ИФХЭ РАН

Новости Масс-медиа Мы в СМИ Молодые ученые ИФХЭ РАН и МГТУ им. Н.Э. Баумана ищут эффективный путь хранения природного газа в адсорбированном виде для автомобильного применения

Молодые ученые ИФХЭ РАН и МГТУ им. Н.Э. Баумана ищут эффективный путь хранения природного газа в адсорбированном виде для автомобильного применения

12 января 2023 In Мы в СМИ

Ученые лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН совместно с молодыми учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана исследовали влияние содержащихся в природном газе примесей углеводородов C2+ (этан и др.) на адсорбцию метана. Они обнаружили, что, несмотря на снижение количества запасаемого метана, присутствие этана может увеличивать эффективную энергоемкость адсорбционного накопителя. Показано, что при давлении 3.5 МПа и температуре 20 градусов Цельсия теплота сгорания смеси, состоящей из 90% метана и 10% этана, извлеченной из 1 кг адсорбционного накопителя, была в полтора раза больше, чем при извлечении чистого метана из того же адсорбента. Следовательно, при определенных условиях адсорбционный аккумулятор природного газа способен запасать больше энергии, чем при аккумулировании чистого метана. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №20-19-00421).


ПРИРОДНЫЙ ГАЗ КАК ТОПЛИВО

Природный газ — широко распространенное, дешевое и достаточно экологичное топливо, которое в период перехода к водородной энергетике может стать основным энергоносителем. Аварии на газопроводах и, особенно, на «Северном потоке», показали, что необходимо принципиально менять подход к доставке природного газа и его хранению вблизи потребителя. Необходимо найти такую форму хранения природного газа, чтобы исключить взрывоопасную ситуацию даже в случае разгерметизации системы хранения.

Один из перспективных и безопасных способов хранения природного газа — хранение его в адсорбированном виде, т. е. в порах нанопористого адсорбента. Адсорбированные в объеме микропоры молекулы метана находятся на таком расстоянии друг от друга, что их плотность соответствует плотности жидкой фазы метана при комнатных температурах и небольших повышенных давлениях до 70 атм. Все это достигается одним использованием адсорбента — без дорогих и сложных в обслуживании трехступенчатых компрессоров и холодильных установок.

Широкому распространению адсорбированного хранения природного газа препятствуют высокие требования к адсорбенту (его стабильности, однородности, сохранению адсорбционных свойств после многих циклов сорбции-десорбции) и экзотермический характер адсорбции, который приводит к нежелательным тепловым эффектам и увеличивает длительность загрузки газа в адсорбент.


НАКОПЛЕНИЕ ЭТАНА В АДСОРБЕНТЕ СНИЖАЕТ ЕГО ЕМКОСТЬ

Одним из наиболее сильных барьеров на пути адсорбционного хранения природного газа для автомобильного применения является накопление в адсорбенте примесей углеводородов С2+, приводящих к снижению объемов метана, которые адсорбент способен выдать потребителю. Эксперименты показывают, что из-за их накопления в адсорбенте в процессе циклической работы эффективность адсорбента снижается. Например, еще в 2004 году было показано, что после 700 циклов заправки (что соответствует 250 тыс. км пробега для автомобиля) система хранения снизила емкость запасаемого метана на 30%. Это произошло из-за того, что углеводороды C2+ заняли место в порах и препятствовали поглощению метана.

Из-за сложности и трудоемкости эксперимента в научном мире опубликовано сравнительно немного работ, посвященных накоплению углеводородов С2+ в адсорбенте. Однако оценка эффективности адсорбционного накопителя и стабильности его работы при циклической адсорбции-десорбции — важнейшая тема исследований, потому что этот фактор определяет, как долго адсорбционный модуль останется пригоден к практическому использованию. Изучения чистого метана недостаточно; как правило, природный газ содержит примеси из других углеводородов. Поэтому необходимо учитывать его реальный состав. На стабильность адсорбента и его способность удерживать углеводороды С2+ сильно влияет конкретная реализация процессов заправки и выдачи природного газа из систем хранения: проводятся ли они с обогревом при выдаче (терморегулирование) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатически).


ОБОГРЕВ ПРИ ВЫДАЧЕ СПОСОБСТВУЕТ ИЗВЛЕЧЕНИЮ ЭТАНА

ИФХЭ РАН — мировой лидер по созданию технологических решений для хранения и использования адсорбированного природного газа. В ИФХЭ РАН разработаны и запатентованы насыпные адсорбенты (микропористый углеродный адсорбент, активный уголь, металлорганическая каркасная структура, золь-гель, металлорганический гель, композитный микропористый материал или их смеси) и необходимая инфраструктура для использования адсорбированного природного газа (автомобильные баллоны, заправки).

«Идея данной работы связана не с поиском адсорбентов, идеально подходящих для аккумулирования метана, а эффективное использование дешевого и доступного к масштабированию адсорбента за счет оптимизации параметров заправки и выдачи природного газа из системы хранения. Мы проводили эксперименты с дешевым угольным адсорбентом, синтезированным из торфяного сырья», – рассказал руководитель проекта, заместитель заведующего лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Андрей Школин.

Помимо накопления примесей, важным фактором, снижающим ёмкость систем хранения, является резкое изменение температуры системы хранения в процессах заправки и выдачи. Для решения этой задачи были исследованы процессы заправки и выдачи в различных режимах и определено влияние условий заправки на количество запасаемого (или выдаваемого потребителю) газа, в том числе на способность накопления примесей в адсорбенте.

«Мы поставили цель – оптимизировать режимы так, чтобы метан стал безопасным и удобным автомобильным топливом. Для этого разрабатываются системы адсорбционного хранения на борту автомобиля, обладающие повышенной взрывобезопасностью, и безопасные и быстрые (до 5 минут) низкотемпературные заправки метаном, – продолжил Андрей Школин. – Эта работа является одним из элементов большого научно-технического направления, связанным с развитием нового способа хранения и транспортировки природного газа в адсорбированном виде. Инициатором его является компания ПАО «Газпром», а основным исполнителем – лаборатория сорбционных процессов ИФХЭ РАН. Работа имеет большое научно-техническое значение для проектирования принципиально новых заправок для систем адсорбционного хранения и транспортировки природного газа».


По материалам: Andrey V. Shkolin, Evgeny M. Strizhenov , Sergey S. Chugaev , Ilya E. Men’shchikov , Viktoriia V. Gaidamavichute, Alexander E. Grinchenko and Anatoly A. Zherdev. Natural Gas Storage Filled with Peat-Derived Carbon Adsorbent: Influence of Nonisothermal Effects and Ethane Impurities on the Storage Cycle. Nanomaterials 2022, 12, 4066. DOI: 10.3390nano12224066.

Читать 112 times

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

МЫ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

Подписывайтесь на нас и следите за жизнью института.

Поиск

Яндекс.Метрика