Результат интеллектуальной деятельности: Комплекс по производству и поставке водородосодержащего топлива в заправочные станции для транспортных средств

Изобретение относится к комплексу по производству и поставке водородсодержащего топлива в заправочные станции для транспортных средств, а именно к обслуживанию и работе заправочных станций, производству и хранению водородсодержащего топлива и его доставки в заправочные станции для раздачи по транспортным средствам.

Из уровня техники известна система экологически чистой водородной энергетики для транспортных средств и электромобильного транспорта (см. патент RU 2179120 С2, опубл. 10.02.2002) для получения газообразного водорода и его раздачи для заправки автомобильного транспорта. Данная система предусматривает производство водорода путем электролиза воды посредством электроэнергии от атомной электростанции создание инфраструктуры для хранения, транспортирования и заправки автомобилей водородом и последующую регенерацию электроэнергии на автомобиле с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или топливных элементов.

Недостатком данного решения, является большой расход электроэнергии необходимый для получения водорода из воды. Еще одним существенным недостатком водородной энергетики является дороговизна топливных элементов из-за содержания в них драгоценных металлов.

Наиболее близким аналогом изобретения, выбранным в качестве прототипа является комплекс по производству, хранению и распределению водорода (см. патент RU 2713349 С1, опубл. 04.02.2020), включающий в себя подземное хранилище газа, станцию по производству метано-водородной смеси, сегмент водород потребляющих предприятий, сегмент захоронения углекислого газа и скважину для подземного хранения водорода и/или метано-водородной смеси.

Недостатком данного решения, является то, что для использования чистого водорода в качестве топлива требуется доработка конструкции двигателя транспортных средств.

Техническим результатом данного изобретения является создание комплекса с высокой эффективностью применения водородсодержащего топлива в качестве горючего.

В соответствии с настоящим изобретением в качестве водородсодержащего топлива используется водородсодержащая смесь или водород, которые поставляются к заправочным транспортным средствам и в зависимости от которых осуществляется компоновка комплекса. На рис. 1 представлен общий вид комплекса по производству и поставке водородсодержащего топлива в заправочные станции для транспортных средств. Комплекс включает в себя магистральный газопровод 1 природного газа, соединенный с установкой 2 по производству водородсодержащей смеси, блок 3 по выделению СО₂, по меньшей мере одну скважину 4 для закачки СО₂, по меньшей мере одно хранилище 5 водородсодержащей смеси, которая подается через газопровод 6 в по меньшей мере одну заправочную станцию 7. При реализации комплекса также может быть предусмотрен блок 8 разделения водородсодержащей смеси на отдельные компоненты и для выделения водорода. В этом случае комплекс также содержит газопровод 9 для возвращения выделившегося природного газа в магистральный трубопровод 1.

Установка 2 по производству водородосодержащей смеси входит в состав комплекса и является одним из главным объектов в нем. Технологическая схема установки 2 по производству водородосодержащей смеси состоит из узла смешения природного газа с водяным паром, подогревателя, где теплоносителем является природный газ, предназначенный для нагревания природного газа и водяного пара, конвертора, предназначенного для паровой конверсии метана, сепаратора для выделения воды от водородосодержащей смеси.

Производительность установки по производству водородосодержащей смеси должна составлять суммарную величину производительности по выпуску топлив двух групп заправочных колонок, находящихся в заправочной станции транспортных средств.

Конвертор изготавливается из обычной стали. Форма конвертора - цилиндрическая, высотой 9-10 м. Внутри конвертора на полках расположены катализаторы. Нагретая смесь природного газа и водяного пара, проходя через слой катализаторов, конвертируется на водородосодержащую смесь. На выходе из конвертора получаем водородосодержащую смесь совместно с водяным паром и углекислым газом.

В состав установки по производству водородосодержащей смеси входит сепаратор, где происходит выделение воды из водородосодержащей смеси, теплообменники для охлаждения выпускаемого продукта и нагревания поступающего в конвертор природного газа.

Другим важнейшим объектом комплекса является блок 3 по выделению СО₂. При производстве водородосодержащей смеси из природного газа методом паровой конверсии метана получается в виде балласта углекислый газ. Количество углекислого газа в водородосодержащей смеси составляет от 3 до 10% по объему. Перед потреблением водородосодержащей смеси необходимо находящийся в ней углекислый газ выделить и отправить в систему для захоронения. Для этого в составе комплекса может быть предусмотрено по меньшей мере одна скважина 4 для закачки СО₂.

В настоящее время существует два способа выделения углекислого газа из таких сложных по составу смесей. Первый способ хорошо разработан, это абсорбционный метод, который широко применяется в промышленности. Второй метод является перспективным, но в настоящее время нужно провести исследовательские работы по применению мембранной технологии выделения CO₂ из водородосодержащей смеси.

В настоящее время разработана технология, и широко применяется захоронение углекислого газа в глубокозалегающих пористых структурах - водоносных, газовых и нефтяных месторождениях.

