КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-79-00135
НазваниеРазработка энергоэффективных термодинамических циклов работы конформных терморегулируемых адсорбционных аккумуляторов метана на основе нанопористых адсорбентов для газовой энергетики
РуководительМеньщиков Илья Евгеньевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2024 - 06.2026 |
Конкурс№97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-207 - Термодинамические процессы в технических системах
Ключевые словаадсорбент, адсорбционный аккумулятор, конформная конструкция, терморегулирование, тепломассообмен, математическое моделирование, газомоторный транспорт, компримированный природный газ
Код ГРНТИ44.31.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Энергетически важные газы, такие как водород, метан, ксенон и другие, являются основой для развития мировой энергетики на ближайшие годы. Они замещают энергоносители из ископаемой нефти и угля благодаря экологичности и высоким энергетическим показателям.
Важным направлением является перевод автомобильного транспорта на экологичные виды газового топлива. Согласно Транспортной стратегии РФ, к 2030 году доля автопарка с двигателями на альтернативных видах топлива (в первую очередь на природном газе) должна достигнуть 50%, при этом в мире эксплуатируется уже более 30 млн. газовых автомобилей. Однако существующие технологии для хранения и транспортировки газового топлива (КПГ и СПГ) во многом не отвечают требованиям безопасности и энергоэффективности, а также ряду эксплуатационных свойств:
• пожаро-взрывоопасность;
• гораздо более продолжительная заправка (сравнивая с бензином и дизелем);
• низкая удельная емкость, приводящая к снижению пробега на одной заправке;
• громоздкость газобаллонного оборудования, и обусловленная этим потеря полезного пространства автомобиля.
Адсорбированный природный газ метан (АПГ) является перспективной технологией в этой области. АПГ обеспечивает более низкие рабочие давления и высокую емкость по сравнению с КПГ, а также повышенную пожаро-взрывобезопасность и энергоэффективность заправки. Это позволяет перейти к новым принципам проектирования газовых аккумуляторов на основе конформных конструкций, обеспечивающих возможность адаптации под конкретное применение с максимизацией использования полезного пространства, массы, емкости.
Цель проекта – разработка и моделирование энергоэффективных процессов циклической работы масштабированных (до 50 л) адсорбционных аккумуляторов метана, снаряжённых нанопористыми углеродными адсорбентами. Основной упор будет сделан на исследование новых конформных конструкций АПГ-систем нестандартной геометрии с активными терморегулированием и подходами для снижения накопления газовых примесей, чем обусловлена новизна научного проекта.
Сегодня большинство исследований по теме АПГ ориентировано на поиск новых высокоактивных адсорбентов метана, при этом вне фокуса внимания исследователей остаются факторы, критически определяющие эффективность АПГ:
• повышенные экзо- и эндотермические эффекты в процессах циклической работы;
• чувствительность к нестационарным режимам выдачи газа;
• высокое содержание объема неактивного (буферного) газа из-за крутизны изотермы адсорбции;
• чувствительность сорбентов к чистоте газа (накопление в порах примесей, содержащихся в газе).
Эти факторы приводят к ухудшению характеристик системы, вне зависимости от емкости адсорбента, поэтому разработка и исследования новых решений для эффективной циклической работы АПГ является важной и актуальной научной задачей.
В рамках проекта впервые предполагается проведение комплексных экспериментальных исследований масштабированных аккумуляторов конформного типа при давлениях до 10 МПа и температурах 243-333К с моделированием условий работы (близких к реальным), в том числе:
• с активным терморегулированием (воздушное, жидкостное);
• с изменением параметров газа заправки – с дросселированием, охлажденным газом, с фазовым переходом (сжиженным газом);
• с реализацией проточной и «тупиковой» заправок;
• в условиях резкой нестационарности циклической работы (имитация изменения режимов выдачи);
• с исследованием подходов для снижения влияния примесей (С2+ и др.) газа на циклическую емкость АПГ.
Для данных условий впервые планируется разработка и исследование трехмерных CFD (computational fluid dynamics) матмоделей, в том числе с сосредоточенными усредненными параметрами на основе натурного и CFD эксперимента.
Получение новых результатов представляет широкий потенциал для совершенствования и внедрения АПГ систем на газомоторном транспорте, газоснабжения удаленных потребителей, пикового резервирования газа и т.д., что особенно актуально для РФ, где сегодня реализуются масштабные программы газификации.
Ожидаемые результаты
А) ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В рамках проекта планируется проведение комплексных исследований опытных полноразмерных конструкций масштабированных аккумуляторов природного газа (МАПГ) стандартного (цилиндрическая конфигурация) и конформного типа (планарная сотовая конструкция) проточного и закрытого типа (объемом до 50 литров), снаряженных:
а) насыпным адсорбентом;
б) компактированным адсорбентом;
в) комбинированным слоем – насыпным и компактированным;
При этом планируется получение следующих главных результатов, большая часть которых будет получена впервые:
1. результаты экспериментальных исследований термодинамических параметров циклической работы МАПГ проточного и закрытого типа в интервале давлений до 10 МПа и температурах 243-333К, в том числе:
а) с активным терморегулированием (воздушное, жидкостное);
б) с реализацией различных способов заправки – проточная (циркуляционная), “тупиковая”;
в) с изменением параметров газа заправки – с дросселированием, предварительным охлаждением газом, с фазовым переходом (сжиженным газом; данный способ заправки АПГ будет реализован впервые в мире);
г) с реализацией условий резкой нестационарности циклической работы (имитация резкого изменения режимов потребления);
2. результаты исследования влияния физико-химических макропараметров адсорбентов (тип слоя, плотность, теплопроводность и др.) на циклическую работу МАПГ;
3. трехмерные математические модели процессов циклической работы МАПГ конформного типа сложной геометрии и параметры тепломассообмена;
4. результаты разработки и исследования подходов для активной минимизации накопления вредных примесей природного газа в порах адсорбента (С2+ и др.);
5. программный комплекс для получения оптимизированных параметров циклической работы МАПГ при помощи разработанных математических моделей (под конкретное применение);
6. публикация научных статей в рецензируемых журналах – 3 шт.
7. представление результатов проекта на тематических научных конференциях докладов – 4 доклада.
В рамках проекта планируется также ответить на вопрос о выборе вектора дальнейших исследований по поиску перспективных сорбентов метана (согласно требованиям US DOE – департамента энергетики США) и можно ли за счет разработки эффективных режимов работы АПГ снизить условные требования к характеристикам нанопористых структур.
Полученные результаты несомненно будут соответствовать мировому уровню исследований, так как на сегодняшний день работы подобного масштаба еще не проводились, при этом сам проект эволюционно является продолжением уже имеющегося научного и прикладного задела и строится на многолетнем опыте сотрудников ИФХЭ РАН и непосредственно руководителя проекта, которые являются лидерами мировой науки в этой области.
Б) ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Глобально практическая значимость планируемых результатов проекта состоит в создании новых технологических подходов для энергоэффективного и безопасного хранения, транспортировки и использования энергетически важных технических газов, в частности, природного газа (метана) и, в перспективе, водорода. Эти виды газовых энергоносителей признаны стратегическими для развития энергетики большинства стран мира и Российская Федерация здесь не является исключением, что подтверждается масштабными госпрограммами. Так, к 2030 году уровень газификации российских регионов должен достигнуть 82,9% (Распоряжение от 30 апреля 2021 года №1152-р), а потребление газомоторного топлива должно вырасти с 1,71 в 2022 году до 6,8 млрд кубометров в 2030 году [1]. Реализация данных программ неизбежно требует создания новых газовых технологий с улучшенными потребительскими характеристиками, чему соответствует АПГ, которая, в отличие от конкурентных технологий (КПГ и СПГ) может применяться для потребителей всех категорий:
• на транспорте;
• для мобильной газификации удаленных потребителей промышленного и бытового характера;
• резервирования газового топлива для сглаживания пиковых нагрузок;
• на объектах инфраструктуры газотранспортной сети (АГНКС, ГРС, и др.).
Высокой практической значимостью данный проект обладает для отраслей энергетического и нефтегазового машиностроения, так как сочетание относительно низких рабочих давлений адсорбционных аккумуляторов и появление новых легких высокопрочных конструкционных материалов позволит перейти к новой парадигме проектирования сосудов высокого давления адаптивной формы. Для автомобильной промышленности появится возможность повысить потребительские качества автомобилей на ГМТ, за счет использования конформных бортовых систем хранения. В перспективе газовые аккумуляторы нового типа могут стать аналогичными по массо-габаритным параметрам бакам для жидких топлив с простой адаптацией под конструкцию транспортных средств.
Так или иначе планируемые результаты будут актуальны и значимы для адсорбционной техники, применяемой в космическом машиностроении, авиации, ВПК и других высокотехнологичных направлениях.
В) ОБЩЕСТВЕННАЯ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Общественная и социально-экономическая значимость использования результатов проекта в перспективе внедрения (которое на сегодняшний день имеет очень потенциал) обусловлены:
• расширением возможностей для использования экологически чистых газовых энергоносителей со снижением углеродного следа;
• снижением бюджетных расходов на государственные программы газификации населения за счет использования мобильных (не трубных) технологий газификации потребителей;
• повышением общего уровня безопасности инфраструктуры, использующей газовое топливо, включая автотранспорт, бытовое и промышленное использование, что приведет к росту доверия населения к новым технологиям;
• новым возможностям для использования домашних газовых заправок низкого давления с оптимизированным низко энергозатратным циклом;
• увеличением объема внутреннего рынка газовых видов топлива, включая перспективные, например, водород;
• созданием импорто-опережающих прорывных отечественных энергетических технологий с высоким экспортным потенциалом.
Кроме того, результаты проекта будут использованы в образовательных целях для подготовки специалистов химико-технологического и инженерного профиля, станут основой для новых учебных пособий и учебной литературы.
ЛИТЕРАТУРА
1. ТАСС [Электронный ресурс]. // URL: https://tass.ru/ekonomika/15192529.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