Низкотемпературные адсорбционные системы высокой емкости для аккумулирования энергетических газов на основе эффекта капиллярно-конденсированного состояния адсорбата

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 проекта 22-73-00184

НазваниеНизкотемпературные адсорбционные системы высокой емкости для аккумулирования энергетических газов на основе эффекта капиллярно-конденсированного состояния адсорбата

Руководитель Меньщиков 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

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые слова Адсорбция, нанопористые материалы, адсорбенты, микропористые и мезопористые структуры, метан, сжиженный природный газ, аккумулирование

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте предлагается разработка научных основ низкотемпературного аккумулирования природного газа (метана) в новых микро-мезопористых адсорбционных материалах. Достижение высокой удельной объемной емкости систем аккумулирования предполагается за счет использования эффекта капиллярной конденсации метана в мезопорах адсорбентов, в докритических условиях. Таким образом, предлагается новый подход к формированию высокоемких систем аккумулирования энергетически важных газов, для метана – за счет расширения температурного интервала работы таких систем, которая по предварительным оценкам составит свыше 200 К (от 111 до 333 К). На сегодняшний день, данный подход в научном и практическом плане еще не реализован, что безусловно, указывает на новизну поставленной задачи. В целом тема адсорбционного аккумулирования энергетически важных газов уже зарекомендовала себя, как актуальное научное направление и показала эффективность для индивидуальных газов [1]. Ежегодно данной и смежной темам посвящены более 30–40 публикаций в высокорейтинговых журналах (Q1-2), индексируемых Scopus и Web of Science. Особенно распространены публикации, посвященные аккумулированию метана, природного газа, биогаза; реже - водорода, ксенона, криптона, аргона, кислорода и др. А) АКТУАЛЬНОСТЬ В условиях мировой борьбы за энергетические ресурсы, потребность в природном газе в ближайшие десятилетия будет только расти. Сегодня этот ресурс находится в основе энергобаланса большинства европейских стран, Азии и Америки, что не вызывает сомнений в росте спроса на новые технологии, связанные с его применением. Российская Федерация является крупнейшим производителем природного газа в мировом масштабе, что во многом предопределяет ориентацию отечественной энергетики на этот энергоресурс. Ярким примером этому являются развернутые крупномасштабные государственные программы по глобальной газификации страны и автомобильного транспорта с перспективой развития на ближайшие десятилетия. Сегодня широкое применение природного газа ограничено его низкой энергетической плотностью, вследствие чего используются специальные технологии его хранения и транспортировки в сжатом при высоких давлениях (КПГ) и сжиженном при криогенных температурах виде (СПГ). На последнюю технологию сегодня делается особая ставка вследствие перспектив применения во всем интервале потребления - от малых систем для газомоторного автотранспорта до создания автономных комплексов газификации и локальных объектов промышленной СПГ инфраструктуры. Так, в 2021 году Правительство России поддержало стратегическую инициативу «Прорыв на рынке СПГ», предусматривающую переход на российское оборудование в проектах по сжижению природного газа (СПГ), целью которой является максимальное снижение зависимости отечественной сферы СПГ от иностранного оборудования и импортозамещение. По данным [2] РФ потенциальный рынок поставки российского оборудования для средне- и крупнотоннажного производства СПГ-проектов может превысить 150 млрд руб. до 2035 года. В свою очередь один из крупнейших игроков рынка СПГ в России компания НОВАТЭК [3] планирует увеличить производство СПГ до 40 млн т/год к 2025 г. Таким образом, потребность промышленности в разработке новых технологий СПГ не вызывает сомнений и является важнейшей актуальной задачей, соответствующей приоритетному направлению СНТР «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Б) ПРАКТИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМАТИКА При хранении СПГ в изотермических резервуарах-хранилищах образуется избыток газовой фазы за счет внешних теплопритоков. Суточные потери газа, в зависимости от типа криогенного хранилища могут достигать 4% и более (в зависимости от объема системы), что вызывает трудности при длительном хранении и транспортировке СПГ. Другая проблема, связанна с потерями СПГ, которые образуются при погрузочных операциях, когда интенсивность генерации отпарного газа может кратковременно возрастать в 1.5–2 раза (а потери – свыше 10–15 %) [4]. В случае невозможности немедленного полезного использования избытков паров СПГ в энергоустановках или возврата в систему путем повторного сжижения, для защиты резервуаров СПГ от повышения давления предусмотрены две независимые автоматические разгрузочные системы [5]: – сброс избытка газа в атмосферу через свечу рассеивания; – сжигание отпарных газов на факеле; Указанные методы обеспечения безопасности резервуаров СПГ приводят к возникновению невозвратных потерь ценного энергоресурса и снижению энергоэффективности систем хранения СПГ. Кроме того, сброс паров метана в окружающую среду приводит к резкому повышению пожарной и взрывной опасности объектов СПГ. При этом, необходимо помнить, что метан обладает более сильным парниковым эффектом, чем углекислый газ. Его потенциал глобального потепления равен 25 для 100-летней перспективы (IPCC, 2014, ООН, 2014). В этом смысле предприятия СПГ, например в США, являются основными источниками вредных выбросов в атмосферу [6]. Для сохранения и последующего полезного использования избыточного объема паров, образующихся в процессе хранения СПГ, представляется эффективным решение по его аккумулированию в адсорбированном виде [7]. В частности, в работе [8] аналитически показано, что сочетание процессов регазификации СПГ и адсорбционного аккумулирования паров природного газа является эффективным и перспективным методом утилизации эксергии СПГ. Дополнительным преимуществом адсорбционных систем аккумулирования является их высокая емкость в условиях низких, докритических температур, которая в несколько раз может превосходить этот параметр для общепромышленных термодинамических условий (233–333 К). В этом смысле перспективным представляется следующий цикл работы системы: режим аккумулирования при низкой температуре (111–191 К), а выдача при нормальных условиях (273 К и выше), для максимизации отдачи (активного газа). Разработка технологии низкотемпературного аккумулирования метана в целом позволит создать задел для решения следующих проблем технологии СПГ, в частности: – Повысить эффективность систем хранения и транспортировки СПГ за счет минимизации потери отпарных газов, что также снизит нагрузку на окружающую среду. – Повысить пожаро- и взрывобезопасность систем хранения и транспортировки СПГ, а также заправочной инфраструктуры (в том числе КСПГ). – Обеспечить более широкое распространение новых технологий хранения и транспортировки в виде СПГ и адсорбированного ПГ (АПГ). – Обеспечить задел для создания аналогичных систем для технологии криогенно-сжиженного водорода, метан-водородных смесей и углекислоты. – Обеспечить получение новых материалов с уникальными адсорбционными свойствами. В) НАУЧНАЯ НОВИЗНА В данном проекте предлагается создание новых адсорбционных систем, в которых аккумулирование газа происходит в докритической области. В связи с этим, повышение емкости зависит не только от объема микропор, но и от наличия мезопор, в которых может происходит капиллярная конденсация, обеспечивая кратное увеличение величины адсорбции. Научная новизна обусловлена проведением новых теоретических и экспериментальных исследований в области низкотемпературного (криогенного) адсорбционного аккумулирования природного газа метана (паров СПГ). В рамках проекта большинство результатов планируется получить впервые, в том числе: – сформировать фундаментальные физико-химические основы адсорбционного аккумулирования метана в адсорбентах с микро-и мезопористой структурой с учетом использования капиллярно-конденсационных эффектов; – теоретическими методами, в том числе численными, выполнить исследование адсорбционных структур с различной геометрией, размером пор и химией поверхности по отношению метану, а также провести исследование свойств адсорбата в микро-мезопористых системах; – разработать новые методы синтеза (модифицирования) перспективных микро-мезопористых адсорбентов различной природы (прецизионных суперактивных углеродных адсорбентов, углеродных микро-мезопористых ксерогелей, MOF, силикагелей, мезопористых супрамолекулярных структур); – провести комплексные экспериментальные исследования адсорбционных, кинетических и термодинамических (с учетом неидеальности свойств систем) характеристик низкотемпературных систем аккумулирования метана на основе промышленных и вновь синтезированных материалов, в том числе условиях криогенных докритических температур 111–191 К; – провести экспериментальные исследования адсорбционно-стимулированной и термической деформации адсорбентов; – разработать, изготовить и испытать новые материалы в составе опытного аккумулятора, в том числе в условиях криогенных докритических температур 111–191 К; – разработать термодинамический цикл работы адсорбционных систем низкотемпературного аккумулирования метана (паров СПГ) и определить эффективные технологические режимы заправки/выдачи газа. Г) ЛИТЕРАТУРА 1. Solar C., Blanco A.G., Vallone A., Sapag K. Adsorption of methane in porous materials as the basis for the storage of natural gas // Natural Gas. 2010. P. 205-244. ISBN 978-953-307-112-1. 2. Electronic resource: https://www.kommersant.ru/doc/4890809. 3. Electronic resource: https://neftegaz.ru/news/Gazohimija/701740-novatek-planiruet-uvelichit-proizvodstvo-spg-do-40-mln-t-god-v-2025-g-i-zapustit-obskiy-gkhk-v-2027-/. 4. Реуцкий А.С. и др. Определение потерь СПГ привыполнении бункеровки и сопутствующих технологических операций. Труды Крыловского государственного научного центра, 2020; Спец. выпуск No 1, С. 222–230. 5. СП 240.1311500.2015. Хранилища сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности. М.: МЧС России. 2015. 29 с. 6. Electronic resource: https://www.interfax.ru/business/718716. 7. Tsivadze A.Yu., Aksyutin O.E., Ishkov A.G., Men’shchikov I.E., Fomkin A.A., Shkolin A.V., Khozina E.V., Grachev V.A. Porous carbon-based adsorption systems for natural gas (methane) storage // Russian Chemical Reviews. 2018, V. 87. P. 950–983. 8. Roszak E.A., Chorowski M. Exergy analysis of combined simultaneous Liquid Natural Gas vaporization and Adsorbed Natural Gas cooling // Fuel. 2013. V. 111. P. 755-762.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