Адсорбционная технология хранения, транспортировки и использования энергетических газов сегодня рассматривается как перспективная альтернатива методам компримирования или сжижения. Суть заключается в том, что газ (метан или водород) закачивается в пористый материал — адсорбент.
Заправка адсорбционных систем газом происходит при давлении 3–6 МПа в стандартном диапазоне температур, что позволяет избежать необходимости в компрессорах высокого давления (20–25 МПа) и криогенном оборудовании для достижения температур около –162 градусов. В порах адсорбента молекулы газа находятся в связанном состоянии под воздействием дисперсионных сил, что повышает уровень безопасности от пожаров и взрывов.
Разработка адсорбционной технологии для энергетических газов ведется в ИФХЭ РАН на протяжении нескольких лет. Исследования охватывают несколько направлений. Во-первых, осуществляется создание наземных газовых хранилищ, которые заполняются газом в период низкого спроса и опустошаются во время пиковых нагрузок на газовую сеть или при сбоях в подаче газа по основной линии. Также прорабатывается идея создания небольших мобильных систем хранения для автономной газификации, которые могут быть доставлены потребителю, находящемуся в удаленных и труднодоступных местах. Активно реализуются проекты по созданию новых адсорбционных газотопливных систем для газомоторного транспорта. Разработано несколько работающих прототипов, которые прошли различные испытания.
Какие задачи стоят перед учеными, чтобы автомобили, использующие адсорбированный природный газ, начали курсировать по дорогам, «Ъ-Науке» рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН Илья Меньщиков:
— Первый шаг — это выбор адсорбента с оптимальной пористой структурой, способного накопить значительное количество природного газа в заданных условиях эксплуатации автомобиля. Существует множество типов адсорбентов: это материалы на основе углерода, металлорганические каркасные структуры, композиты. Адсорбент должен иметь высокую насыпную плотность, быть устойчивым к химическим, температурным и механическим воздействиям, не поддаваться износу и пылению. Для массового производства ключевое значение имеют доступность и невысокая стоимость сырья. На данный момент наиболее перспективны углеродные сорбционные материалы, и мы активно работаем в этом направлении.
Тем не менее, для эффективного применения АПГ-систем в транспорте недостаточно лишь выбрать адсорбент. Необходимо обеспечить быструю заправку сорбционного аккумулятора газом — в идеале так же быстро, как это делается с жидким топливом. Кроме того, требуется, чтобы пробег на одной заправке был сопоставим с тем, к которому мы привыкли на бензине или дизеле.
Здесь возникают объективные препятствия в виде тепловых эффектов. При заправке адсорбент нагревается, и его емкость снижается. При выдаче газа он охлаждается, в результате чего часть газа остается в порах, что уменьшает запас хода. Таким образом, помимо выбора адсорбента необходимо создать инженерные решения для оптимизации процесса заправки, которые бы снизили негативное влияние тепловых эффектов.
— Получается, что температурой адсорбента нужно управлять?
— Да. Наши исследования показали, что терморегулирование адсорбционной системы может значительно увеличить количество газа, которое система может накопить на этапе заправки, и снизить долю газа, которая остается в порах и не попадает в двигатель.
— Какие инженерные решения были предложены для терморегулирования?
— Охлаждение или нагрев адсорбента в аккумуляторе можно осуществить несколькими способами. Во-первых, можно отводить теплоту от внешних стенок адсорбера или непосредственно от слоя адсорбента внутри при помощи теплообменных аппаратов. Во-вторых, можно заправлять аккумулятор заранее охлажденным газом. Эти подходы можно комбинировать.
— Какие возникают трудности?
— Тепловые эффекты в адсорбционных системах значительно зависят от размеров системы. Поэтому результаты лабораторных экспериментов, проведенных для маленького адсорбера, сложно экстраполировать на более крупные системы. Однако в научной литературе описано сравнительно немного исследований, посвященных крупным аккумуляторам. Наша лаборатория — одна из немногих, занимающихся изучением полноразмерных систем. Мы проводим эксперименты и разрабатываем математические модели для систем объемом до ста литров, что вполне соответствует реальным объектам.
