ТОЛЕУХАНОВ АМАНКЕЛДЫ ЕЛЕШЕВИЧ

ТОЛЕУХАНОВ АМАНКЕЛДЫ ЕЛЕШЕВИЧ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ
САМООРГАНИЗАЦИИ В ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩАХ ВОДОРОДА
АННОТАЦИЯ
диссертации Толеуханова А.Е. на соискание ученой степени доктора
философии (PhD) по специальности 6D060300 – Механика
Актуальность темы диссертационного исследования: На сегодняшний
день одной из острых проблем современной мировой энергетики является
накопление и аккумулирование полученного большого объема избыточной
энергии. Одним из наиболее перспективных решений проблемы
аккумулирования большого объема энергии считается, так называемая,
водородная энергетика, в которой в качестве подходящих материалов для
аккумуляции больших объемов энергии используется водород. Главным
достоинством водорода как топлива является то, что его удельная теплота
сгорания в два с половиной раз выше, чем у углеводородного топлива, а при
сгорании образуется экологически чистый продукт – пары воды. Таким
образом, избыток вырабатываемой энергии на больших электростанциях можно
использовать для получения водорода из воды.
В целом, производство водорода и его распределение уже не представляет
серьезных технических проблем. Однако, при производстве водорода в
большом возникает проблема его надежного хранения. Одним из самых
эффективных и недорогих способов хранения большого объема водорода
является его закачка в геологические формации, такие как водоносные пласты,
объеме истощенные газовые месторождения или соляные каверны.
В течение последнего десятилетия было установлено, что поведение
водорода при подземном хранении радикально отличается от поведения
природного газа и углекислого газа, прежде всего тем, что при подземном
хранении водорода (ПХВ) происходят существенные изменения начального
состава водородно-углеводородной смеси. Видимо, это происходит благодаря
бактериям, присутствующим в пласте и поглощающим протоны водорода в
качестве источника энергии, так как объяснение данного явления химическими
превращениями при существующих температурах не удается.
В мире имеется несколько подземных хранилищ водорода в
Великобритании, США, России, Германии, Чехии, Аргентине и во Франции. В
подземных хранилищах Лободич в Чехии и Бейнес во Франции наблюдениями
было выявлено необычное поведение газа: анализ проб газа, взятых из скважин,
показал, что исходный состав хранимого газа со временем претерпевал
существенные изменения.
Объяснение этих изменений лежит в химической реакции между
водородом и углекислым газом, в результате которой образуется метан и вода.
Протекание этой реакции в условиях пласта, где температура не превышает 5070 градусов по Цельсию, может быть осуществлена только при участии
метаногенных бактерий, популяции которых были обнаружены в изъятых
пробах образцов пород.
Экспериментальная лабораторная проверка подтвердила, что указанная
реакция метаногенеза протекает очень интенсивно в пластовых условиях в
присутствии вышеуказанных бактерий.
Площадные замеры показали, что в Лободиче наблюдались и иные
эффекты, такие как образование локальных зон, перенасыщенных водородом
(до 80%) и метаном, которые не оставались неподвижными, а плавали по
площади. В свою очередь, эти эффекты являются проявлением
самоорганизации, типичной для динамических систем, и выражающихся в
появлении пространственных и временных автоволн.
Таким образом, подземное хранилище водорода ведет себя, как
естественный природный химический реактор, который со временем
существенно изменяет состав хранимого газа. Поглощение компонентов газа
бактериями приводит, в свою очередь, к интенсивному росту их популяции и
повышению химической активности. Эта химическая активность, вызываемая
деятельностью бактерий, а также течение газа и воды в пласте являются
причинами пробуждения процесса самоорганизации таких, как появление
автоволновых пространственных структур, динамика которых характеризуется
множеством различных сценариев, в том числе, возникновение хаоса и переход
с одного сценария на другой.
Наблюдаемые эффекты можно анализировать только после проведения
физико-химического и математического моделирования всех возможных
вариантов поведения водорода подземного хранения.
Отсутствие теоретических основ, гидродинамических и физикохимических моделей процессов самоорганизации водорода в подземных
хранилищах является предпосылкой к написанию данной диссертации.
Целью настоящей диссертационной работы является проведение
физико-химического и гидродинамического исследований воздействия
метаногенных бактерий на процессы самоорганизации водорода в подземных
хранилищах с учетом хемотаксиса бактерий, растворения компонент газа в
воде, химических реакций и биореакций, динамики популяции бактерий.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи исследования
- разработка математической модели двухфазного течения с учетом
хемотаксиса бактерий и оценка его параметров,
- разработка математической модели нелинейной кинетики роста и гибели
популяции метаногенных бактерий в пластовых условиях,
- вывод общей гидродинамической и физико-химической модели динамики
газа и бактерий с учетом хемотаксиса в пористой среде,
- аналитический и численный анализы влияния хемотаксиса бактерий на
развитие сценариев самоорганизации водорода в подземном хранилище.
Объектом исследования является процесс хранения водорода в
подземном водоносном пласте.
Предметом исследования являются воздействия метаногенных бактерий
на процессы самоорганизации водорода в подземных хранилищах.
Методы исследования. В диссертации используются методы теории
динамических систем, качественной теории дифференциальных уравнений,
теории двухфазных многокомпонентных течений в пористой среде с
химическими реакциями, конечно-разностные методы.
Научная новизна исследования:
- построена модель хемотаксиса бактерий в двухфазной системе вода – газ;
- построена модель кинетики нелинейного роста и гибели популяции
метаногенных бактерий в пластовых условиях;
- разработана общая трехмерная математическая модель двухфазного
многокомпонентного течения (газ – вода) в пористой среде с учетом влияния
биореакций и динамики роста (и гибели) популяции бактерий;
- проведены аналитические и численные исследования влияния хемотаксиса
на развитие сценариев самоорганизации в подземных хранилищах водорода.
Теоретическая и практическая значимость результатов. Ожидается,
что результаты диссертации приведут к развитию нового научного направления
– многофазный биохимический перенос и самоорганизация в пористых средах.
Это направление является гибридом теории многофазных композиционных
течений, развитой, прежде всего, благодаря трудам, посвященных нефтяной
тематике и гидрогеологии, физической химии и микробиологии, теории
динамических систем и диссипативных структур, развитых на стыке
неравновесной термодинамики и качественной теории дифференциальных
уравнений.
Помимо этого развитие моделей динамики популяций будет являться
общенаучным результатом, который можно будет применять во многих
областях науки, а не только в гидрологии и энергетике.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа написана в
виде рукописи на русском языке и состоит из введения, четырех разделов,
заключения, списка использованных источников 49 работ. Работа изложена на
75 страницах, содержит 25 иллюстраций, 2 таблицы.