Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование комплексной низкотемпературной адсорбционной системы аккумулирования природного газа с повышенной пожаровзрывобезопасностью и энергоэффективностью.

Докладчик: Фомкин Анатолий Алексеевич

Должность: Заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук

Цель проекта:
Проблема: РФ обладает крупнейшими в мире запасами природного газа и обеспечивает около 18% мирового производства природного газа. Природный газ является стратегическим видом топлива для России, и его доля в структуре первичного энергопотребления превышает 50%. Средний уровень газификации в России в 2013 составил 65,3%, в том числе в городах — 70,9%, и в сельской местности — 54%. Несмотря на высокие затраты ОАО «Газпром» (33,9 млрд рублей в 2013 году) уровень газификации на данный момент недостаточен и медленно растет. При этом доля природного газа в структуре энергопотребления РФ будет только увеличиваться, в том числе благодаря намеченной программе по переводу транспорта (общественного городского транспорта и транспорта дорожно-коммунальных служб) на природный газ согласно распоряжению Правительства РФ №767-р от 13 мая 2013 г. На сегодняшний день транспортирование природного газа осуществляется по газопроводам или в мобильных системах хранения, в которых газ может храниться в сжатом или сжиженном состояниях. Газопроводный способ позволяет транспортировать газ в автономном и непрерывном режиме, способ достаточно технологичный и освоенный. Основным недостатком газопроводного способа является его чрезмерная дороговизна. Даже для небольшой деревни или села необходимо осуществить целый ряд трудоемких и дорогостоящих работ по укладке газопровода. С каждым годом рентабельность подобных проектов снижается, поскольку крупные потребители в большинстве своем уже подключены. В этом случае для обеспечения труднодоступных и удаленных районов, особенно тех, в которых проживает относительно небольшое количество населения, выгоднее транспортировать природный газ в специальных системах хранения. Транспортировка природного газа в сжиженном состоянии обычно применяется для перевозки огромных количеств газа, особенно, в тех случаях, когда строительство газопровода затруднено (например, морским путем). Системы сжиженного природного газа (СПГ) требуют создания специальной инфраструктуры, как на месте производства, так и на месте потребления. Это затрудняет использование СПГ для дальнейшей газификации РФ. В системах СПГ непрерывно происходит испарение природного газа, что в отсутствие потребления, требует либо сброса газа в окружающую среду, либо использования дорогостоящих систем реконденсации паров. Кроме того, необходимо отметить повышенную пожаровзрывоопасность систем СПГ, поскольку прочность криогенных сосудов невысока, а плотность испаряющегося газа выше плотности воздуха, что приводит к тому, что холодный природный газ концентрируется и стелется по поверхности земли. На сегодняшний день активно разрабатываются и применяются в реальном секторе экономики передвижные автомобильные газовые заправщики (ПАГЗ), в который газ перевозится в компримированном (сжатом до 250 атм) состоянии (КПГ – компримированный природный газ). Данные системы достаточно удобны, однако, при этом обладают рядом недостатков. Основным недостатком является очень высокое давление, что требует существенных затрат энергии на заправку, а также повышает пожаро- и взрывоопасность данных систем. Известны случаи взрывов баллонов КПГ, например, в г. Москва 9 мая 2013 года, когда серьезные повреждения получил автобус и была ранена женщина. В Пакистане, в г. Гуджарат 25 мая 2013 года в результате взрыва баллона в микроавтобусе и последующего пожара 17 детей погибли и еще 7 были госпитализированы. Хотя в данных случаях аварии происходили на транспортных топливных системах КПГ, ПАГЗ также подвержены подобной опасности, поскольку существующие конструкции ПАГЗ во многом повторяют топливные системы автомобилей, во многих случаях применяются те же баллоны. В случае ПАГЗ количество аккумулируемого газа в десятки раз превышают количество газа взорвавшихся баллонов. Кроме систем хранения и транспортирования природного газа в РФ существуют проблемы наземного хранения природного газа и перевода транспорта на природный газ. Существующие системы аккумулирования в сжатом и сжиженном состоянии не решают сложившиеся проблемы в силу своих недостатков, ограничивающих их применение в реальном секторе экономики. Цель выполнения ПНИ: Разработка и изготовление экспериментального образца комплексной низкотемпературной адсорбционной системы аккумулирования – мобильного адсорбционного газового хранилища (далее МАГХ) для транспортировки природного газа (метана) к удаленным потребителям. Значимость проекта и его результатов в решении проблемы: - уменьшение затрат энергии заправки мобильных систем хранения природного газа при переходе на технологию адсорбционного аккумулирования; - снижение риска аварий с участием мобильных систем хранения природного газа, в том числе передвижных автомобильных газовых заправщиков; - обеспечение потребителей природным газом с помощью адсорбционных систем аккумулирования природного газа с повышенной пожаровзрывобезопасностью ; - увеличение уровня газификации населения и промышленных объектов в РФ за счет транспортирования адсорбированного природного газа в негазифицированные районы; - наработка научно-технического задела в области адсорбционных систем аккумулирования природного газа, что позволит применить полученные результаты для разработки и создания адсорбционных систем аккумулирования для транспорта и в системах наземного хранения.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области адсорбционного аккумулирования природного газа (метана) – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009-2014 гг. с обоснованием и выбором направления исследований и способов решения поставленных задач;
- принципиальную технологическую схему экспериментального образца мобильного адсорбционного газового хранилища (МАГХ);
- математическую модель для расчетов основных характеристик (количество газа, степень опорожнения, затраты энергии, теплообменные поверхности и т.п.) и оптимальных режимов работы (по давлению, температуре и др.) экспериментального образца МАГХ;
- оценку основных характеристик и ожидаемых оптимальных режимов работы экспериментального образца МАГХ по результатам математического моделирования. Предварительные рекомендации и предложения по конструкции, исследованиям и испытаниям экспериментального образца МАГХ;
