Overview of Decarbonization Technologies for Thermal and Electric Energy Production

В статье представлен обзор зарубежных и отечественных технологий декарбонизации тепловой и электрической энергии. За рубежом данные технологии развиваются более прогрессивно. Технологическим лидером по сокращению выбросов углекислого газа являются США. Наиболее перспективное решение в данном направлении – использование кислороднотопливных энергетических установок нового поколения, среди которых реализуется Allam Cycle, а также циклы SCOC–CC, E-MATIANT, NET Power cycle, Graz cycles, CES cycle. Существуют технологии ССUS, которые включают методики по улавливанию углекислого газа, его транспортировке на судне или по трубопроводу, использованию в качестве ресурса для создания ценных продуктов, а также захоронению глубоко под землей в геологических формациях. Из 27 реализуемых в мире проектов CCUS 78 % связаны с методами увеличения нефтеотдачи, а 67 % – проекты с прямым государственным участием или стимулированием. Перспективным направлением по снижению выбросов углекислого газа является использование топливных элементов. Компания Fuel Cell Energy (США) выступает практически монополистом по крупносерийному производству расплав-карбонатных топливных элементов. Их активные разработки идут в Японии, Южной Корее, США. На территории Российской Федерации технологии декарбонизации с полным выводом углекислого газа не реализованы. Политика декарбонизации осуществляется лишь с помощью внедрения процессов улавливания углекислого газа различными материалами. В статье представлена сводная таблица технологий декарбонизации, реализуемых как за рубежом, так и на территории России. Указаны основные преимущества технологий, их недостатки, реализация и пути финансированияThe article presents an overview of foreign and domestic technologies of decarbonization of thermal and electrical energy. These technologies are developing more progressively abroad. The technological leader in reducing carbon dioxide emissions is the United States. The most promising solution in this direction is the use of oxygen-fuel power plants of a new generation, among which Allam Cycle is implemented, as well as SCOC–CC, E-MATIANT, NET Power cycle, Graz cycles, CES cycle. There are SSUS technologies that include technologies for capturing carbon dioxide, transporting it by ship or pipeline, using it as a resource to create valuable products, as well as burial deep underground in geological formations. Of the 27 CCUS projects implemented in the world, 78 % are related to methods of increasing oil recovery, and 67 % are projects with direct state participation or incentives. A promising direction to reduce carbon dioxide emissions is the use of fuel cells. Fuel Cell Energy (USA) is practically a monopolist in the large-scale production of molten carbonate fuel cells. Their active developments are in Japan, South Korea, and the USA. Decarbonization technologies with complete removal of carbon dioxide have not been implemented on the territory of the Russian Federation. The decarbonization policy is carried out only through the introduction of carbon dioxide capture processes by various materials. The article presents a summary table of decarbonization technologies implemented both abroad and in Russia. The main advantages of technologies, their disadvantages, implementation and ways of financing are indicate

Methods of Purification of Gaseous Waste from Petrochemical Industries from Carbon Dioxide for Use in Solid Oxide Fuel Cells