Недавно мы провели исследование циклических процессов заправки/выдачи газа из адсорбционных аккумуляторов объемом 24–150 л при различных скоростях и давлениях, имитируя заправку на реальной газонаполнительной станции и выдачу топлива при эксплуатации автомобиля. В результате были построены математические модели, основанные на методах вычислительной газодинамики, которые с высокой точностью позволяют предсказывать характеристики адсорбционной системы в требуемых условиях эксплуатации, включая применение различных систем терморегулирования.
— Какие результаты вы получили?
— Во-первых, мы выяснили, что установка теплообменных устройств внутри адсорбера гораздо более эффективна по сравнению с отводом или подводом теплоты к внешним стенкам. Интересно, что терморегулирование дает больший эффект при высоких давлениях свыше 10 МПа и средних скоростях заправки, до 100–150 л/мин. При слишком высоких расходах топлива, свыше 300 л/мин, выгоднее заправлять баки уже охлажденным газом в циркуляционном проточном режиме.
Затем нам удалось определить наиболее эффективные конфигурации теплообменных устройств с отдельным контуром теплоносителя. Оптимальной является конструкция внутреннего теплообменника с продольными ребрами. Она снижает время заправки до полной емкости почти в восемь раз по сравнению с АПГ без терморегулирования.
Выяснилось, что предпочтительнее использовать адсорберы большого объема, так как терморегулирование эффективнее работает в крупных системах и приводит к большему увеличению пробега автомобиля на одной заправке.
В общем, необходимо находить оптимальное соотношение между скоростью заправки и адсорбционной емкостью. Существует некоторая оптимум, зависящий от конкретных условий: в одних случаях заправить автомобиль нужно как можно быстрее, в других — важнее заправить как можно больше метана.
— Чтобы система полностью отдала газ, адсорбер нужно нагревать?
— В целом да. Терморегулируемый нагрев в большинстве случаев приводит к положительным результатам, однако в отдельных случаях могут возникнуть нежелательные последствия. Например, возможно значительное повышение давления в системе, но на практике можно ограничить нагрев при превышении определенного порогового давления. Кроме того, если адсорбер помещается в ограниченном пространстве, например, в багажнике автомобиля, рядом с другими предметами, они могут пострадать от повышения температуры.
В то же время чрезмерное охлаждение адсорбера до отрицательных температур может привести к образованию конденсата на его стенках и обледенению, что также следует учитывать.
— Есть ли еще какие-то уникальные особенности ваших систем?
— Да, есть. Мы провели измерения адсорбционно-стимулированной деформации адсорбента, используемого в наших системах. Результаты показали, что в условиях циклической работы АПГ-систем в реальных условиях объем адсорбента может изменяться в пределах 2%.
— 2% — это не так уж много.
— Казалось бы, это незначительно, но для адсорбера объемом 150 л это почти 3 литра.
Адсорбционно-стимулированная деформация сильно зависит от температуры. Например, при отрицательных температурах и низком заполнении пор адсорбент сжимается, то есть его объем уменьшается. По мере заполнения пор молекулами газа сжатие постепенно сменяется расширением, что приводит к увеличению объема сорбента.
При более высоких температурах адсорбент только расширяется. При определённых температурах мы наблюдали резкое начальное расширение адсорбента. Адсорбционно-стимулированную деформацию обязательно нужно учитывать при разработке конструкций адсорбера и режимов его эксплуатации.
— Как вы можете охарактеризовать текущий этап ваших исследований?
— На данный момент мы достигли значительных результатов в том, как обеспечить максимальный пробег автомобиля на одной заправке. Через принудительное терморегулирование можно как увеличить адсорбционную емкость пористого материала при заправке, так и достичь более полного освобождения адсорбента при выдаче, чтобы газ не задерживался в порах и обеспечивал максимально стабильную работу двигателя. Мы опубликовали цикл статей по данной теме и получили патенты. Эти проблемы также исследуются в нашей лаборатории при поддержке Российского научного фонда (24-79-00135).
Одновременно проводятся испытания легкового автомобиля, оборудованного нашими системами, у потенциального промышленного партнера, заинтересованного в переводе своего транспортного парка на газомоторное топливо. Возможно, это станет первым шагом к коммерческому использованию адсорбированного природного газа: на корпоративном транспорте, который работает по расписанию, можно реализовать наиболее экономически эффективные решения.
Фото: hi-tech.mail.ru