- результаты исследования статических и кинетических адсорбционных характеристик доступных промышленных адсорбентов (не менее 7 марок) с выбором адсорбентов (2-3 марки), обладающих наилучшим сочетанием адсорбционных характеристик и стоимости, для разработки на их основе новых адсорбционных материалов;
- результаты исследований основ технологии создания новых адсорбционных материалов для аккумулирования природного газа (метана);
- результаты исследований сорбционных и термодинамических характеристик при статических и циклических условиях работы первой и второй партий масштабированных образцов новых адсорбционных материалов;
- результаты исследований прочностных характеристик и влияния на них циклических условий работы первой и второй партий масштабированных образцов новых адсорбционных материалов;
- результаты исследований статических и циклических процессов заправки (энергосберегающей, низкотемпературной и др.) и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ;
- предложения и рекомендации по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
2.2 Отчеты о патентных исследованиях (на 2014-ый год) и дополнительных патентных исследованиях (за 2015-2016 гг.), оформленные в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
2.3 Методика исследований статических и кинетических адсорбционных характеристик адсорбентов.
2.4 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для исследований статических и кинетических характеристик адсорбентов.
2.5 Методика исследований основ технологии создания новых адсорбционных материалов, обеспечивающих эффективные для аккумулирования природного газа (метана) характеристики адсорбентов: высокую плотность упаковки, прочность, долговечность, оптимальные структурно-энергетические и кинетические характеристики.
2.6 Маршрутные карты на создание первой (в 2014 году) и второй (в 2015 году) партии масштабированных образцов.
2.7 Методики исследований сорбционных и термодинамических характеристик при статических и циклических условиях работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.
2.8 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для исследований сорбционных и термодинамических характеристик при статических условиях работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.
2.9 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для реализации циклических условий работы и исследования их влияния на сорбционные, термодинамические и прочностные характеристики масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.
2.10 Методика исследований прочностных характеристик и влияния на них циклических условий работы полученных масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.
2.11 Лабораторный технологический регламент на изготовление адсорбционного материала для снаряжения экспериментального образца МАГХ.
2.12 Маршрутная карта на изготовление адсорбционного материала для снаряжения экспериментального образца МАГХ.
2.13 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец МАГХ.
2.14 Проект технических условий на адсорбционный материал для снаряжения экспериментального образца МАГХ.
2.15 Методика исследования статических и циклических процессов заправки (энергосберегающей, низкотемпературной и др.) и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ.
2.16 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для исследования статических и циклических процессов заправки (энергосберегающей, низкотемпературной и др.) и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ.
2.17 Программа методики испытаний экспериментального образца МАГХ.
2.18 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка опытного образца мобильного адсорбционного газового хранилища».
2.19 Отчет о маркетинговых исследованиях, охватывающих возможные направления коммерциализации результатов ПНИ.
2.20 Бизнес-план.
2.21 Технико-экономическое обоснование разработки продукции.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые адсорбционные системы аккумулирования природного газа могут быть использованы для транспортирования природного газа в удаленные районы. Повышенная пожаровзрывобезопасность данных систем позволяет снизить риск аварий и открывает возможности для использования систем в условиях плотной застройки. Высокая энергоэффективность (вплоть до 100% экономии затрат энергии) снижает затраты на сжатие газа, что позволяет снизить стоимость подаваемого потребителям природного газа или повысить рентабельность самой мобильной системы транспортирования. При использовании охлаждения возможно получение очень высоких показателей аккумулирования природного газа (до 350 нм3/м3), что значительно превышает количество газа в обыкновенных ПАГЗ – в этом случае можно сэкономить на количестве необходимых перевозок и транспортных средств.
Оценить масштабы применения разрабатываемой системы достаточно сложно ввиду отсутствия конкурентного рынка в области газификации, которая осуществляется, в основном, в рамках государственной программы, нежели вследствие высокой рентабельности. Однако, затраты ОАО «Газпром» на газификацию в 2013 году составили 33,9 млрд. рублей, что позволяет оценивать потенциальный рынок адсорбционных систем аккумулирования, по меньшей мере, в 5-10 млрд. рублей в год.
Переход на новую технологию позволит осуществлять газификацию РФ без серьезных капитальных вложений, что повысит рентабельность самой программы газификации. Расширение рынка использования природного газа положительно скажется на экологической ситуации, поскольку природный газ является одним из самых экологичных видов топлива.
Создание адсорбционных систем аккумулирования природного газа потребует применения ряда нестандартных технических изделий, включая высокоэффективный адсорбционный материал, что приведет к созданию новых или расширению имеющихся предприятий и соответственно к созданию новых рабочих мест.
Предлагаемые в рамках ПНИ решения носят нестандартный характер, обуславливающий повышенную ценность создаваемой в рамках ПНИ интеллектуальной собственности. Подобные технологии на данный момент не применяются в мире. Результаты работы могут иметь большое влияние на развитие международных исследований в этой области энергетики и будут способствовать развитию международного сотрудничества,обеспечения материально-технической и информационной инфраструктуры.
Полученные при выполнении ПНИ результаты также могут быть использованы для разработок и исследования адсорбционных систем аккумулирования, предназначенных для других задач, например, для хранения природного газа в топливной системе на транспорте или для наземного хранения.