При выборе района строительства завода по производству водородосодержащей смеси необходимо учитывать и требования, по возможности, геологического способа захоронения углекислого газа.

В составе комплекса может быть предусмотрен блок захоронения углекислого газа (на чертеже не показан), состоящий из компрессорной станции для создания необходимого давления в газопроводе для транспортировки углекислого газа, скважине 4 для закачки и пласте для размещения углекислого газа.

Глубина пласта захоронения углекислого газа выбирается с таким расчетом, чтобы он в условиях хранения был жидком состоянии. Тогда его объем значительно уменьшится.

Для регулирования неравномерности потребления водородосодержащей смеси заправочными станциями транспортных средств или же блоком 8 разделения водородсодержащей смеси на отдельные компоненты в составе комплекса может быть предусмотрено по меньшей мере одно подземное хранилище 5 водородосодержащей смеси.

В настоящее время рассматривается хранение водородосодержащей смеси в подземных хранилищах, созданных в пористых структурах или в непроницаемых устойчивых горных породах. Учитывая высокую стоимость водородосодержащей смеси по сравнению с природным газом, предпочтительным является способ хранения в устойчивых непроницаемых горных породах. Хорошо освоено в промышленных масштабах создание подземных аккумуляторов в отложениях каменной соли через буровые скважины методом управляемого подземного растворения горной породы. Такие аккумуляторы (резервуары) создаются на глубине 1000-2000 м во всех морфологических типах каменной соли - пластовых, пластово-линзообразных, линзообразных, куполах и штоках. Количество подземных резервуаров в хранилище зависит от объема хранимой водородосодержащей смеси. При этом для обеспечения надежности эксплуатации подземного хранилища количество подземных резервуаров в хранилище рекомендуется не менее двух единиц.

Как уже указывалось выше, в состав комплекса также может входить блок 8 разделения водородсодержащей смеси на отдельные компоненты, а именно Н₂ и СН₄. Данный блок устанавливается на заправочных станциях транспортных средств, когда требуется получение водорода с чистотой не менее 99,99%. Блок разделения водородосодержащей смеси на отдельные компоненты состоит из мембранного аппарата и адсорбера. В настоящее время мембранные аппараты позволяют получить водород из водородосодержащей смеси с чистотой до 99,2-99,4%. Для получения водорода с чистотой до 99,99% после мембранного аппарата устанавливается адсорбер. Выделившийся природный газ в блоке 8 разделения водородосодержащей смеси по газопроводу 9 возвращается в магистральный газопровод 1 с дальнейшим поступлением на установку 2 по производству водородосодержащей смеси.

Реализация предлагаемого изобретения предусматривает подачу водородсодержащего топлива к заправочным станциям транспортных средств в виде водородсодержащего топлива или водорода, которые могут быть получены из природного газа, который имеет широко разветвленную сеть по всей территории европейской части Российской Федерации.

В соответствии с предлагаемым техническим решением природный газ (СН₄) по магистральному газопроводу 1 подается на установку 2 по производству водородосодержащей смеси. Перед подачей водородосодержащей смеси в заправочную станцию 7 из нее в специальном разделительном блоке 3 выделяется СО₂ с дальнейшим направлением его на захоронение в поглощающий пласт через скважину 4. Полученная водородсодержащая смесь разделяется в дальнейшем на два потока. Один поток основной - составляет водородосодержащая смесь, которая через газопровод 6 направляется к заправочным станциям 7 для транспортных средств, а второй поток направляется подземное хранилище 5 водородосодержащей смеси для обеспечения надежности поставки водородосодержащей смеси в заправочные станции транспортных средств. Таким образом, очищенная от углекислого газа водородосодержащая смесь с содержанием водорода 20-40% подается на заправочные станции.

В случае, если в составе комплекса содержится блок 8 разделения водородосодержащей смеси на отдельные компоненты, то водородсодержащая смесь по газопроводу 6 поступает в указанный блок 8 для выделения водорода с чистотой 99,99%. Блок 8 разделения водородосодержащей смеси на отдельные компоненты состоит из мембранного аппарата и адсорбера. Из блока 8 выходят два потока. Один поток, который является основным, составляет водород с чистотой 99,99%, направляется к заправочным станциям 7, а второй поток составляет природный газ, который по газопроводу 9 возвращается в магистральный газопровод 1, соединенный с установкой 2 по производству водородосодержащей смеси.

Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается комплекс для получения водородсодержащего топлива и его подачи в заправочные станции. В случае если в качестве водородсодержащего топлива является водородосодержащая смесь с содержанием водорода 20-40%, которая подается для заправки различных транспортных средств (автомобили, железнодорожные локомотивы, летательные аппараты и др.), то конструкция двигателя таких транспортных средств остается неизменной, такой, какой была при использовании в качестве энергоносителя бензина, дизельного топлива или керосина. Предлагаемое решение также предусматривает в качестве водородсодержащего топлива использование водород, в этом случае водород с заправочных станций может подаваться как в газообразном, так и в жидком состоянии.