В России разработка технологий по снижению вредных выбросов и парниковых газов в атмосферу соответствует направлению стратегии научно- технологического развития РФ до 2035 года. В рамках данной стратегии запланирован переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Переход на водородное топливо и водородсодержащие газы является огромным шагом на пути к декарбонизации. Наиболее доступным и экономически выгодным решением будет использование водородсодержащих газов нефтеперерабатывающих предприятий. Но перед использованием этих газов необходимо подвергнуть их предварительной очистке от неводородсодержащих ингредиентов и примесей. Анализ литературных источников позволил выделить основные способы очистки: абсорбция, хемосорбция, адсорбция, мембранные методы. Но наибольший интерес представляют адсорбционные методы, которые легче реализовать в промышленном масштабе и которые более экономически обоснованны. Поэтому в работе представлены результаты лабораторных исследований по определению улавливающей способности углекислого газа некоторых адсорбентов: активированный уголь, цеолит, бентонит, силикагель, извести гашеная и негашеная, высокоосновный анионит. Выбор сорбентов был обоснован их различной удельной поверхностью, различной природой происхождения, а также доступностью применения в промышленном масштабе. Эксперимент по улавливанию проводился на лабораторной установке, в адсорбер забивался сорбент и через него пропускался воздушный поток с углекислым газом. Непоглощенный сорбентом углекислый газ поступал в колбу с раствором гидроксида натрия концентрации 0,01 н. По завершении эксперимента у раствора гидроксида натрия определяли щелочность титриметрическим методом. По результатам эксперимента можно сделать вывод, что наибольшей улавливающей способностью по углекислому газу обладают следующие сорбенты: негашеная и гашеная известь, а также пропитанный в растворе гидроксида натрия цеолит. С точки зрения научного интереса можно выделить бентонит, который улавливает углекислый газ почти на 80 %. Остальные исследуемые сорбенты обладают средней улавливающей способностьюIn Russia, the development of technologies to reduce harmful emissions and greenhouse gases into the atmosphere corresponds to the direction of the strategy of scientific and technological development of the Russian Federation until 2035. Within the framework of this strategy, a transition to environmentally friendly and resource-saving energy is planned. Switching to hydrogen fuel and hydrogen-containing gases is a huge step towards decarbonization. The most affordable and cost-effective solution is the use of hydrogen- containing gases of oil refineries. But before using these gases, it is necessary to pre-purify them from non-hydrogen-containing ingredients and impurities. The analysis of literature sources allowed us to identify the main methods of purification: absorption, chemisorption, adsorption, membrane methods. But the most interesting are adsorption methods, which are easier to implement on an industrial scale and are more economically sound. Therefore, the paper presents the results of laboratory studies to determine the carbon dioxide trapping ability of some adsorbents: activated carbon, zeolite, bentonite, silica gel, slaked and quicklime, high-base anionite. The choice of sorbents was justified by their different specific surface area, different nature of origin, as well as the availability of application on an industrial scale. The capture experiment was carried out on a laboratory installation, a sorbent was clogged into the adsorber and an air stream with carbon dioxide was passed through it. Carbon dioxide not absorbed by the sorbent was fed into a flask with a solution of sodium hydroxide concentration of 0.01 n. At the end of the experiment, the alkalinity of the sodium hydroxide solution was determined by the titrimetric method. According to the results of the experiment, it can be concluded that the following sorbents have the greatest carbon dioxide trapping capacity: quicklime and slaked lime, as well as zeolite impregnated in sodium hydroxide solution. From the point of view of scientific interest, bentonite can be distinguished, which captures carbon dioxide by almost 80 %. The remaining sorbents under study have an average trapping capacit

Crystal structure of PMGL2 esterase from the hormone-sensitive lipase family with GCSAG motif around the catalytic serine.

Lipases comprise a large class of hydrolytic enzymes which catalyze the cleavage of the ester bonds in triacylglycerols and find numerous biotechnological applications. Previously, we have cloned the gene coding for a novel esterase PMGL2 from a Siberian permafrost metagenomic DNA library. We have determined the 3D structure of PMGL2 which belongs to the hormone-sensitive lipase (HSL) family and contains a new variant of the active site motif, GCSAG. Similar to many other HSLs, PMGL2 forms dimers in solution and in the crystal. Our results demonstrated that PMGL2 and structurally characterized members of the GTSAG motif subfamily possess a common dimerization interface that significantly differs from that of members of the GDSAG subfamily of known structure. Moreover, PMGL2 had a unique organization of the active site cavity with significantly different topology compared to the other lipolytic enzymes from the HSL family with known structure including the distinct orientation of the active site entrances within the dimer and about four times larger size of the active site cavity. To study the role of the cysteine residue in GCSAG motif of PMGL2, the catalytic properties and structure of its double C173T/C202S mutant were examined and found to be very similar to the wild type protein. The presence of the bound PEG molecule in the active site of the mutant form allowed for precise mapping of the amino acid residues forming the substrate cavity

Structural and Biochemical Characterization of a Cold-Active PMGL3 Esterase with Unusual Oligomeric Structure

The gene coding for a novel cold-active esterase PMGL3 was previously obtained from a Siberian permafrost metagenomic DNA library and expressed in Escherichia coli. We elucidated the 3D structure of the enzyme which belongs to the hormone-sensitive lipase (HSL) family. Similar to other bacterial HSLs, PMGL3 shares a canonical α/β hydrolase fold and is presumably a dimer in solution but, in addition to the dimer, it forms a tetrameric structure in a crystal and upon prolonged incubation at 4 °C. Detailed analysis demonstrated that the crystal tetramer of PMGL3 has a unique architecture compared to other known tetramers of the bacterial HSLs. To study the role of the specific residues comprising the tetramerization interface of PMGL3, several mutant variants were constructed. Size exclusion chromatography (SEC) analysis of D7N, E47Q, and K67A mutants demonstrated that they still contained a portion of tetrameric form after heat treatment, although its amount was significantly lower in D7N and K67A compared to the wild type. Moreover, the D7N and K67A mutants demonstrated a 40 and 60% increase in the half-life at 40 °C in comparison with the wild type protein. Km values of these mutants were similar to that of the wt PMGL3. However, the catalytic constants of the E47Q and K67A mutants were reduced by ~40%