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 22-73-00184

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

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

07.2022 - 06.2024

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 словаАдсорбция, 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.

Ожидаемые результаты
А) ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В рамках проекта впервые планируется получение следующих основных научных результатов: 1. фундаментальные основы формирования высокоэффективных низкотемпературных адсорбционных систем для аккумулирования метана (применительно к парам СПГ в интервале температур от 111 до 333 К и давлениях до 600 кПа); 2. модели теоретической оптимизации и численного моделирования адсорбционных материалов нового поколения c микро-мезопористой структурой для низкотемпературного аккумулирования метана; 3. технологические основы получения адсорбентов с микро-мезопористой структурой для низкотемпературного аккумулирования метана, а также образцы таких материалов: • прецизионные супер-активных углеродных адсорбентов; • углеродные микро-мезопористые ксерогели; • высокоразвитые металлорганические каркасные полимеры (metalorganic frameworks -- MOF); • мезопористые силикагели с оптимизированным объемом мезопор; • мезопористые материалы на основе супрамолекулярных графеновых структур и нанотрубок; • масштабированные функциональные адсорбенты для испытаний в составе лабораторного опытного аккумулятора; 4. экспериментальные данные по исследованию пористой структуры вновь разработанных адсорбентов для низкотемпературного аккумулирования метана; 5. результаты экспериментальных исследований адсорбции метана на промышленных и вновь синтезированных адсорбентах в широком интервале температур (в том числе криогенных 111–191 К) и давлений (до 600 кПа); 6. результаты экспериментальных исследований адсорбционной и термической деформации промышленных и вновь синтезированных адсорбентах при адсорбции метана в интервале температур от 111 до 333 К и давлениях до 600 кПа; 7. результаты исследований термодинамики адсорбции метана на адсорбентах с микро-мезопористой структурой; 8. критерии эффективного применения адсорбционных низкотемпературных аккумуляторов метана (применительно к системам утилизации паров СПГ); 9. программные комплексы для расчета эффективности и моделирования адсорбционных систем аккумулирования метана; 10. термодинамический цикл работы адсорбционных систем аккумулирования метана (применительно к системам утилизации паров СПГ); 11. публикации в журналах Scopus и WoS – не менее 3 публикаций. Помимо публикаций планируется представление результатов проекта научному сообществу на международных конференциях, а также в интернете на странице Инженерно-технологического центра (www.adsorbtech.ru). Результаты проекта, помимо отчетов и методик эксперимента, будут представлены в форме подгружаемых баз данных, готовых алгоритмов и настраиваемых расчетов в форме самостоятельных программных комплексов. Таким образом, будет выполнен научно-технологический задел мирового уровня, учитывающий комплекс специфических вопросов в области физикохимии, термодинамики, материаловедения, экспериментальных и численно-аналитических методов, относящихся к низкотемпературным адсорбционным системам. Большинство запланированных результаты в области адсорбции метана при криогенных условиях с учетом максимизации предельного насыщения пор будут получены впервые. Б) ЦЕЛЕВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ В рамках предварительных расчетов, в качестве целевых результатов разработки систем низкотемпературного адсорбционного аккумулирования метана принимаются: 1. Полный удельный объем аккумулирования (сорбции) метана - не менее 300 м3(газа НТД)/м3(системы хранения) в интервале докритических температур от 111 до 191 К и давлениях до 600 кПа. Обоснование. Применение перспективных адсорбентов с микро-мезопористой структурой позволит добиться кратного увеличения адсорбционной активности за счет возникновения капиллярной конденсации адсорбата в порах шириной свыше 3 нм. Давление 600 кПа обусловлено рабочими условиями работы криогенных танков СПГ. Сравнительные данные по характеристикам подобных систем представлены в сопроводительной презентации. 2. Удельная активная емкость системы аккумулирования метана - не менее 270 м3(газа НТД)/м3(системы хранения) в условиях организации выдачи газа (десорбции) в интервале сверхкритических температур от 273 до 333 К и остаточном давлении, равном атмосферному (101.325 кПа). Этот показатель превышает установленные современные требования Минэнерго США к системам аккумулирования метана. 3. Повышенная взрывобезопасность систем адсорбционной утилизации и хранения метана по сравнению с системами без адсорбента. Обоснование. Физически-связанное состояние метана с поверхностью адсорбента позволят минимизировать количество свободной газовой фазы в системе аккумулирования, что повысит безопасность системы (в том числе за счет понижения температуры при десорбции и возникновения эффекта самоторможения). 4. Организация эффективного термодинамического цикла работы системы аккумулирования метана (в виде паров СПГ) в широком температурном интервале (свыше 200 К). В) ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ С точки зрения практической значимости результаты проекта позволят: – создать задел для разработки нового энергетического оборудования, обеспечивающего повышение эффективности криогенных видов топлива (СПГ) за счет увеличения времени без дренажного хранения; – разработать оптимальные условия аккумулирования паров СПГ в адсорбированном виде, обеспечивающих резкое уменьшение парниковых выбросов метана и устойчивое развитие энергосектора СПГ; – создать задел для разработки новых бортовых систем аккумулирования использованием адсорбентов для заправки на метановых криогенных заправках (в том числе КСПГ); – обеспечить повышение экономической эффективности СПГ за счет использования адсорбционных газовых систем на автомобилях, мобильных и стационарных СПГ-терминалах; – обеспечить развитие новых производственных технологий функциональных адсорбентов; – в долгосрочной перспективе обеспечить улучшение экологической обстановки, снижение заболеваемости населения и уменьшение расходов на здравоохранение. Г) СОЦИАЛЬНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Реализация проекта имеет высокую социально-экономическую значимость: Значительная часть РФ находится в зонах с суровыми климатическими условиями, в связи с чем потребность в высокопроизводительных топливах не вызывает вопросов. Так, главной особенностью адсорбционных систем метана является возможность их применения в широком диапазоне потребителей: от бортовых систем хранения газомоторных видов транспорта [до 50 м3(НТД)] до автономных систем газификации [до 1000 м3(НТД)], что обеспечивает решение наиболее значимых социально-экономических задач России. Особенно эффективным применение данной технологии может в условиях Арктики, развитию которой сейчас уделяется особое внимание. Кроме того, результаты проекта помимо научной и прикладной ценности станут отправной точкой для создания инновационного промышленного производства абсолютно новых материалов, а также адсорбционных систем с высокой добавленной стоимостью, которые будут конкурировать с продуктами ведущих химических компаний как внутри страны, так и за рубежом. Развитие новых технологий производства адсорбентов позволит резко увеличить объемы производства адсорбционных материалов и, соответственно, долю отечественной продукции на рынке, что приведет к снижению зависимости отечественной промышленности от иностранных контрагентов и позволит решить проблему импортозамещения. Следует отметить, что разработка технологии новых материалов на основе отечественного сырья будет базироваться на принципе зеленого рециклинга, то есть для получения новых материалов могут быть использованы отходы биомассы, нефтехимической промышленности, снижая потребности в их утилизации и тем самым экологическую нагрузку. Разработанные технологии аккумулирования метана позволят усилить позиции России, при разработке новых технологических заделов для высокоселективного разделения газовых смесей, лежащего в основе нефтехимии. Другие факторы оценки социально-экономической значимости результатов проекта определяют развитие новых технологий в химической и нефтехимической промышленности, металлургии, машиностроения, медицине, пищевой промышленности, защите населения и обороне, в условиях чрезвычайных ситуаций, защиты природы и экологии. Производство адсорбентов, как основы высоких технологий, даст мощное ускорение развитию энергетики, высокой химии, нефтепереработки, развитию бизнеса в России и конкурентные преимущества за рубежом. Социальные последствия развития адсорбционной технологии хранения и транспортировки дешевого природного газа скажутся на улучшении качества жизни и здоровье-сбережения населения России, развитии промышленности и бизнеса.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---