуглей. Для этого будут использованы результаты предыдущего этапа, оценивая практическую применимость материалов ЮАР.
3. Провести совместные испытания суперконденсатора (производства ЮАР) в микроэнергосистеме (стенд в РФ). Научная коллаборация: проверка универсальности подхода и влияния сырьевой базы на финальные характеристики устройства в реальных режимах работы.