ИФХЭ РАН

На форуме были представлены новые разработки в области добычи, транспортировки и применения природного газа в химической промышленности, энергетике, системе обеспечения населения теплом и энергией, а также в новой области – использовании природного газа в качестве топлива, в частности для автомобилей.

ИФХЭ РАН продемонстрировал образцы адсорбентов и автомобиль Лада Веста с гибридным двигателем, который, помимо бензина, может работать на адсорбированном природном газе. ИФХЭ РАН активно развивает технологию АПГ в автомобилестроении в течение последних 10 лет при поддержке ПАО «Газпром». Гибридный автомобиль в настоящее время проходит испытания совместно с промышленным партнером – ООО «АТС-АВТО» (г. Тольятти).

На форуме было подписано пятистороннее соглашение о сотрудничестве между компаниями «Газпром газомоторное топливо», «Газпром газомоторные системы», «АТС-АВТО», ГК «Самара Авто» и ИФХЭ РАН.

— Анатолий Алексеевич, что лаборатория сорбционных процессов показала на газовом форуме?

— Основной экспонат, который лаборатория сорбционных процессов ИФХЭ РАН представляла на стенде ПАО «Газпром» – это опытный образец автомобиля Лада Веста, который, помимо бензина, может использовать адсорбированный природный газ метан. Использование природного газа для автотранспорта означает переход от традиционных нефтяных продуктов, то есть бензина, дизельного топлива, пропан-бутановой смеси, на более дешевый, экологичный, с меньшим углеродным следом, природный газ метан.

Адсорбционная технология позволяет работать при меньших давлениях, чем принято использовать для сжатия газа. Метан, находящийся в адсорбированном состоянии, связан в порах. Если баллоны со сжатым газом заполняются до 200 атмосфер, то благодаря адсорбционной технологии удаётся поместить в адсорбер такое же количество газа при давлении 70-80 атмосфер. Это значительно удешевляет оснащение и обслуживание автозаправочных станций и повышает безопасность использования автомобиля. Безопасность – важный момент, который определяет успех использования газа на автомобильном транспорте. Люди очень боятся, что газ может взорваться. Адсорбционная система не может взорваться, потому что 90-95 % метана находится в порах. Поры эти блокируют быстрый подвод кислорода и не позволяют метану быстро выйти наружу. Кроме того, при десорбции снижается давление в адсорбенте, понижается температура, и десорбция тормозится. Газ покидает адсорбент медленнее. Поэтому эффект от разгерметизации совершенно ничтожный, и взрыв не может произойти. В нашем случае сама физика явления препятствует возникновению взрыва. Безопасность – одно из ключевых преимуществ адсорбционной технологии по сравнению с технологиями сжатого или сжиженного газа.

— Давно ведутся эти разработки?

— Разработки в этом направлении ведутся в нашем институте ещё со времён Советского Союза. Министром химической промышленности тогда был Леонид Аркадьевич Костандов. Он инициировал разработки по переводу автомобилей на природный газ. Работы лаборатории в разное время поддерживались различными программами и проектами: был проект Московского комитета по науке и технике, потом Министерства промышленности и торговли, но самый крупный вклад внёс «Газпром». Восемь лет назад мы заключили договор с «Газпромом» на разработку технологий для применения адсорбированного метана на транспорте и для транспортировки природного газа в адсорбированном состоянии в отдельных блочных терминалах.

На форуме, помимо газомоторного направления, мы продемонстрировали образцы углеродных адсорбентов, которые можно использовать при создании наземных адсорбционных газовых хранилищ для предприятий и удалённых потребителей. Это новое важное направление. Правительство РФ поставило задачу: газифицировать самые отдалённые посёлки и дома. Решения, которые предлагаем мы, как раз и обеспечивают наиболее благоприятные условия для того, чтобы газ подводился буквально до участков, где расположены дома.

Адсорбционные газовые терминалы можно устанавливать в самых отдалённых районах, тем самым обеспечивая газом население без прокладки трубопровода, – очень затратной работы, которая не всегда реализуема. Нами разработан мобильный терминал, который можно заправить газом, погрузить на платформу и перевезти в другое место.

Адсорбционное хранилище не требует подвода тепла. Газ в нём может храниться очень долго. Срок службы у адсорбента тоже практически неограничен. Мы проводили испытания по сорбции-десорции при давлении до 200 атмосфер. После 10 тысяч циклов адсорбент не потерял своих свойств. И самое главное – компрессор тоже не нужен. Самотёком метан выходит из системы хранения и подается потребителям.

Сейчас есть много предложений по установке у потребителей систем сжиженного природного газа. Но жидкий газ постоянно испаряется, поэтому всегда предусмотрены накопительные ёмкости, куда этот газ поступает. Эти ёмкости тоже не безграничны, поэтому до определённого давления происходит накопление, но потом всё-таки идет сброс газа в атмосферу. Иногда получается так: например, семья уехала в отпуск, вернулась – а баки пустые. Мы предложили сделать адсорбционные блоки, которые интегрируются с криогенным сосудом. Адсорбент аккумулирует всё, что испарилось. Когда потребитель возвращается, он пользуется газом, накопленным в адсорбенте.

Ещё одна разработка, которая сейчас обсуждается с ПАО «Газпром», – это снабжение газом отдельных предприятий, у которых в течение года загрузка меняется в зависимости от сезона. 

— Трубу нельзя подвести к заводу?

