Как принудительное управление температурой решает проблему медленной и неполной заправки энергетических газов
Адсорбционная технология, используемая для хранения, транспортировки и применения энергетических газов, таких как метан и водород, становится всё более привлекательной альтернативой традиционным методам компримирования и сжижения. Основной принцип заключается в том, что газ поглощается пористым материалом, называемым адсорбентом.
Заправка адсорбционных систем происходит при относительно низком давлении 3–6 МПа и стандартных температурах. Это исключает необходимость в дорогостоящих компрессорах высокого давления (20–25 МПа) и криогенном оборудовании, требующем экстремально низких температур (около –162 °C). Газовые молекулы в порах адсорбента удерживаются дисперсионными силами, что значительно повышает пожаро- и взрывобезопасность системы.
ИФХЭ РАН уже несколько лет активно развивает адсорбционные технологии для энергетических газов, охватывая несколько ключевых направлений. Среди них — разработка стационарных газовых хранилищ, способных накапливать газ в периоды низкого потребления и отдавать его при пиковых нагрузках или сбоях в подаче. Также создаются компактные мобильные системы для автономной газификации, удобные для доставки в удалённые районы. Особое внимание уделяется разработке инновационных адсорбционных топливных систем для транспортных средств, работающих на газомоторном топливе, при этом уже существуют успешно испытанные прототипы.
Ведущий научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН Илья Меньщиков поделился с нами информацией о том, какие научно-технические задачи необходимо решить для массового внедрения автомобилей, работающих на адсорбированном природном газе:
— Прежде всего, необходимо выбрать адсорбент с идеальной пористой структурой, способный эффективно аккумулировать природный газ в условиях эксплуатации автомобиля. Существует множество видов адсорбентов, включая углеродные материалы, металлорганические каркасные структуры и различные композиты. Критерии выбора адсорбента включают высокую насыпную плотность, устойчивость к химическим, температурным и механическим воздействиям, а также отсутствие истирания и пыления. Для масштабного производства также важны доступность и низкая стоимость сырья. В настоящее время мы сосредоточены на углеродных сорбционных материалах как наиболее перспективных.
Однако для успешного применения систем АПГ (адсорбированного природного газа) на транспорте одного лишь правильного адсорбента недостаточно. Крайне важно обеспечить быструю заправку адсорбционного аккумулятора, желательно сопоставимую по скорости с заправкой традиционным жидким топливом. Кроме того, запас хода на одной заправке должен быть аналогичен показателям бензиновых или дизельных автомобилей.
Здесь возникают сложности, связанные с тепловыми эффектами. В процессе заправки адсорбент нагревается, что приводит к снижению его поглощающей способности. При выдаче газа происходит охлаждение, в результате чего часть газа остаётся в порах, сокращая тем самым дальность пробега. Следовательно, помимо выбора оптимального адсорбента, необходимо разработать инженерные решения для минимизации этих негативных тепловых эффектов и оптимизации процесса заправки.
— То есть, управление температурой адсорбента является ключевым аспектом?
— Именно так. Наши исследования подтвердили, что терморегулирование адсорбционной системы способно значительно увеличить объём газа, запасаемого при заправке, а также уменьшить количество остаточного газа в порах, который не поступает в двигатель.
— Какие инженерные подходы были разработаны для эффективного терморегулирования?
— Для регулирования температуры адсорбента в аккумуляторе предложено несколько методов. Это включает отвод тепла как от внешних стенок адсорбера, так и непосредственно из его внутреннего слоя с помощью специализированных теплообменных устройств. Также возможна заправка аккумулятора предварительно охлаждённым газом. Эти методы могут быть успешно скомбинированы.
— С какими основными трудностями вы столкнулись?
— Сложность заключается в том, что тепловые эффекты в адсорбционных системах крайне чувствительны к их размеру. Это означает, что результаты, полученные в ходе лабораторных экспериментов с небольшими адсорберами, крайне сложно масштабировать на крупные установки. Научная литература содержит относительно мало исследований, посвящённых полноразмерным аккумуляторам. Наша лаборатория является одной из немногих, кто фокусируется на изучении таких систем, проводя эксперименты и разрабатывая математические модели для установок объёмом до ста литров, что соответствует реальным промышленным масштабам.
Недавно мы завершили масштабное исследование циклических процессов заправки и выдачи газа из адсорбционных аккумуляторов объёмом от 24 до 150 литров. Эксперименты проводились при различных скоростях и давлениях, имитируя реальные условия на газонаполнительной станции и в процессе эксплуатации автомобиля. На основе полученных данных были разработаны математические модели с использованием методов вычислительной газодинамики, позволяющие с высокой точностью прогнозировать поведение адсорбционной системы в различных эксплуатационных режимах, включая применение различных систем терморегулирования.
— Каковы основные выводы ваших исследований?
— Во-первых, наши исследования показали, что внутреннее размещение теплообменных устройств в адсорбере значительно эффективнее внешнего отвода или подвода тепла к стенкам. Примечательно, что терморегулирование демонстрирует наибольшую эффективность при высоких давлениях (более 10 МПа) и средних скоростях заправки (до 100–150 л/мин). Однако при очень высоких расходах топлива (свыше 300 л/мин) оптимальным решением становится заправка предварительно охлаждённым газом в проточном циркуляционном режиме.
Далее мы выявили наиболее эффективные конфигурации теплообменников с отдельным контуром теплоносителя. Оптимальным оказалось использование внутреннего теплообменника с продольными рёбрами. Такая конструкция позволяет сократить время заправки до полной ёмкости почти в восемь раз по сравнению с системами АПГ без терморегулирования.
Было установлено, что применение адсорберов большого объёма более выгодно, поскольку в таких системах терморегулирование работает эффективнее, что, в свою очередь, значительно увеличивает пробег автомобиля на одной заправке.
В целом, необходимо найти оптимальный баланс между скоростью заправки и адсорбционной ёмкостью. Этот оптимум зависит от конкретных задач: иногда приоритетом является максимально быстрая заправка, а в других случаях важнее загрузить максимальное количество метана.
— Для полного высвобождения газа из системы требуется нагрев адсорбера?
— В основном, да. Контролируемый нагрев чаще всего даёт положительные результаты, но в некоторых ситуациях могут возникнуть нежелательные эффекты. Например, существует риск чрезмерного повышения давления в системе, однако эту проблему можно решить, ограничивая нагрев при достижении заданного порогового значения давления. Также следует учитывать, что при размещении адсорбера в ограниченном пространстве, например, в багажнике автомобиля, соседние предметы могут быть повреждены из-за повышенных температур.
С другой стороны, чрезмерное охлаждение адсорбера до отрицательных температур может вызвать образование конденсата и обледенение на его внутренних поверхностях, что также требует внимания и контроля.
— Есть ли у разработанных вами систем другие уникальные характеристики?
— Да, безусловно. Мы измерили адсорбционно-стимулированную деформацию используемого в наших системах адсорбента. Выяснилось, что при циклической эксплуатации АПГ-систем в реальных условиях объём адсорбента может изменяться до 2%.
— 2% кажется незначительным показателем.
— На первый взгляд, это немного, однако для адсорбера объёмом 150 литров такое изменение составляет почти 3 литра.
Адсорбционно-стимулированная деформация сильно коррелирует с температурой. При отрицательных температурах и низком заполнении пор адсорбент сжимается, уменьшая свой объём. По мере насыщения пор газовыми молекулами сжатие сменяется расширением, увеличивающим объём сорбента.
При более высоких температурах адсорбент демонстрирует исключительно расширение. В некоторых температурных диапазонах нами было зафиксировано начальное резкое расширение. Учёт адсорбционно-стимулированной деформации критически важен при проектировании конструкции адсорбера и определении оптимальных режимов его работы.
— На какой стадии находятся ваши исследования сейчас?
— На текущий момент мы добились значимых результатов в вопросе обеспечения максимального пробега транспортных средств на одной заправке. Принудительное терморегулирование позволяет не только повысить адсорбционную ёмкость пористого материала при заполнении, но и обеспечить более полное высвобождение газа при его выдаче, что предотвращает его задержку в порах и гарантирует стабильную работу двигателя. По этой теме уже опубликован ряд научных статей и получены патенты. Эти исследования в нашей лаборатории проводятся при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 24-79-00135).
Параллельно проводятся испытания легкового автомобиля, оснащённого нашими системами, у одного из потенциальных индустриальных партнёров, выразившего заинтересованность в переходе на газомоторное топливо для своего автопарка. Вероятно, именно такой подход — внедрение адсорбированного природного газа на корпоративном транспорте с фиксированным графиком работы — станет первым шагом к коммерческому успеху этой технологии, так как здесь можно наиболее эффективно реализовать экономические преимущества.