Текущие результаты проекта:
1. Разработан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области адсорбционного аккумулирования природного газа (метана) – 15 научно-информационных источников за период 2009-2014 гг. с обоснованием и выбором направления исследований и способов решения поставленных задач.

2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

3. Разработана принципиальная технологическая схема экспериментального образца мобильного адсорбционного газового хранилища (МАГХ).

4. Разработана математическая модель для расчетов основных характеристик (количество газа, степень опорожнения, затраты энергии, теплообменные поверхности и т.п.) и оптимальных режимов работы (по давлению, температуре и др.) экспериментального образца МАГХ.

5. Проведена оценка основных характеристик и ожидаемых оптимальных режимов работы экспериментального образца МАГХ по результатам математического моделирования. Разработаны предварительные рекомендации и предложения по конструкции, исследованиям и испытаниям экспериментального образца МАГХ.

6. Разработаны методики исследований статических и кинетических адсорбционных характеристик адсорбентов.

7. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследований статических и кинетических адсорбционных характеристик адсорбентов.

8. Проведено исследование статических и кинетических адсорбционных характеристик доступных промышленных адсорбентов (не менее 7 марок) с выбором адсорбентов (2 марки), обладающих наилучшим сочетанием адсорбционных характеристик и стоимости, для разработки на их основе новых адсорбционных материалов.

9. Разработана методика исследований основ технологии создания новых адсорбционных материалов, обеспечивающих эффективные для аккумулирования природного газа (метана) характеристики адсорбентов: высокую плотность упаковки, прочность, долговечность, оптимальные структурно-энергетические и кинетические характеристики.

10. Проведены исследования основ технологии создания новых адсорбционных материалов для аккумулирования природного газа (метана).

11. Разработана и изготовлена первая партия (5 штук) масштабированных образцов новых адсорбционных материалов в соответствие с результатами исследований основ технологии.

Результаты работ, выполненных за счет внебюджетных средств (выполненных Индустриальным партнером за счет собственных средств):
12. Разработаны методики исследований сорбционных и термодинамических характеристик при статических и циклических условиях работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.

13. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследований сорбционных и термодинамических характеристик при статических условиях работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.

14. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для реализации циклических условий работы и исследования их влияния на сорбционные, термодинамические и прочностные характеристики масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.

15. Проведены исследования сорбционных и термодинамических характеристик при статических и циклических условиях работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.

16. Разработаны методики исследований прочностных характеристик и влияния на них циклических условий работы масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.

17. Проведены исследования прочностных характеристик и влияния на них циклических условий работы полученных масштабированных образцов новых адсорбционных материалов.