Температура под контролем
Принудительное терморегулирование позволяет решать проблему медленной заправки
Адсорбционная технология хранения, транспортировки и использования энергетических газов сегодня рассматривается в качестве перспективной альтернативы технологиям компримирования или сжижения. Суть ее состоит в том, что газ (метан или водород) закачивается в пористый материал — адсорбент.
Илья Меньщиков
Фото: Росконгресс
Илья Меньщиков
Фото: Росконгресс
Заправка адсорбционных систем газом осуществляется при давлении 3–6 МПа в общепромышленном интервале температур, в связи с чем не требуются ни компрессоры высокого давления (20–25 МПа), ни криогенное оборудование для создания температур на уровне –162 градуса. В порах адсорбента молекулы газа находятся с связанном состоянии в поле дисперсионных сил, что обеспечивает большую пожаро- и взрывобезопасность.
Работы по развитию адсорбционной технологии для энергетических газов ведутся в ИФХЭ РАН несколько лет. Исследования проходят сразу в нескольких направлениях. Во-первых, это создание наземных газовых хранилищ, которые заполняются газом в период низкого спроса и опорожняются во время пиковых нагрузок на газовую сеть или при нарушении подачи газа по основной линии. Также рассматривается создание небольших мобильных систем хранения для автономной газификации, которые могут доставляться потребителю, находящемуся в удаленных и труднодоступных местах. Активно ведутся работы над проектом по созданию новых адсорбционных газотопливных систем для газомоторного транспорта. Создано несколько действующих прототипов, прошедших различные испытания.
Какие задачи приходится решать ученым, чтобы автомобили, использующие адсорбированный природный газ, начали ездить 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 запасти значительное количество природного газа в заданных условиях эксплуатации автомобиля. Типов адсорбентов много: это материалы на основе углеродных адсорбентов, металлорганические каркасные структуры, композиты. Адсорбент должен обладать высокой насыпной плотностью, быть устойчивым к химическому, температурному и механическому воздействию, не истираться, не пылить. Для массового производства очень большое значение имеют доступность и низкая стоимость сырья. Сейчас наиболее перспективны углеродные сорбционные материалы, и мы активно работаем в этом направлении.
Однако для эффективного использования АПГ-систем на транспорте недостаточно только подобрать адсорбент. Нужно обеспечить быструю заправку сорбционного аккумулятора газом — в идеале так же быстро, как автомобиль заправляется жидким топливом. И еще нужно, чтобы пробег на одной заправке был сравним с тем, к которому мы привыкли на бензине или дизеле.
И здесь появляются объективные препятствия в виде тепловых эффектов. При заправке адсорбент разогревается, и его емкость падает. При выдаче газа он охлаждается. Из-за этого часть газа остается в порах, что снижает запас хода. Таким образом, помимо выбора адсорбента нужно создать инженерные решения для оптимизации процесса заправки, которые снизили бы негативное действие тепловых эффектов.
— Получается, что температурой адсорбента нужно управлять?
— Да. Наши исследования показали, что терморегулирование адсорбционной системы может существенно увеличить количество запасаемого системой газа на этапе заправки и снизить долю газа, которая остается в порах и не попадает в двигатель.
— Какие были предложены инженерные решения для терморегулирования?
— Охлаждение или нагрев адсорбента в аккумуляторе можно осуществить несколькими методами. 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 сложности?
— Тепловые эффекты в адсорбционных системах очень сильно зависят от размера системы. Поэтому результаты лабораторных экспериментов, проведенных для маленького адсорбера, очень трудно экстраполировать на большие системы. Однако в научной литературе описано сравнительно немного исследований, в которых рассматриваются крупные аккумуляторы. Наша лаборатория — одна из немногих, кто занимается изучением полноразмерных систем. Мы проводим эксперименты и разрабатываем математические модели для систем объемом до сотни 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. После этого были построены математические модели, основанные на методах вычислительной газодинамики, которые с высокой точностью позволяют предсказывать характеристики адсорбционной системы в требуемых условиях эксплуатации, в том числе с применением 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.
Оказалось, что выгоднее использовать адсорберы большого объема, потому что терморегулирование эффективнее работает в больших системах и приводит к большему увеличению пробега автомобиля на одной заправке.
В целом нужно искать оптимальное соотношение между скоростью заправки и адсорбционной емкостью. Существует некий оптимум, зависящий от конкретных условий: в каких-то случаях заправить автомобиль нужно как можно быстрее, в других — важнее заправить как можно больше метана.
— Чтобы система отдавала весь газ, адсорбер нужно нагревать?
— В целом да. Терморегулируемый нагрев в большинстве случаев приводит к положительным эффектам, однако в отдельных случаях возможны негативные последствия. Например, может сильно повыситься давление в системе, но на практике можно ограничить нагрев при превышении определенного порогового давления. Кроме того, если адсорбер размещается в ограниченном пространстве, в багажнике автомобиля, по соседству с другими предметами, они теоретически могут пострадать от повышения температуры.
В то же время излишнее охлаждение адсорбера до отрицательных температур может привести к выпадению на его стенках конденсата и обледенению, что также надо учитывать.
— А есть ли еще какие-то уникальные особенности у ваших систем?
— Да, есть. Мы провели измерения адсорбционно-стимулированной деформации адсорбента, применяемого в наших системах. Результаты показали, что в условиях циклической работы АПГ-систем в реальных условиях объем адсорбента может меняться в пределах 2%.
— 2% — не так уж много.
— Казалось бы, это не так уж и много, но для адсорбера объемом 150 л добавляются почти 3 л объема.
Адсорбционно-стимулированная деформация сильно зависит от температуры. Например, при отрицательных температурах и при малом заполнении пор адсорбент сжимается, то есть его объем уменьшается. По мере заполнения пор молекулами газа сжатие постепенно сменяется расширением, приводящим к увеличению объема сорбента.
При более высоких температурах адсорбент только расширяется. При некоторых температурах мы наблюдали первоначальное резкое расширение адсорбента. Адсорбционно-стимулированную деформацию обязательно нужно учитывать при разработке конструкций адсорбера и режимов его эксплуатации.
— Как вы можете охарактеризовать этап, на котором находятся ваши исследования в настоящий момент?
— В настоящий момент мы получили значимые результаты о том, как обеспечить максимальный пробег автомобиля на одной заправке. Через принудительное терморегулирование можно как увеличить адсорбционную емкость пористого материала при заправке, так и при выдаче добиться более полного освобождения адсорбента, чтобы газ не задержался в порах и обеспечил максимально стабильную работу двигателя. Нами опубликован цикл статей по данной теме, получены патенты. Эти проблемы в нашей лаборатории в том числе изучаются при поддержке Российского научного фонда (24-79-00135).
Одновременно ведутся испытания легкового автомобиля, оборудованного нашими системами, у потенциального промышленного партнера, который заинтересован в переводе своего транспортного парка на газомоторное топливо. Возможно, это и будет первым шагом к коммерческому использованию адсорбированного природного газа: на корпоративном транспорте, который работает по графику, можно реализовать наиболее экономически эффективные решения.