DESIGN AND OPTIMIZATION OF STORAGE SYSTEMS BY ADSORPTION FOR NATURAL GAS

Adsorption consists in the molecular adhesion into surfaces by van der Waals forces and covalent bonds. The Adsorbed Natural Gas (ANG) vessels store gas in adsorbents in its interior relying in the adsorption effect. When compared to traditional transport and storage systems, ANG requires less pressure to operate (35atm to 50atm), considerably below Compressed Natural Gas (200atm), and works in ambient temperature, higher than the Liquefied Natural Gas (113K), obtaining the storage capacity of 164V/V, comparable to the Compressed Natural Gas (200V/V). The adsorption phenomena demands thermal management in order to become more efficient once adsorption is an exothermic phenomena and with the temperature raise occurs the loss of the adsorption capacity, a similar effect is observed regarding the desorption phenomena although the loss of the desorption rate is proportional to the temperature fall. This project aims to reduce the time needed to charge and discharge adsorbed natural gas (ANG) vessels and increase the maximum amount of gas stored and delivered by these systems. The study employs optimization techniques (such as the topology optimization method) to optimally distribute materials and its properties in the vessels’ interior. The employment of heterogeneous porosity adsorbents and Phase Change Materials (PCM) are the explored solutions to improve ANG systems efficiency. The current competitiveness of ANG when compared to other gas systems such as Liquefied Natural Gas (LNG) and Compressed Natural Gas (CNG) is also discussed. The results are presented as possible solutions for ANG enhancements in transportation and storage for natural gas systems.

Escopo em português

OTIMIZAÇÃO DE PROJETO DE SISTEMAS DE ARMAZENAGEM DE GÁS NATURAL POR ADSORÇÃO

Adsorção consiste na adesão de moléculas a superfícies através de forças de van der Waals e ligações covalentes. Os tanques de Gás Natural Adsorvido (GNA) se utilizam do fenômeno da adsorção para armazenar gás em materiais adsorventes posicionados em seu interior. Tanques de Gás Natural Adsorvido (GNA) apresentam uma capacidade de armazenagem em torno de 164 V/V, o que representa uma densidade 164 vezes maior do que o gás natural em condições atmosféricas. Trata-se de uma densidade inferior aos 235 V/V obtidos em tanques de Gás Natural Comprimido (GNC) e aos 600 V/V do Gás Natural Liquefeito (GNL). Contudo, o GNA opera em pressões inferiores a 50 atm e à temperatura atmosférica, enquanto o GNC requer altas pressões (em torno de 200atm) e o GNL exige temperaturas criogênicas (113K). Portanto, o GNA é uma alternativa competitiva em aplicações onde o custo para a manutenção de altas pressões ou baixas temperaturas seja crítico.

O fenômeno da adsorção demanda gerenciamento térmico para se tornar eficiente e evitar a queda da taxa de adsorção e dessorção em função da variação de temperatura. Este projeto visa reduzir o tempo de carga e descarga de tanques de GNA assim como elevar a quantidade máxima de gás que ele pode armazenar e, posteriormente, entregar. O estudo emprega ferramentas de otimização, tal qual o método da otimização topológica (MOT) para otimamente distribuir materiais e suas propriedades no interior do tanque. O emprego de adsorventes compósitos (porosidade heterogênea) e materiais de mudança de fase (MMF) são duas soluções exploradas para elevar a eficiência de tanques GNA. O projeto também aborda a identificação de nichos de aplicação da tecnologia GNA em aplicações de grande, média e pequena escala. Os resultados do projeto são apresentados como possíveis soluções para elevar a competitividade do GNA e melhorar os sistemas de transporte e armazenagem de gás natural.

TEAM

Emilio C N Silva (POLI-USP)
Project Coordinator

Bruno S Carmo (POLI-USP) 
Rob W Hewson (IC) 
Julio R Meneghini (POLI-USP) 
Marcelo M Seckler (POLI-USP) 
Ernani V Volpi (POLI-USP)
Sergio Frascino (POLI-USP)