— Труба была подведена, но расчёты были сделаны по усреднённому за год режиму. На самом деле основную энергию нужно подать в течение трёх месяцев, и по узкой трубе это сделать не удается. Поэтому можно установить дополнительное газовое хранилище, которое летом будет неспешно накапливать газ, используя имеющийся газопровод. Газ будет аккумулироваться при относительно низких давлениях, и это будет более щадящий режим хранения, потому что в адсорбированном состоянии метан хранится при давлениях примерно в 2-3 раза меньших, чем в сжатом. Таким образом, мы запасём газ на тот период, когда его требуется много. При наличии дополнительной энергии производство сахара на заводе увеличивается примерно в два раза. Это хороший рост производительности. Таких заводов в нашей стране около сотни.

— Расскажите, пожалуйста, про автомобиль.

— Автомобиль проделал самостоятельно весь путь от Тольятти до Санкт-Петербурга. В нём установлен гибридный двигатель – имеется бензобак, а для адсорбированного газа в багажнике установлены два плоских адсорбера. После форума Лада Веста снова отправилась на испытания к нашему промышленному партнеру. Процесс испытаний достаточно сложен и многогранен. Мы продолжаем её совершенствовать.

Например, более низкие рабочие давления позволяют применять баллоны не только с круглым сечением, а любой формы, в том числе выполненные по форме внутреннего пространства автомобиля. Обратите внимание: бензобак у любой машины имеет замысловатый вид. Это не просто ёмкость, а ёмкость, вписанная в ту часть автомобиля, где она находится. Меньшие давления означают меньшие требования к прочности, а меньшие требования к прочности позволяют вместо стали использовать алюминий. В настоящее время мы конструируем алюминиевые баки по форме автомобиля.

— Один и тот же двигатель работает на бензине и на газе?

— Двигатель один и тот же, но для оптимизации двигателя у нас в инициативном порядке идут работы с Бауманским университетом, с их факультетом двигателестроения. Предыдущие испытания мы проводили на другой машине – на «Газели».

— А вес адсорбера имеет значение?

— Вес стального адсорбера достаточно большой, к нему добавляется и вес адсорбента. Адсорбент вдвое легче воды, но он тоже имеет вес. Чем больший вес загружается в автомобиль, тем меньше у него будет пробег. Более легкий алюминиевый бак будет большим преимуществом. По предварительным оценкам, алюминиевый бак емкостью 120 л может обеспечить до 350 км пробега. Есть отрасли, где вес бака с топливом не имеет значения, например, на железной дороге или в судоходстве, и там могут быть успешно применены адсорбционные технологии. Растворимость метана в воде ничтожна, поэтому загрязнения воды в случае разгерметизации и протечек не будет. Кроме того, эксплуатационные расходы на обслуживание судовых двигателей снизятся, потому что двигатели будут работать в мягких условиях. При сгорании дизельного топлива или бензина в двигателе не все топливо сгорает полностью, и выбрасывается значительное количество сажи и полупродуктов, не сгоревших углеводородов. Все эти вещества могут осаждаться на внутренней поверхности двигателя и ухудшать его работу. У газового топлива эти проблемы отсутствуют. Для речного транспорта выгода очевидна.

— Какие ещё есть возможности у лаборатории по промышленному внедрению адсорбентов?

— Мы помогаем многим предприятиям решать проблемы, связанные с адсорбентами. Например, во многих технологических процессах использовались зарубежные адсорбенты, которые в настоящее время недоступны. То, что поставляют китайские производители, часто не соответствует заявленным требованиям. Некоторые заказчики столкнулись с тем, что через несколько месяцев производительность адсорбента, при заявленном сроке службы 3 года, упала в два раза. На таком адсорбенте работать невозможно, и заказчики обращаются в Академию наук, к нам, чтобы мы разобрались в причинах и предложили решение.

В нашей лаборатории собрана коллекция адсорбентов. Все образцы мы описали в соответствии с разработанной нами схемой и можем, зная целевые свойства, подбирать аналоги. Также у нас есть экспериментальное оборудование для измерения объема пор, анализа структуры адсорбентов, измерения адсорбционно-стимулированной деформации, термогравиметрии и т. д. Некоторые приборы работают еще со времен основателя лаборатории академика М.М. Дубинина, другие мы приобрели позже, а есть оригинальное оборудование, разработанное в лаборатории. Мы можем провести эксперименты, сравнить результаты с тем, что имеется в базе, построить теоретическую и численную модели. В нашей лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН мы знаем об адсорбентах очень много.

Сегодняшние исследования, которые ведутся в лаборатории, по созданию новых типов адсорбентов с улучшенными характеристиками, способных удерживать больше газа и быстрее восстанавливать свои свойства после десорбции, представляют собой значительный скачок в области материаловедения. Учёные стремятся изобрести адсорбенты, обладающие не только высокой ёмкостью по отношению к различным газовым веществам, но и способные адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Это позволит значительно увеличить эффективность как автотранспортных средств на природном газе, так и стационарных решений для хранения газа. Важно отметить, что применение природного газа в виде адсорбента не только сокращает углеродный след, но и способствует снижению зависимости от бензиновых и дизельных источников энергии. Это шаг к более устойчивой и экологически чистой транспортной системе.

Интервьюер: Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН

Материал подготовлен: Татьяна Кулькова / Контент-райтер ИФХЭ РАН