Учёные лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии (ИФХЭ) имени А. Н. Фрумкина РАН представили адсорбционную технологию хранения природного газа в микропористом адсорбенте – материале, способном в большом количестве поглощать газ. Размер пор такого адсорбента близок к размеру молекулы метана. Адсорбирование позволяет достигать больших плотностей и давлений газа без использования компрессоров и холодильных установок. При этом значительно повышается взрывобезопасность системы.

Руководитель инженерно-технического центра ИФХЭ РАН, заместитель заведующего лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Андрей Школин рассказал «Ъ-Наука» об одном активно развивающимся проекте, над которым работают учёные.

– На прошедшем 20–21 апреля 2023 года в Москве Всероссийском газомоторном форуме, который был посвящен теме «Мобилизация ресурсов отечественной промышленности для формирования новых точек роста российской экономики на базе использования природного газа», мы показывали опытные образцы адсорберов. Это баллоны с адсорбентом, которые устанавливаются на автомобиль для заправки метаном.

Мы разработали плоские конструкции, которые заполняются сорбентом из косточкового угля. Для автомобиля, где постоянно происходит вибрация, очень важно, чтобы адсорбент был устойчивым к истиранию. Мы выбрали именно эти угли из-за их высокой прочности.

Внутри адсорберов моноблоки адсорбента со всех сторон фиксируются элементами сотовой конструкции – металлическими перегородками. Это позволяет и уменьшить истирание, и ускорить охлаждение адсорбента при заправке.

Мы сейчас проводим много испытаний. Наш бак с похожим адсорбентом испытывается на стенде в компании ООО «АТС-Авто» в Самаре. Испытатели проверяют, как адсорбент ведет себя при заправке – выгрузке газа; потом они будут устанавливать бак на машину. Компания «ООО “Самара-Авто”», которая спонсировала наши работы по созданию адсорберов, готовит пилотный проект. Для него надо сначала выбрать автомобиль, который лучше всего подходит для нашей технологии.

Но главная задача, которую мы решаем в настоящий момент, – это создание нормативной базы для новой адсорбционной технологии.

– Почему это так важно?

– Промышленное применение технологии невозможно без создания для нее нормативной базы. Поскольку автомобиль выезжает на дорогу, наш бак должен отвечать требованиям безопасности.

Рассмотрим всю цепочку: адсорбент – бак, заполненный адсорбентом,– бак в автомобиле – автомобиль на дороге – система заправки и компания, эксплуатирующая этот автомобиль.

В России не существует стандартов на компактированный адсорбент. Мы можем оформить на них паспорта безопасности и сертификат соответствия и выпустить адсорбент как опытную партию для снаряжения адсорбера.

Но дальше все оказывается сложнее.

В РФ существуют стандарты только на цилиндрические или на торообразные конструкции для хранения газомоторного топлива. Мы можем заполнить адсорбентом баллоны такой конструкции, но тогда мы проиграем по экономической составляющей; кроме того, имеются определенные сложности с укладкой адсорбента внутрь такого баллона. Это сделать можно, но нужно разработать технологию, и, самое главное, есть лучшее решение.

Наиболее выгодно и удобно заполнять адсорбентом разработанные в нашей лаборатории плоские баки. Но в России стандарты по прочностным характеристикам на плоские баки отсутствуют. У единственного европейского стандарта на плоские баки предусмотрены очень большие коэффициенты по запасу прочности. Чтобы им удовлетворить, адсорбер придется сделать очень тяжелым; тогда вся допустимая нагрузка будет уходить на перевозку этого адсорбера.

В настоящее время мы работаем в двух направлениях. За счет использования вместо стали алюминия мы снижаем вес адсорбера. Также мы работаем над изменением нормативной документации, чтобы уменьшить требования по безопасности к стенке баллона. Это возможно потому, что в нашем адсорбере газ находится не в свободном, а в связанном, адсорбированном состоянии. Сейчас мы используем коэффициент запаса 3. Это значит, что, если во время испытаний адсорбер начал испытывать пластические деформации при давлении 120 атмосфер, его можно заправлять до 35 атмосфер.

После того как мы провели испытания, нам надо юридически зафиксировать свои выводы. Затем мы должны внести изменения в конструкцию автомобиля, и тогда его можно будет использовать как опытный образец на дорогах общего пользования.

Такая достаточно сложная и интересная задача нам предстоит, но ее необходимо решить, чтобы наш автомобиль поехал.

– И надо построить заправки для автомобиля.

– Когда мы определим стандарты, которым должен соответствовать бак нашего автомобиля, встанет вопрос заправок. Заправка адсорбированного природного газа на 20 % энергоэффективнее, чем заправка компримированного природного газа. При этом у нас проще оборудование. Поскольку максимальное давление в наших системах составляет 50 атмосфер, мы можем использовать двухступенчатый, а не трехступенчатый компрессор.

Поэтому следующим этапом будет создание опытной заправочной станции и нормативной документации для ее эксплуатации. Например, мы изучаем возможность заправки холодным газом при давлении 12 атмосфер, чтобы можно было вносить газовые заправки в черту города. Газ в таких заправочных станциях хранится под землей в сжиженном или охлажденном состоянии, а на выдаче давление не превышает 12 атмосфер. Когда автомобиль отъезжает с заправки, газ в баллоне постепенно согревается и давление повышается до рабочего. Это все технически реализуемо.

