12.05.2022. Сразу два мировых научных центра в марте и апреле 2022 года объявили о разработке новых материалов и технологий позволяющих хранить метан в газовом баллоне при более низком давлении.
По сообщению ТАСС от 08.03.2022 ученые Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ) разработали нанонаполнитель, позволяющий при низком давлении на 15% увеличивать объем метана в газовом баллоне. Технология полностью отработана и готова к выводу на российский рынок, сообщил директор инжинирингового центра ТГТУ Нариман Меметов.
«Как известно, сегодня в стране реализуется масштабный проект Минэнерго по развитию рынка газомоторного топлива в автомобильном транспорте. При этом газовые баллоны, в которых содержится метан, очень тяжелые и громоздкие, а газ в них находится под высоким давлением, что небезопасно при разгерметизации и может спровоцировать взрыв. В связи с чем мы разработали абсорбент для хранения метана, который позволяет поместить в баллон больше газа без применения высокого давления», — рассказал собеседник агентства.
Новый материал и технология дает возможность не только закачать в баллон на 15% больше метана, но и использовать облегченные емкости. «Технология получения нанонаполнителя в настоящий момент нами полностью отработана и готова к выводу на российский рынок, вопрос ее коммерциализации прорабатывается», — рассказал Нариман Меметов.
Спустя месяц в апреле Адам Матцгер (Adam Matzger), профессор химии Мичиганского университета (U-M) сообщил, что он и его коллега Алауддин Ахмед (Alauddin Ahmed), ассистент научного сотрудника в области машиностроения в Инженерном колледже U-M, нашли два металлорганических каркаса (MOF), которые ранее не тестировались, один из которых по совпадению был создан в лаборатории Мацгера. МОФ представляют собой жесткие пористые структуры, состоящие из металлов, соединенных органическими лигандами. Метан может храниться в MOF с помощью процесса, называемого адсорбцией. Их результаты опубликованы в Angewandte Chemie, журнале Немецкого химического общества.
Мацгер, который изучает материал, называемый металлорганическими каркасами (MOF), считает, что эти MOF обладают неиспользованным потенциалом для хранения метана, самого крупного компонента природного газа.
Проблема хранения компримированного природного газа (метана) состоит в том, что его необходимо хранить под очень высоким рабочим давлением от 200 атм и выше. Хранение природного газа под таким давлением требует специального оборудования и большого количества энергии.
Помимо этого необходимо учитывать, что баллон необходимо наполнять не один раз, а многократно. По мере использования газа давление в баллоне будет снижаться до 5 атм.
То есть чтобы ученым необходимо было найти наилучший материал, который одновременно накапливал бы метан при более низком давлении, но который также мог бы перерабатывать его до уровня давления, необходимого двигателю автомобиля.
“Идея заключается в том, что, имея адсорбент в резервуаре, вы можете хранить больше метана при более низких давлениях, чем могли бы без абсорбента, потому что это помогает удерживать метан при более низких давлениях”, — сказал Мацгер. “Итак, тогда проблема сводится к выбору адсорбента, и вот тут теория действительно пришла на помощь”.
Ассистент научного сотрудника Ахмед специализируется на разработке алгоритмов для прогнозирования свойств химических соединений и нанопористых материалов — таких материалов, как МОФ, которые обладают способностью накапливать молекулы, — и использовании компьютерного скрининга для идентификации конкретных нанопористых материалов. Он разработал метод скрининга основной базы данных из 1 000 000 MOF, которую он собрал из 21 различных баз данных.
“Почему этот материал важен, так это потому, что с химической точки зрения вы можете создать бесконечное количество таких MOF”, — сказал Ахмед. “Итак, вопрос в том, если число бесконечно, как вы находите хороший материал? Это все равно что искать иголку в стоге сена — на самом деле, это сложнее”.
Ахмед использовал два разных метода для скрининга двух разных классов MOF: открытый и закрытый.
Исследователи U-M смогли найти MOF с открытым металлическим участком — более привлекательной для молекул метана — на основе алгоритма, разработанного Доном Сигелом, профессором машиностроения в Техасском университете.
“Раньше, когда исследователи искали MOF для хранения метана, они не разделяли эти два класса MOF”, — сказал Ахмед. “Преимущество нашего моделирования в том, что у нас есть две отдельные модели. Мы отделили те соединения с закрытыми металлическими участками от соединений с открытыми металлическими участками, которые обладают большим сродством к этим молекулам метана”.
Команда обнаружила три MOF, которые хорошо работали бы для хранения метана, один из которых случайно разработала лаборатория Мацгера. Постдокторант Караби Нат смог синтезировать материалы с большой площадью поверхности и обнаружил, что их экспериментальная емкость по метану соответствует тому, что предсказывала теория. MOF, UTSA-76, UMCM-152 и DUT-23-Cu, хорошо работают, потому что у них много мелких пор, которые могут притягивать молекулы газа внутрь.
Мацгер представляет себе бак внутри грузовика, заполненный этими MOF. В настоящее время легковые и грузовые автомобили, переоборудованные для работы на природном газе, используют дорогие резервуары. Вместо этого водители могли бы использовать бак более низкого давления, заполненный UMCM-152, или один из двух других идентифицированных MOF.
“Что отличает это исследование от других, так это то, что мы установили рекорд по хранению метана. Эти MOF лучше, чем любой другой материал для хранения метана, ранее идентифицированный, и это помогает нам понять, приближаемся ли мы к практической системе ”, — сказал Мацгер. “Но что меня продолжает смешить, так это то, что один из идеальных MOF был прямо у нас под носом, а мы об этом не знали. Вот где теория, без сомнения, направила нас в правильном направлении”.
Итак два научных центра подошли к решению проблемы снижения давления в топливном резервуаре – баллоне высокого давления для автотранспорта с разных сторон.
Российские ученые пошли по пути поиска приемлемого абсорбента, американские – адсорбента.
Справочно: существует два основных сорбционных процесса: адсорбция и абсорбция. При абсорбции поглощаемое вещество или газ улавливается всем объемом абсорбента, при адсорбции — только поверхностью адсорбента.
Тем не менее ученые из двух стран решают одну из главных проблем газовых баллонов – снижение рабочего давления в баллонах. Во-первых, это позволит увеличить безопасность баллонов, ведь чем ниже рабочее давление, тем лучше работают стенки сосуда при циклической нагрузке, во-вторых, тем тонкостеннее, легче и дешевле можно сделать баллон.
Развитие подобных технологий это постепенный переход к так называемому в некоторых источниках пятому типу баллонов, основными отличиями которых по сравнению с предыдущими являются – ниже рабочее давление, больше объем газа.
Снижение рабочего давления в баллонах при сохранении заданного объема газа или его увеличении это также подготовка к использованию баллонов для использования водорода в рамках предполагаемого энергоперехода.
ТГТУ — ведущий технический вуз Тамбовской области, на базе которого действует технопарк «Вернадский», где в рамках деятельности научно-образовательного центра мирового уровня «Инженерия будущего» созданы новые лаборатории. Среди них лаборатория медицинских VR-тренажеров для обучения, диагностики и реабилитации человека.
U-M — Публичный исследовательский университет, расположенный в городе Анн-Арбор в штате Мичиган, США. Основан в 1817 году в Детройте, но спустя двадцать лет переехал в Анн-Арбор. Мичиганский университет является старейшим университетом в штате, входит в состав так называемой «Общественной лиги плюща» и Ассоциации американских университетов, а также имеет два дополнительных кампуса, расположенных в Дирборне и во Флинте.
