Патентные исследования в области создания стационарных хранилищ СПГ для транспортных средств России

Патентные исследования в области создания стационарных хранилищ СПГ для транспортных средств России

Н.Г. Кириллов,

старший научный сотрудник НИО Военного инженерно-технического института, д.т.н.,

А.Н. Лазарев, заместитель начальника по учебной и научной работе Военного инженерно-технического института, к.т.н.

В статье представлены результаты патентных исследований в области создания стационарных хранилищ сжиженного природного газа (СПГ) для заправочных комплексов. Актуальность проведения патентных исследований в этой области связана с отсутствием отечественного опыта в проектировании стационарных хранилищ СПГ Изучение мирового уровня техники позволит создавать высокоэффективные и дешевые отечественные хранилища СПГ для перевода российского транспорта на альтернативный вид моторного топлива - сжиженный природный газ.

Ключевые слова: сжиженный природный газ, альтернативные моторные топлива, патентные исследования, заправочные комплексы СПГ, стационарные хранилища СПГ.

Patent researches in the field of creation of stationary storehouses for the liquefied natural gas for vehicles of Russia

N.G. Kirillov, A.N. Lazarev

Results of patent researches in the field of creation of stationary storehouses for the liquefied natural gas for refueling complexes are submitted in the article. The urgency of carrying out of patent researches in this area is connected to absence of domestic experience in designing stationary storehouses for LNG. Studying of a world level of techniques will allow creating highly effective and cheap domestic storehouses for LNG in order to translate the transport of Russia into an alternative kind of motor fuel - the liquefied natural gas.

Keywords: the liquefied natural gas, alternative motor fuel, patent researches, refueling LNG complexes, stationary storehouses for LNG.

Над созданием двигателей, использующих альтернативные источники энергии, сегодня работает большинство мировых производителей

автомобилей. Транспортные секторы Европы, Японии и США, а также России на 90 % зависят от нефти. Поэтому в связи с увеличением

энергопотребления, истощением разведанных запасов нефти и ужесточением экологических требований у развитых стран мира остается только один выход - срочно диверсифицировать свои топливно-энергетические балансы в сторону максимально возможного замещения в транспортном секторе нефтепродуктов другими видами энергоносителей [1].

СПГ - перспективный вид альтернативного моторного топлива

Прекрасно понимая необходимость использования альтернативных видов моторного топлива, правительства США, Европейского Союза, Японии и других стран уже сейчас тратят миллиарды долларов на научные исследования и опытно-конструкторские работы, стремясь как можно скорее разработать промышленные технологии и внедрить их на рынке. Активно принимаются пакеты законодательных и нормативных актов, стимулирующих использование альтернативных топлив. Так, Энергетической Комиссией ООН принята резолюция от 12 декабря 2001 г., предусматривающая перевод к 2020 г. 23 % транспортных средств стран Европы на альтернативные виды газомоторного топлива.

В России в этом направлении также предпринимаются некоторые шаги. В 2004 г. вышло поручение Президента Российской Федерации «О стимулировании широкомасштабного перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо» (№ Пр-1686 ГС от 18 сентября 2004 г.) и поручение первого заместителя Председателя Правительства Российской Федерации «О необходимости развития рынка газомоторного топлива» (ДМ-П9-5169 от 2 ноября 2006 г.). Новым импульсом для развития существующей нормативной базы послужило принятие Федерального закона № 261-ФЗ

от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», ставшего одним из важнейших федеральных законов последних лет.

29 июня 2010 г. Комитет по энергетике Государственной Думы провел парламентские слушания на тему «О проблемах правового регулирования использования газомоторного топлива». Участники парламентских слушаний, представители федеральных органов исполнительной власти, представители органов законодательной и исполнительной власти субъектов Российской Федерации, компаний ТЭК и общественных организаций рассмотрели различные аспекты правового регулирования использования газомоторного топлива. Было отмечено, что в стране не только имеются благоприятные условия для использования альтернативных видов моторного топлива, прежде всего природного газа, но и накоплен опыт использования компримированного и сжиженного метана на автомобильном, железнодорожном, воздушном и речном транспорте, а также в сельскохозяйственной технике.

