Химики РАН представили новую технологию адсорбирования природного газа
Ученые Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) провели теоретические и экспериментальные исследования, направленные на оптимизацию работы адсорбционных аккумуляторов метана. Исследование проводилось на экспериментальных стендах собственной разработки с целью моделирования различных термодинамических режимов заправки-накопления-выдачи природного газа.
Адсорбционное аккумулирование метана — энергоэффективная, пожаро- и взрывобезопасная альтернатива технологиям его хранения в сжатом или сжиженном состоянии. Суть ее состоит в том, что газ закачивается в пористый материал — адсорбент.
Попав в поры, молекулы метана притягиваются к их стенкам за счет сил Ван-дер-Ваальса. В порах адсорбированный метан уплотняется до плотности, близкой к плотности жидкости, находясь в состоянии нано-диспергированного сорбата. Таким образом, адсорбционное аккумулирование позволяет запасать большее количество газа, не используя компрессоры высокого давления и не охлаждая газ до криогенных температур. Аккумуляторы адсорбированного природного газа (АПГ) перспективны для применения на автомобильном газовом транспорте, благодаря высокой емкости и безопасности (молекулы метана, находящиеся в порах, изолированы от кислорода и не образуют вместе с ним взрывоопасную смесь).
Ключевая проблема при эксплуатации АПГ-систем — изменение температуры адсорбента. При заправке выделяется тепло, нагревающее материал и снижающее его емкость, а при выдаче газа — поглощается, охлаждая его. Поэтому при разработке эффективных накопителей важно не только подобрать сорбент с высокой емкостью, но и прогнозировать его поведение при переменных температурах и давлении.
Нужно учитывать, что для разных условий эксплуатации соотношение пор разного размера должно отличаться. Для автомобилей, работающих в плавном режиме с равномерным потреблением топлива нужны одни адсорбенты, а для работающих в рывковом, когда обороты двигателя резко меняются, – другие. Аналогичная ситуация складывается для различных климатических условий.
Ученые провели измерения адсорбционно-кинетических параметров адсорбции-десорбции в широком интервале температур от 143 К до 333 К при давлениях вплоть до 20 МПа, когда поры сорбента достигают своего предельного насыщения. Также методом молекулярной динамики была исследованы параметры сорбции молекул метана в модельных порах щелевидной формы, соответствующих основным размерам пор данного сорбента. Исследование подтвердило: узкие поры (<1.4 нм) плотно удерживают молекулы метана, обеспечивая высокую емкость системы, а более широкие (~2 нм) служат транспортными артериями и отвечают за динамические характеристики при заправке-выдаче газа.
На основе полученных результатов были разработаны подходы для описания и прогнозирования адсорбции метана, которые позволяют при оптимизации режимов работы конкретных АПГ-аккумуляторов не проводить десятки натурных испытаний.
«Это очень важно с точки зрения практики, в частности, для проектирования энергоэффективных систем заправки АПГ, в том числе в различных климатических условиях. Мы можем выполнить компьютерный расчет и сразу экспериментировать с режимами, близкими к оптимальным. Это значительно ускоряет и удешевляет создание новых систем», — отметил руководитель проекта, кандидат химических наук Илья Меньщиков.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда.