Ученые Пермского Политеха разработали модель для эффективного производства энергии из природного газа

Крупные и легкодоступные месторождения газа, открытые десятилетия назад, постепенно истощаются. Их запасов уже недостаточно для покрытия растущих мировых потребностей в энергии. Поэтому добывающие компании вынуждены осваивать новые, более сложные регионы — арктический шельф, глубоководные участки морей, удаленные районы Сибири и Дальнего Востока. Именно там сосредоточены основные неразработанные запасы газа.

Природный газ в основном состоит из метана (на 70-98%). Это ценное топливо для электростанций, заводов и транспорта, но проблема в том, что не весь добытый газ можно доставить потребителям. Он часто содержит примеси, которые необходимо очищать, а строить гигантские очистные комплексы и газопроводы от каждой удаленной скважины невероятно дорого. В итоге до 30% ценного ресурса сжигают прямо на месте. Это не только экономически невыгодно, но и наносит вред климату из-за выбросов CO₂.

– Сейчас проблема решается через создание компактных малотоннажных установок, которые можно разместить прямо у скважины. Их задача — не сжигать газ, а перерабатывать его в более полезные продукты. Ключевой элемент такой установки — химический реактор. По сути, это длинная труба, где метан под высоким давлением и температурой смешивается с водяным паром и пропускается через катализатор — специальное вещество, ускоряющее реакцию в тысячи раз. Весь этот процесс называется конверсией, и в результате получается синтез-газ – смесь водорода и угарного газа. Этот продукт можно использовать для генерации электроэнергии или превращать в жидкое топливо, которое легко транспортировать, – объясняет Евгений Мошев, заведующий кафедрой «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ, доктор технических наук.

В мире подобных малотоннажных установок всего несколько сотен. Это в том числе связано с тем, что несмотря на пользу для экологии и возобновление ресурсов, их маленький размер ограничивает объемы переработки и делает ее нерентабельной. Конверсия метана, то есть то, сколько газа удается переработать, на таких аппаратах обычно составляет всего 60-75%. Перед специалистами стоит задача сделать эти установки эффективнее, чтобы сократить количество сжигаемого ресурса и выбросы углекислого газа в атмосферу.

Повысить эффективность переработки можно за счет увеличения длины реактора и количества катализатора — так у молекул газа будет больше времени и возможностей вступить в реакцию. Однако у этого способа есть серьезный недостаток: реакция требует постоянного нагрева, и в длинном реакторе температура распределяется неравномерно — в начале она высокая, а ближе к концу сильно падает. Из-за этого катализатор на выходе перестает работать, и установка становится нестабильной.

Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха создали точную компьютерную модель такой установки, которая показывает, как меняются температура и состав газа вдоль трубы. Это позволило рассчитать оптимальную длину реактора, при которой катализатор работает максимально эффективно без перерасхода энергии и материалов.

– Для расчета мы взяли минимальную температуру, при которой метан вступает в реакцию, но не требует избыточных энергозатрат, и допустимый объем газа, который можно подать в компактный реактор. Модель показала, что при 750°C и расходе газа 0,01 кг/с достаточно реактора длиной 1,2 метра. Увеличение длины привело бы к росту капитальных и эксплуатационных затрат без существенного повышения эффективности, – комментирует Илья Слабоденюк, заведующий учебной лабораторией кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ.

Разработка ученых Пермского Политеха решает ключевую проблему энергетики и экологии — утилизацию попутного нефтяного газа, который сегодня массово сжигается на удаленных месторождениях. Предложенная учеными компьютерная модель позволяет создавать компактные и экономичные установки для переработки метана с эффективностью в 90%. Это дает практическую пользу добывающим компаниям, работающим в труднодоступных регионах (Арктика, шельф, Сибирь), позволяя превращать бесполезно сжигаемый газ в ценный синтез-гас для генерации энергии или производства жидкого топлива прямо на месте. Таким образом, разработка вносит прямой вклад в сокращение вредных выбросов и повышение ресурсоэффективности всей газодобывающей отрасли.

Статья опубликована в сборнике конференции «Химия. Экология. Урбанистика». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030»

фото: pikisuperstar, freepik.com