По оценкам зарубежных и отечественных ученых, наиболее реальным альтернативным вариантом газомоторного топлива является сжиженный природный газ. С учетом того, что запасы природного газа иссякнут на Земле не раньше начала следующего столетия, СПГ смело можно рассматривать в качестве одного из наиболее перспективных видов моторного топлива XXI в. В настоящее время в экономически развитых странах уже сформировалась и интенсивно развивать новая подотрасль топливно-энергетической промышленности, связанная с производством СПГ на мини-заводах. Например, в США и Канаде построено и эксплуатируется

около 1000 установок по производству и хранению СПГ, производительность которых колеблется от 3 до 40 т/ч. Сжиженный в этих установках природный газ используется для газификации населенных пунктов и в качестве моторного топлива для различных видов транспортных средств [2, 3].

Еще в конце прошлого столетия в целях определения основных направлений работ по СПГ, а также в интересах освоения конкурентоспособных энергоносителей и использования высоких двойных технологий ОАО «Газпром» совместно с Минэнерго и Минэкономики России была разработана Концепция освоения сжиженного природного газа в качестве энергоносителя в отраслях хозяйства Российской Федерации. Согласно данной концепции в ближайшем будущем СПГ предполагается использовать в качестве моторного топлива для различных видов транспорта, а также коммунального газоснабжения удаленных населенных пунктов и создания систем резервирования газа.

23 июня 2010 г. Группа ОНЭКСИМ, ЗАО «Яровит Моторс», ООО «Городской автомобиль» и ОАО «Газэнер-госеть» подписали соглашение о сотрудничестве в целях расширения использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива в Российской Федерации.

В рамках соглашения стороны планируют совместно взаимодействовать со всеми заинтересованными ведомствами, организациями и предприятиями в области масштабного внедрения газомоторного топлива на транспорте и создания парка газоис-пользующей техники.

Проблемы создания инфраструктуры СПГ для транспортных средств России

Для широкого внедрения СПГ как моторного топлива необходимо развивать инфраструктуру, то есть организовывать универсальные заправочные станции, позволяющие заправлять сжиженным природным газом различные виды транспорта в любой точке нашей страны. При решении этих задач особое значение придается созданию надежных и экономически обоснованных низкотемпературных хранилищ СПГ различного объема - от 20 до 10 тыс. м3, расположенных непосредственно у потребителей [4].

Необходимо отметить, что в 70-80-х гг. прошлого века в СССР были проведены достаточно серьезные научно-исследовательские работы по определению перспективности использования СПГ на различных видах транспорта. В настоящее время наметилось явное отставание

Стационарные хранилища СПГ

Наземные

Заглубленные

Подводные

Инженерно-строительные конструкции хранилищ

I

Технологические системы хранилищ

Крыши хранилищ

Стены хранилищ

Фундамент хранилищ

Рис. 1. Структурная модель исследуемой области техники

отечественной науки и промышленности от развитых стран мира в вопросах создания инфраструктуры СПГ. Особенно ярко это проявилось в вопросах создания стационарных систем хранения сжиженного природного газа различного функционального назначения.

Для изучения мирового опыта и достижений в области создания стационарных систем хранения СПГ, а также для определения оптимальных конструктивных решений основных элементов хранилищ и их применения при создании инфраструктуры СПГ в России авторами были проведены патентные исследования документации ведущих стран мира за последние 50 лет.

Патентные исследования

в области стационарных хранилищ СПГ

Поскольку предметом патентного поиска являются сложные инженерно-технические сооружения, то для полного понимания конструктивного исполнения хранилищ СПГ, компоновочных схем, материалов, используемых для изготовления отдельных элементов сооружений, на основе анализа специальной научно-технической литературы была разработана структурная модель исследуемой области техники (рис. 1).

В информационное поле для патентных исследований были включены развитые страны мира, а также страны экспортеры/импортеры СПГ. В качестве источников информации были использованы официальный патентный бюллетень России «Изобретения и полезные модели», реферативный журнал «Изобретения стран мира», реферативные журналы ВИНИТИ и другие источники патентной информации.

Патентный поиск проводился с 2009 по 2011 гг., в результате которого был выявлен информационный

Таблица 1

Страны-заявители Заявки

число %

Япония 429 69

США 54 9

Англия 11 1

Германия 28 5

Франция 29 5

Россия (СССР) 23 4

Прочие (Норвегия, Южная Корея, Китай и др.) 46 7

Всего 620 100

массив в 620 заявок на изобретения. Выбор в качестве информационного массива заявок на изобретения определяется тем, что характеристика исследуемой области по дате приоритета (дата подачи заявки в национальное патентное ведомство) с большей точностью отражает действительное развитие данной области техники, чем характеристика на основе даты публикации патента.

Патентный поиск позволил выявить страны, в которых наиболее интенсивно ведутся научно-исследовательские и конструкторские разработки стационарных хранилищ СПГ, определяющие технологический уровень данной области техники, а также соотношения в направлениях этой работы.

В табл. 1 приведены основные страны, обладающие наибольшим

числом заявок в данной области техники.

Лидирующее положение в мире по патентованию изобретений в области стационарных хранилищ СПГ занимает Япония, которая имеет 429 заявок на изобретения или около 70 % от общего числа всех выявленных заявок. Это объясняется тем, что в настоящее время Япония в силу своего островного положения вынуждена импортировать в виде СПГ до 80 % всего покупаемого объема природного газа. Второе место занимают США, имеющие 54 заявки на изобретение (9 %). Повышенный интерес американской промышленности к созданию стационарных хранилищ СПГ связан с поставками природного газа в виде СПГ, доля которого в общем объеме потребляемого природного газа составляет более 25 %.

- РСЧГ£иХ 1СССР||

- Паоч »4 СРР^™

-Сумнищ« ' п.-1-114 Гно 1 ,|Л|ИЫ

1

т

к - у ш / \

Г» »

£ Ж? 'Л 1

% % ч% ч%% % % % % % \ % % %

Рис. 2. Мировая динамика патентования в области стационарных хранилищ СПГ с 1970 по 2010 гг.

Результаты патентного поиска показывают, что, кроме вышеуказанных лидирующих стран, активные исследования и работы по созданию стационарных хранилищ СПГ проводятся в Китае, Южной Корее, Норвегии, Австралии и Италии. Несмотря на явное отставание в количестве патентных документов, эти страны тем не менее обладают сильными патентами, относящимися к техническим решениям, определяющим принципиальные направления совершенствования отдельных элементов хранилищ СПГ.

С 1970 г. в России было подано 23 заявки на предполагаемые изобретения в области хранилищ СПГ (без учета заявок на хранилища для других криогенных жидкостей, например, кислорода, азота и т.д.), что составляет около 4 % от всего патентного массива. Однако, в отличие от других стран мира, разработанные отечественные технические решения хранилищ СПГ ранее на практике не применялись из-за отставания производства и использования СПГ.

Одной из оценок статистического анализа является определение динамики патентования, которая отражает в охранных документах изменение активности изобретательской деятельности в исследуемой области техники за определенный период времени.

С 1994 г. (рис. 2) заметно значительное снижение интенсивности патентования изобретений в Японии, что объясняется, с одной стороны, завершением строительства необходимого числа терминалов СПГ в Японии.

В то же время с начала 2000-х гг. резко возрастает активность европейских стран и Китая в патентовании технических решений в области стационарных хранилищ СПГ. Это связано с тем, что в начале нынешнего столетия ввиду роста энергопотребления, а также в целях диверсификации эти страны стали строить новые терминалы СПГ для

Рис. 3. Число компаний, работающих по созданию стационарных хранилищ СПГ

Таблица 2

Компании Заявки

Число %

ВИТИ 11 48

ВИКА им. А.Ф. Можайского 5 21

ОАО «РКК«ЭНЕРГИЯ» 2 9

ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» 2 9

ООО «Газпром ВНИИГАЗ» 2 9

ВНИПИ «ТЕПЛОПРОЕКТ» 1 4

Всего 23 100

Таблица 3

Компании Число заявок

ISHIKAWAJIMA HARIMA 64

KAWASAKI ДЗЮКОГЕ КК 51

ТОКЕ ГАСУ КК 29

SHIMIZU CONSTRUCTION 23

NIPPON KOKAN KK 22

OSAKA GAS Co Ltd 19

ТАЙСЭЙ КЭНСЭЦУ КК 19

MITSUBISHI ДЗЮКОГЕ КК 15

ISHII TEKKOSTO 15

MITSUBISHI HEAVY Ltd 15

KAJIMA Corp. 14

OBAYASHI GUMI 14

TOKYO GAS Co Ltd 14

LINDE AG 12

SHELL OIL Company 12

HITACHI ДЗЕСЭН 12

ВИТИ (Россия) 11

KAWASAKI HEAVY Ing 10

PRAXIAIR TECHOLOGY 9

L'Air Liquide 8

Gas Transport et Technigat 8

увеличения объемов поставок природного газа.

Активизация изобретательской деятельности в России по этому направлению связана в первую очередь с началом этапа «большого СПГ» в деятельности ОАО «Газпром» и строительства первого крупного завода СПГ на о. Сахалин. Планы по строительству заводов СПГ на п-ве Ямал и на Штокмановском месторождении также обусловливают резкий рост научных исследований и разработку новых технических решений по всей инфраструктуре производства и хранения СПГ.

В целом в ходе патентных исследований выявлена и изучена изобретательская деятельность 96 фирм из 13 стран мира, работающих в области разработки и создания хранилищ СПГ (рис. 3).

Для России создание стационарных хранилищ СПГ является относительно новой отраслью и находится на стадии научных исследований. В связи с этим основными разработчиками технических решений и новых технологий являются научно-исследовательские организации и технические вузы (табл. 2). Необходимо отметить, что значительную роль в разработке и создании систем хранения СПГ играют военные вузы: Военный инженерно-технический институт (ВИТИ) и Военно-инженерная академия им. А.Ф. Можайского.

В табл. 3 представлены выявленные при статистической обработке информационного патентного массива фирмы, обладающие наибольшим количеством заявок по данной тематике.

Распределение массива охранных документов по фирмам дает возможность определить их вклад в развитие этой области техники. В основном это японские и американские компании. В данный список попала только одна российская организация - Военный

-Ни ^ ли ААЛИППНИЦ

грэинГ-щЦ* -Суммарное «амчктю мявоч

-Оеии "[ыгч'Лшил - Т^т>лигиче1пне гистгмм чрлкклии.

%% % %\% %\% % % %\\\%%%\\\

Рис. 4. Динамика патентования по основным элементам хранилищ СПГ за период с 1970 по 2010 гг.

инженерно-технический институт (ВИТИ). Необходимо отметить, что в настоящее время этот вуз является основным разработчиком технических решений в области стационарных хранилищ СПГ. В последнее время учеными ВИТИ разработаны, поданы заявки и получены патенты РФ на

11 технических решений в данной области, что составляет более 47 % от всего объема заявок, сделанных в России с 1970 г. (см. табл. 2). Данная цифра красноречиво подтверждает лидерские позиции вуза в области разработок стационарных хранилищ СПГ.

Запатентованные технологии создания крышных конструкций хранилищ СПГ

Сборка на дне хранилища и подъем за счет сжатого воздуха

Крыша с предохранительными клапанами

Подвижный тип крыши для вытеснения СПГ

Вантовый тип крыши хранилища СПГ

Сборка крыши с помощью центральной опоры

Сооружение крыши за счет изгиба упругой металлической мембраны под действием сжатого воздуха

Подъем крыши со дна резервуара за счет сжатого воздуха и противовесов

Подъем крыши и монтаж с помощью специальных домкратов

Сборка элементов в две крышные конструкции с последующим соединением

Сборка на дне хранилища и подъем за счет воды

Сборка на дне хранилища и подъем за счет специальных боковых подъемников

Сборка мембранных элементов крыши за счет натяжных тросов с креплением к центральной колонне и боковым стенам

Рис. 5. Структурный граф «крышные конструкции

Значительный интерес при патентных исследованиях представляет анализ направлений разработок по основным элементам стационарных хранилищ СПГ и, в первую очередь, соотношение между числом технических решений по крышам, стенам, фундаментам и технологическим системам хранилищ (рис. 4).

Для определения основных направлений конструктивного исполнения отдельных элементов стационарных хранилищ СПГ построены структурные графы (рис. 5).

Аналогичные структурные графы построены для всех основных конструктивных элементов хранилищ СПГ: «фундамент», «стеновые конструкции», «теплоизоляция строительных конструкций», «технологические системы» и др.

Выбор теплоизоляции при создании стационарных хранилищ СПГ

В нашей стране имелся опыт создания только транспортных резервуаров для СПГ, основанный на существующих криогенных технологиях с применением экранно-вакуумной теплоизоляции (рис. 6).

Практика показала, что резервуары СПГ с экранно-вакуумной теплоизоляцией имеют высокую стоимость и малые объемы, что и стало существенными сдерживающими

факторами в развитии технологий СПГ в России.

Изучение мирового опыта на основе проведенных патентных исследований показало, что применение экранно-вакуумной теплоизоляции для стационарных хранилищ СПГ экономически нецелесообразно. Было выявлено, что из 620 заявок на изобретения по теме стационарные хранилища СПГ экранно-ваку-умная теплоизоляция применялась лишь в 19 заявках, а теплоизоляция без применения вакуума - в 601 заявке.

Первый вид теплоизоляции составляет только 3 % от общего числа заявок на предполагаемые изобретения за более чем 40 лет изобретательской деятельности во всем мире по данной теме. В связи с этим можно смело утверждать, что мировой опыт проектирования и создания стационарных хранилищ СПГ показывает неэффективность применения экранно-вакуумной теплоизоляции при строительстве хранилищ СПГ.

Поэтому существующий в России опыт традиционной криогенной науки (производство и хранение жидкого азота, кислорода и водорода) не может обеспечить создание современных и дешевых отечественных стационарных хранилищ СПГ. Проведение патентных исследований в области хранилищ СПГ является необходимым этапом в создании отечественных высокоэффективных стационарных хранилищ СПГ различной вместимости. Патентные исследования показали, что применительно к технологиям СПГ можно сократить время бездренажного хранения продукта за счет внедрения новых теплоизоляционных материалов с одновременным снижением их стоимости. В связи с этим авторами в настоящее время проводятся научно-исследовательские работы, основными

направлениями которых являются следующие:

• разработка технологий создания стационарных защищенных хранилищ СПГ;

• разработка методологических основ расчета строительных конструкций стационарных защищенных хранилищ СПГ (с учетом свойств криогенных жидкостей, прочности несущих конструкций, теплопритоков, времени бездренажного хранения СПГ и т.д.);

• разработка методологических основ расчета последствий воздействия на обслуживающий персонал поражающих факторов при аварийных ситуациях на стационарных хранилищах СПГ;

• экспериментальные исследования различных теплоизолирующих материалов и строительных конструкций для стационарных хранилищ СПГ;

• разработка методологических основ технико-экономического обоснования перспективности создания инфраструктуры стационарных систем хранения СПГ и др.

Литература

1. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н.

Мировой опыт производства и использования сжиженного природного газа как универсального энергоносителя и моторного топлива // Охрана окружающей среды. Атмосфера.

- 2011. - № 1. - С. 26-30.

2. Кириллов Н.Г. Новые технологии в применении сжиженного природного газа как моторного топлива и хладагента для авторефрижераторной техники и автотранспортных средств. М.: ИРЦ «Газпром», 2003.

- 30 с.

3. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ как универсальное моторное топливо XXI века: технологии производства и системы долгосрочного хранения. М.: ИРЦ «Газпром», 2002. - 64 с.