Наши баки обеспечивают пробег 100–200 км, в перспективе мы планируем довести его не менее чем до 300 км. Очень важно ускорить процесс заправки, чтобы бак заполнялся за три-четыре минуты, то есть процесс стал аналогичным тому, как заправляют бензином или дизелем. Подъехали. Не выходя из машины, с телефона оплатили, заправились и уехали.

Это кажется фантастикой, потому что сейчас с газом все не так.

Заправка метаном в настоящий момент – сравнительно сложная и длительная задача. Автомобиль должен приехать на заправку, которая находится за чертой города. Высадить пассажиров; те должны отойти от автомобиля. Заправка происходит медленно, потому что газ при заправке нагревается.

Эта процедура сложна с точки зрения обеспечения безопасности, потому что на существующих метановых заправках давление достигает 250 атмосфер. Наша адсорбционная технология позволяет проводить заправку при давлении не выше 50 атмосфер, а в перспективе – при еще более низком давлении. Это постепенно приведет к снижению требований по безопасности.

– Какие у вас самые свежие инновации?

– Если говорить о результатах работ, выполненных за последние полгода, то, во-первых, это алюминиевый бак. Два стальных бака, заполненных адсорбентом, весят 130 кг. Алюминиевые будут весить около 60 кг. Это вполне разумная масса. Тем более наши баки – плоские конструкции, которые могут лежать на дне багажника и оставлять достаточно места для вещей. Наши баки будут удобные.

Во-вторых, это борьба с примесями. В природном газе помимо метана присутствуют примеси – вода и тяжелые углеводороды. Эти примеси заполняют поры адсорбента, занимая место, предназначенное для молекул метана. Мировые исследования показали, что при многоцикловой работе такие примеси снижают емкость адсорбента на 30%. Мы сделали систему, которая «сама себя чистит». У нас несколько баков с адсорбентом, мы прогоняем газ в одном направлении, потом выдуваем примеси обратно чистым газом – и все это позволяет нам увеличить количество циклов работы, прежде чем адсорбенту потребуется обслуживание.

– Если посмотреть в мировом масштабе, на какой стадии сейчас находятся исследования по адсорбированию природного газа?

– Здесь все зависит от применения. На форуме мы докладывали о системах адсорбированного природного газа для использования метана в качестве газомоторного топлива. То есть мы говорили о бортовых автомобильных системах. В мире есть одна компания, которая промышленно выпускает такие системы. Это американская компания «Инжевити». Использование автомобилей на метане соответствует современным тенденциям по снижению карбонового следа и защите экологии. Поскольку часть потребителей в США может позволить себе оплачивать экологию, там такие системы производят и устанавливают в пикапы. Пикапы в США очень популярны. В них можно поставить много баллонов с адсорбентом. Так и сделали: поставили восемь баллонов, заполнили их формованным адсорбентом и заправляют при давлении до 30 атмосфер.

– Ваша технология обойдется потребителю дороже, чем традиционное жидкое топливо?

– Пока технология не стала массовой, она, конечно, стоит дороже. Нужен бак с адсорбентом, также приходится ставить дополнительные клапаны, что приводит к повышению стоимости автомобиля. Хотя не слишком значительному, но даже 50 тыс. или 30 тыс. рублей на автомобиль – это существенное увеличение цены.

– Получается, что автомобиль на метане – только для тех, кто борется за экологию, а экономически он невыгоден?

– Выгоден, но в зависимости от субсидий и условий эксплуатации. Если говорить об адсорбированном природном газе, экономически наша технология становится выгодной после 50 тыс. км пробега. Если вы берете новый автомобиль для своего автопарка и планируете, чтобы он проехал 200–300 тыс. км, то адсорбционная технология для вас. Вы сэкономите порядка 20–30 % от расходов на топливо. К тому же вы при этом боретесь за экологию. Борьба за экологию – это вишенка на торте, и понятно, что она всегда идет после экономики. Но экономика тоже на нашей стороне.

Экономическая выгода сильно зависит от того, какие будут заправки. Наша заправка потребляет меньше энергии; снижение времени заправки позволит избежать скапливания автомобилей в очереди перед заправкой. Соответственно, уменьшится простой автотранспорта.

Мы надеемся, что нам удастся создать пилотную площадку и запустить несколько автомобилей, чтобы понять, после какого объема наш проект становится экономически выгоден.

У нас в институте имеется один опытный образец, и если он покажет хорошие характеристики, то есть инвестор, который готов переоборудовать опытный парк и начать испытания. Но сначала надо согласовать нормативные требования.

– Кто-нибудь уже заинтересовался вашей технологией?

– Для опытной площадки мы рассматриваем в первую очередь коммерческий транспорт. Он консолидирован; проще организовать обслуживание при недостатке сервисных специалистов. Если для таких автомобилей создать систему заправок, экономический эффект увеличится.

Например, «Почта России» заинтересовалась нашей технологией для своего коммерческого транспорта. Обратила на нее внимание и X-5 Retail Group. Так что перспективы есть.

Однако всем нужно более зрелое решение, чтобы его сразу можно было установить и опробовать.

Мы полны оптимизма и надеемся, что испытания, которые пройдут в ближайшее время, позволят нам показать преимущества нашей технологии.

Источники: «Ъ-Наука», Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН.