ИФХЭ РАН

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.

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).

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».