Природный газ обладает перед другими видами ископаемого топлива неоспоримыми преимуществами: дешевизной, экологичностью и технологичностью. Переход на газомоторное топливо значится в числе приоритетных научно-технических направлений развития России. На X Петербургском международном газовом форуме, который прошел с 5 по 9 октября 2021 года в рамках Года науки и технологий, лаборатория сорбционных процессов ИФХЭ РАН представила действующие образцы и макеты, демонстрирующие перспективы и возможности технологии адсорбированного газа.
Lada может ездить на адсорбированном газе
Фото: ИФХЭ РАН
Lada может ездить на адсорбированном газе
Фото: ИФХЭ РАН
Газобусы выходят на линию
Основной компонент природного газа — метан — имеет химическую формулу CH4. Это самый простой углеводород, который обеспечивает чистое сгорание — без соединений серы и азота, без угарного газа и сажи. При этом эффективность сгорания метана не уступает бензиновой. В отличие от нефти природный газ не требует перегонки и готов к использованию сразу после добычи.
Транспортная стратегия России на период до 2030 года (распоряжение №1734-p от 22 ноября 2008 года) требует, чтобы доля автопарка с двигателями на альтернативном (в первую очередь на газомоторном) топливе составила не менее 40%.
В постановлении №767-р от 13 мая 2013 года указано, что в городах с численностью населения более 1 млн человек до 2020 года использование природного газа в качестве моторного топлива на общественном транспорте и транспорте дорожно-коммунальных служб необходимо довести до 50% от общего количества единиц техники.
По Москве сейчас должны ездить не электробусы, а «газобусы».
Транспортировка природного газа
Основное препятствие на пути массового освоения и применения газа во всех областях энергетики — проблемы с его хранением и транспортировкой.
Традиционно газ транспортируется по трубопроводам. Это хорошо наработанная технология, позволяющая транспортировать газ в автономном и непрерывном режиме. Однако прокладка трубопроводов обходится дорого, и рентабельность подобных проектов постоянно снижается: крупные потребители уже подключены, и требуется тянуть газовые трубы во все более отдаленные и труднодоступные районы с небольшим населением.
В таком случае выгоднее транспортировать природный газ в специальных системах хранения.
Сжиженный природный газ
Для транспортировки морским или железнодорожным транспортом газ переводится в сжиженное состояние. В этом случае танкер (или поезд) везет несколько емкостей — «термосов» с очень холодным жидким метаном.
Сжижение газа достаточно энергозатратный процесс. Он требует установки специального оборудования как у производителя, так и у потребителя, что особенно затрудняет газификацию малонаселенных отдаленных районов Российской Федерации. В процессе хранения постоянно происходит испарение газа, что в отсутствие потребления требует либо сброса газа в окружающую среду, либо использования дорогостоящих систем реконденсации паров.
В случае разгерметизации системы хранения сжиженный газ и его пары стелются по земле, проникая в поры и щели. Тогда достаточно одной искры, чтобы произошел пожар. Поэтому системы хранения сжиженного природного газа требуют повышенного контроля и обслуживаются только высококвалифицированным персоналом, имеющим специальную аттестацию.
Компримированный природный газ
Для доставки метана применяются передвижные автомобильные газовые заправщики, в которых газ перевозится в компримированном состоянии, сжатом до 250 атм. Эти системы также обладают рядом недостатков, прежде всего из-за больших затрат энергии на создание высокого давления и сложных трехступенчатых компрессоров. Кроме того, повышается пожаро- и взрывоопасность таких систем при транспортировке.
Получается, что существующие системы аккумулирования и хранения газа в сжатом и сжиженном состоянии не отвечают современным требованиям по энергоэффективности и безопасности.
На газе далеко не уехать
Баллоны со сжатым метаном, установленные на автомобиль, недостаточно емки: в 100-литровый баллон можно «забить» 22–23 кубометра газа. На таком количестве топлива машина может проехать чуть более 200 км.
Из-за сложностей с организацией безопасного хранения метановых заправок в России мало (большая часть газовых заправок — пропан-бутановые, то есть на них используется не природный газ, а продукт высокотемпературной переработки нефти, и о технологичности речи не идет, а дешевизна получается относительная).
К 2024 году Минэнерго планирует ввести в эксплуатацию до 1000 метановых заправок, но пока их около 500, и большей частью — в европейской части России.
Легковой автомобиль на метане далеко не уедет.
Проще автобусам — на их плоской крыше можно разместить несколько 100-литровых баллонов, и дальняя дорога им не помеха. Однако остро встают вопросы безопасности: если при аварии сорвет клапан с баллона или нарушится его герметичность, то произойдет взрыв. В течение нескольких минут огонь уничтожит транспортное средство. Среди пассажиров, вероятно, будут жертвы. В новостях довольно часто сообщается о взрывах баллонов с природным газом при авариях на автотранспорте.
Утечка газа из автомобильного баллона настолько опасна, что автомобилям на газомоторном топливе запрещено въезжать на подземные паркинги.
Адсорбированный природный газ
Мировое научное сообщество совместными усилиями пытается решить проблему хранения и транспортировки природного газа, развивая ряд перспективных подходов, связанных с гидратами, растворами или капсулированием газа. Но наиболее интересным вариантом представляется адсорбированный природный газ.
Идея технологии адсорбированного природного газа заключается в использовании специальных нанопористых адсорбционных материалов (адсорбентов), способных поглощать газ в больших количествах.
Применение пористых материалов и наноматериалов для повышения безопасности является традиционной технологией при хранении ацетилена как одного из наиболее пожаро- и взрывоопасных газов. Аналогичные принципы применимы и для природного газа.
Материал с пористой структурой с размером поры до 12 ангстрем (или 1,2 нанометра (что приблизительно в три-четыре раза больше размера молекулы метана) способен «впитывать в себя» молекулы газа. Адсорбированные в объеме поры три-четыре молекулы метана находятся на таком расстоянии друг от друга, что их плотность соответствует плотности жидкой фазы метана, то есть сотни атмосфер,— и все это без холодильных установок и компрессоров.
Сплошные плюсы
В адсорбционных системах природный газ высокой плотности концентрируется внутри микропор адсорбента.
По сравнению с компримированным (сжатым до высокого давления) природным газом в заполненный адсорбентом баллон можно заправить больше газа при меньших давлениях.
Связанное состояние газа в микропорах делает систему невзрывоопасной. Это позволяет использовать системы хранения на основе адсорбционных технологий в непосредственной близости от потребителя. При разгерметизации системы диффузия в микропорах тормозит выход газа и существенно снижает вероятность взрыва.
Заправка адсорбционных систем аккумулирования метана происходит при пониженных давлениях и не требует трехступенчатых компрессоров и имеющего специальную квалификацию персонала. Заправку можно проводить непосредственно от магистрального трубопровода с давлением более 3 МПа, тогда сжатие газа вообще не требуется.
Технология адсорбированного природного газа реализуется при общепромышленных температурах (от минус 50 до плюс 50 °С), что намного удобнее, чем в случае глубоко охлажденного сжиженного газа.
Работы ИФХЭ РАН по созданию технологии адсорбирования метана
Проанализировав научную литературу и существующие патенты, коллектив специалистов лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН определил условия, которые необходимы для успешного внедрения технологии адсорбционного газа, и приступил к работе по созданию этих условий.
Был выполнен комплекс работ:
— создание математических и компьютерных моделей на микро- (внутри микропор) и макроуровне (система целиком);
— разработка требований к эффективным материалам;
— разработка методик их испытаний;
— проведение масштабных экспериментальных исследований;
— разработка собственных пористых материалов с заданными свойствами под специфичные задачи хранения и транспортировки метана;
— разработка газотопливных систем и мобильных хранилищ (включая низкотемпературные), научных установок для их испытаний и заправки;
— разработка концепций развития систем адсорбированного природного газа в различных отраслях промышленности.
В результате проведенных работ, направленных на развитие фундаментальных основ теории адсорбции газов и синтеза перспективных пористых материалов, были получены прецизионные пористые материалы с заданными свойствами для решения задач хранения и транспортировки природного газа. Это непылящие, прочные и долговечные высокоплотные пористые материалы, отвечающие все требованиям к эффективным адсорбентам метана.
Мобильная адсорбционная система транспортировки газа
По заказу ПАО «Газпром» специалисты лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН разработали, изготовили и успешно испытали мобильный адсорбционный газовый терминал объемом 10 куб. м. с выдачей около 2000 куб. м газа.
Мобильная система не напрасно так называется: место ее заправки не привязано к потребителю. Адсорбционные системы аккумулирования можно заправлять на станциях, расположенных рядом с магистральными трубопроводами (с высоким давлением газа), и потом перевозить на место эксплуатации. Таким образом, можно безопасно и экономично обеспечивать газом отдаленные районы страны.
В результате эксплуатационных испытаний на газораспределительной станции была достигнута емкость в 200 куб. м газа на 1 куб. м системы хранения при давлении 7 МПа и 298 К.
Такие результаты в промышленном масштабе были достигнуты впервые в мире.
Типовые решения ИФХЭ РАН для тиражирования
Решения, разработанные специалистами лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН, подтвердили свою эффективность, однако они все проектировались под существующую инфраструктуру компримированного природного газа, что помешало раскрыть все преимущества технологии адсорбированного природного газа и повсеместно внедрить разработанные решения. Это подтолкнуло специалистов лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН к необходимости создания принципиально новых подходов к инфраструктуре заправки природным газом и системам его хранения.
В рамках этого направления на стендовой базе МГТУ им. Н. Э. Баумана при поддержке Российского научного фонда (Грант №20-19-00421) исследуются тепломассообменные процессы в адсорбционных системах для создания принципиально новых низкотемпературных скоростных заправок систем хранения природным газом. В перспективе будут созданы высокоэффективные и безопасные заправки для природного газа, которые можно будет размещать даже в черте города.
В рамках научно-технического сотрудничества между ИФХЭ РАН и АО ГНЦ «Центр Келдыша» созданы принципиально новые адсорбционные топливные баки для хранения метана в автомобиле. Они представляют собой плоские сосуды, работающие под давлением до 50 атмосфер. Они компактнее круглых баков и оставляют в багажнике больше свободного места. Такая полноразмерная опытная система адсорбированного природного газа установлена в багажном отделении автомобиля «Лада Веста». Два плоских адсорбера способны запасти газомоторное топливо на более 100 км пробега каждый.
От метана к водороду
Технология адсорбирования решает проблемы с транспортировкой и хранением природного газа. Тогда природный газ, с его экологичностью, технологичностью и дешевизной становится самым перспективным топливом завтрашнего дня.
Вернее, сегодняшнего.
Потому что если поставить целью сокращение углеродного следа, то метан окажется намного хуже, чем водород. В процессе сгорания метана образуется СО2. Однако метана много, он дешевле и много безопаснее в хранении и применении.
Метан может стать перспективным автомобильным газовым топливом в нынешний переходный период: от продуктов нефтепереработки — через природный газ метан — к водороду.
2021 год в России объявлен Годом науки и технологий, а месяц октябрь посвящен энергетике будущего.
Новые материалы для адсорбирования природного газа ИФХЭ РАН, несомненно, займут достойное место в этой энергетике.