Метановое будущее человечества

Беседа с Анатолием Алексеевичем Фомкиным, заведующим лабораторией сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, доктором физико-математических наук – о том, почему метан – это газ будущего, когда Россия пересядет на метановый транспорт и можно ли создать невидимый летательный аппарат.

– Анатолий Алексеевич, у вас при входе в институт стоит чудесная машина, у которой совершенно другие принципы движения, чем у привычных нам автомобилей. Что это такое?

– Это, скорее, все-таки не принципы движения, а наша разработка, связанная с попыткой заменить существующие виды топлива – бензин и дизельное топливо – на природный газ метан. В этом есть большой смысл, потому что запасы природного газа велики, а запасы нефти не очень, и есть перспективы их истощения в ближайшем будущем. Поскольку традиционные топлива основываются на продуктах переработки нефти, то и здесь могут возникнуть некие проблемы с использованием автомобилей. Использование природного газа перспективно и экономически выгодно, но возникают проблемы бортового хранения газа в сжатом виде.

– Для чего?

– Плотность газа невелика, и поэтому, чтобы эффективность работы двигателя автомобиля была высокой, необходимо его сжать. Это можно делать разными методами: можно просто сжимать с помощью компрессора, можно сжижать. Но у каждого из этих методов существуют свои недостатки. Мы предлагаем использовать метод адсорбционного концентрирования, который позволяет аккумулировать природный газ в адсорбированном состоянии.

–Чем же этот метод лучше?

– Дело в том, что если мы берем высокопористые адсорбенты, то они позволяют нам иметь дело не просто с газом, а с газом очень высокой плотности, близким к плотности жидкости. В таком случае система, которую мы используем, приобретает новые свойства. Во-первых, она становится менее опасной с точки зрения взрыва, потому что сам природный газ находится в высокодиспергированном адсорбированном состоянии. Далее, использование природного газа обеспечивает нам понижение затрат на эксплуатацию автомобиля, его ремонт и поддержание в работоспособном состоянии. Ну, и, соответственно, это может решить некие социальные задачи, связанные с понижением оплаты за проезд на, допустим, городском транспорте. В этом направлении наши работы идут в тандеме с ПАО «Газпром». Это целая программа по использованию, применению, хранению и транспортировке природного газа.

– И та машина, что у вас стоит в холле, демонстрирует как раз эти принципы?

– Да, это автомобиль на адсорбированном природном газе, который мы смогли запустить. Была использована модель «Лада Веста» – наша отечественная, – и в этом смысле, я думаю, у нас интересные перспективы для нашего отечественного потребителя. Можно получить хороший автомобиль, эксплуатация которого будет значительно дешевле и безопасней.

– А где можно будет заправиться?

– Наш адсорбционный метод позволяет создать систему заправок, которую можно реализовать внутри города. Сейчас среднее расстояние между заправочными станциями в Москве составляет около трех километров. Так вот, система газозаправочных газовых станций может быть с такой же частотой реализована в городах. Особенно в крупных городах это очень выгодно. Сейчас, к сожалению, эта система высокого давления, она плохо задействована – всего восемь станций по периметру Московской кольцевой автодороги, – и массового применения сжатый природный газ пока в наших условиях не получил. Мы считаем, что можно заправлять нашу систему на автомобиль при более низких давлениях, и она будет пожаро- и взрывобезопасна, дешевле и экономичнее.

– И экологичнее.

– Да, и экологичней, конечно: продукты сгорания метана менее токсичны, легколетучи, а значит, менее опасны, чем продукты сгорания, которые выделяются при сжигании традиционных топлив. Поэтому мы считаем, что в этом направлении очень большие перспективы дальнейшего развития транспортной системы Москвы, России и зарубежных стран.

– Такие работы идут во всех странах?

– Да. Мы это отслеживаем, во-первых, среди своих коллег. Далее – мы видим массу публикаций в зарубежных изданиях. Это весьма актуальная тема. И дело не только в автомобильном транспорте. Есть еще тема транспортировки природного газа для удаленных потребителей. Там, где невыгодно протянуть трубу, а легче, допустим, довезти газ потребителю в соответствующей системе хранения, мы предлагаем адсорбционные газовые терминалы для этого, которые унифицированы и выполнены в размерах обычных стандартных контейнеров. Они могут быть погружены на любой вид транспорта и доставлены в какое-то село, дом отдыха, войсковую часть. Такая разработка была проведена для ПАО «Газпром», мы сделали блок адсорбционного газового аккумулирования и передали компании для дальнейших испытаний.

– Каким образом вы проводите свои исследования?

– Мы выбрали специальный адсорбент и теоретически просчитали, какие структуры нужны для того, чтобы эффективно аккумулировать метан. Мы специально провели исследования по поиску пористых структур, которые обеспечивают высокую плотность адсорбированного метана, с тем, чтобы количество природного газа, которое запасается, было достаточно большим. Мы создали модель оптимальной пористой структуры адсорбента, внутрь которой попадает природный газ, анализировали его структуру и диффузию молекул метана из одной поры в другую. При этом адсорбционное поле увеличивает плотность газа в самих нанокристаллитах и за счет этого можно, таким образом, природный газ хранить.

Но дальнейшие исследования показали, что система хоть и работает, но не так эффективно, как хотелось бы. Дальнейшие наши исследования проходили по двум направлениям. Были выбраны активные угли, которые позволяют создавать поры разного размера, менять энергию адсорбции. И, тем самым, можно варьировать разные параметры с тем, чтобы запасти как можно большее количество природного газа метана. Поры, которые здесь используются, имеют размеры около 10-12 ангстрем, – это величины, соизмеримы с размерами молекул метана. Вот в этом и состоит успех дела. Надо выбрать поры с размерами не больше, чем оптимальные, потому что мы при этом теряем энергию адсорбции, но и не меньше. Надо было всё оптимально подобрать.

Теоретически просчитали, нашли методы синтеза таких адсорбентов, синтезировали, и вот перед вами – один из примеров, который мы компактировали для того, чтобы увеличить плотность адсорбированного вещества в единице объема в системе хранения. Его мы сделали для адсорбционного газового терминала для снабжения населения природным газом в адсорбционном состоянии. Кроме того, очень перспективными сейчас считаются адсорбенты на основе металлоогранических каркасных структур. Их мы тоже синтезируем и испытываем.

– Из какого материала вы их делаете?

– Это композитный материал – уголь вперемешку с медью. Дело в том, что эти структуры настолько лабильные и готовые менять свои размеры, что их надо защитить. Поэтому был сделан специальный материал на основе смеси активного угля с металлоорганическими каркасными структурами. И это дало возможность увеличить адсорбционную активность, то есть количество запасаемого метана в единице объема стало выше, чем у некоторых перспективных активных углей. В частности, были использованы компактированные гексагональные структуры из активированного угля. Кроме того, мы использовали форму цилиндров, а также кирпичиков, которыми мы заполняли объемы системы хранения.

– Все эти разноцветные модели разных форм и размеров чем-то похожи на детские конструкторы.

– Возможно, внешне это выглядит как игра, но так появляются важные научные идеи. Когда мы создаем новую структуру, изначально она имеет вид мелкодисперсного порошка. Дальше нам надо выбрать такую смесь порошков, которая обеспечит высокую плотность. Не из любого порошка с обычным хаотичным распределением мы получим высокую плотность. При определенном соотношении, если это бимодальное распределение, мы должны выбрать первый модуль, затем второй, и тогда, когда мы все это перемешали, получается система высокой плотности. При этом нам удается поднять плотность примерно в полтора раза. Это важно для конечного результата, то есть запасения аккумуляторами природного метана. Видите шарики? Они нам позволяют смоделировать те структуры, которые потом возникают при формовании и обеспечивают нам самую высокую плотность. Так что это не просто игрушка – это сложная система, обеспечивающая моделирование укладки частиц активного угля разных размеров так, чтобы они обеспечивали высокую плотность.

– Как я понимаю, вы хотите всю Россию пересадить на такие экологичные дешевые автомобили, всех снабдить природным газом для разных целей и нужд. Что еще?

– Всё верно понимаете. И действительно, у нас есть амбициозные планы. Дело в том, что сейчас у нас основой транспортной системы являются газопроводы. Это, в общем-то, правильное решение, когда нужно на большие расстояния большие объемы газа  передать. Но успех дела на самом деле зависит от конечного потребителя. Если этот конечный потребитель далек от трубы, то тогда ваша труба становится незадействованной. Поэтому нужно обеспечить, во-первых, систематическую подачу природного газа по этой трубе. Зимой наша страна находится в зоне низких температур. Трубная система может не справляться полностью с потребностями населения. Мы предлагаем: давайте сделаем наземные адсорбционные газовые хранилища. Здесь есть масса выгодных моментов. Во-первых, мы можем строить такие хранилища не так, как сейчас. Мы можем посекционно наращивать емкость этого хранилища. Нужно наращивать? Наращиваем. Мы можем обеспечить оптимальное функционирование системы путем наращивания емкости природного газа, который находится в адсорбционном состоянии.

– Это не опасно?

– Нет, газ находится в пористой структуре. Любой разрыв не приведет к взрыву, потому что метан диспергирован самим адсорбентом. Физика явления не позволяет этого делать. При десорбции, то есть когда газ выходит, происходит охлаждение адсорбента, и это тормозит процесс диффузии, тем самым, эффект, который бы обеспечил взрыв, физически отсутствует. Можно сделать такие наземные газовые хранилища, которые обеспечат нам легкую эксплуатацию. Кроме того, газ, находящийся в адсорбционном состоянии, изначально чистый. В том числе на выходе. Не нужно делать системы очистки, которые необходимы в случае подачи газа из подземных хранилищ. Естественно, можно эту систему располагать там, где это надо, а не там, где можно, в том числе, где есть каверны под землей. Это все делается на земле, на виду, без всякого риска, и экономические риски становятся ничтожными.

– А летательные аппараты возможны на основе предлагаемых вами технологий?

– Да, мы работаем с такими устройствами, и здесь большая часть наших усилий связана с водородом. Там можно сделать интересные разработки, связанные с полетом малосветящихся дронов, которые при использовании тепловых двигателей могут быть легко обнаружены. В случае использования водорода и топливных элементов ничтожные выделения тепла не приводят к какому-то эффекту, связанному с их обнаружением, и они становятся незаметными.

– Фактически невидимыми?

– Да, можно сказать и так. Стоит только вопрос, как хорошо адсорбировать. Значит, должна быть правильно подобранная пористая структура и адсорбент с определенным химическими состоянием поверхности. В этом направлении мы также работаем.