С доиндустриальных времен концентрация метана в атмосфере выросла более чем вдвое, а вклад составляет ∼30% текущего повышения глобальной температуры. В целом, улавливание атмосферного метана крайне неэффективно из-за его низкой концентрации. В результате улавливание или уничтожение в месте его происхождения, где концентрация метана выше, было бы предпочтительной стратегией смягчения последствий. Поэтому ученые международного проекта CANMILK разрабатывают инновационное оборудование для коровников, которое сможет удалять метан на животноводческих фермах с КРС, чтобы получать, например, удобрения для растений.
Метан выбрасывается в атмосферу из различных источников, включая свалки, водно-болотные угодья, энергетику и сельское хозяйство. На сельское хозяйство, как утверждают экологи, приходится около 25% от общего объема антропогенных выбросов метана, в основном от скота в процессе кишечной ферментации. В молочных коровниках и вокруг них концентрация метана в 10–100 раз выше, чем в атмосферном воздухе (1,9 против 20–200 ppm).
В настоящее время не существует экономически целесообразного способа удаления следов метана (<1 моль%) из воздуха в коровниках. Производство более концентрированных метано-воздушных смесей требует больших затрат, учитывая, что абсолютный минимум термодинамической работы разделения для удаления следов метана составляет приблизительно 34 кДж/моль. Это делает систему удаления метана на 60% менее энергоэффективной, чем система удаления углекислого газа, хотя удаление метана оказывает большее краткосрочное воздействие на климат
Проект CANMILK разрабатывает плазменную систему, подходящую для непосредственной эксплуатации в коровниках, для снижения выбросов метана от скота.
Цель проекта — улавливать разбавленный метан, присутствующий в воздухе коровника, и преобразовывать его в CO₂ посредством комбинированного действия плазмы и каталитических процессов. Будучи проектом с низким уровнем выбросов, CANMILK уделяет особое внимание исследованиям и разработкам, работая над оптимизацией конструкции адсорбера, катализатора и плазменных компонентов, а также над их оптимальным взаимодействием.
Это требует постоянной оценки результатов и корректировки системы по мере разработки. Все компоненты интегрируются в экспериментальный образец, который будет испытан в условиях, имитирующих воздух коровника. Этот образец предназначен для демонстрации базовой концепции, позволяя проектной группе проверить свои экспериментальные идеи и оптимизировать работу системы в реалистичных условиях.
Параллельно с этим проводится технико-экономическая оценка для анализа как экономической целесообразности технологий, так и физических свойств выбросов с целью приведения технических характеристик в соответствие с готовыми к выходу на рынок решениями.
Будучи одним из партнёров проекта, европейский консалтинговый центр Steinbeis Europa Zentrum, Германия, поддерживает разработку и реализацию стратегии коммуникации и распространения информации, а также определение стратегии эксплуатации проекта. Центр также оказывает поддержку в управлении интеллектуальной собственностью.
Исследования CANMILK структурированы вокруг пяти основных тем: моделирование и диагностика плазмы, разработка адсорбентов и катализаторов, взаимодействие активированного газа с поверхностью, разработка концепции процесса и технико-экономическая оценка.
По результатам проведённого исследования был подготовлен ряд публикаций, в том числе в следующих журналах: ACS Omega, Plasma Sources Science and Technology , Green Chemistry и Chemical Engineering Journal.
В следующих разделах будет представлен краткий обзор основных достижений первых трех лет, а также запланированные дальнейшие шаги.
Моделирование и диагностика плазмы
Понимание химии плазмы для снижения выбросов разбавленного метана является одним из основных направлений проекта CANMILK. Университет Антверпена разработал модели для моделирования химических реакций и газовых потоков в плазменных реакторах O₂ и H₂. В сочетании с экспериментальными данными Маастрихтского университета эти результаты указывают на то, что тёплая плазма O₂ и H₂ неэффективна для удаления низких концентраций CH₄.
Дальнейшие исследования альтернативных подходов показали, что использование плазмы, создаваемой в атмосфере коровника, потенциально способствует снижению выбросов метана. Однако при этом образуются также NOx, которые обычно считаются выбросами, хотя их можно использовать в дальнейшем.
Эти результаты побудили партнёров CANMILK пересмотреть свою стратегию, изучив альтернативный подход к использованию воздушной плазмы для повышения осуществимости и масштабируемости. В соответствии с этим обновлённым подходом, Университет штата Аризона разработал новую модель жидкости для микроволновой воздушной плазмы. Дальнейшие шаги включают сравнение модели с экспериментальными измерениями Университета штата Аризона и оптимизацию рабочих условий для интеграции в образец-установку.
Разработка адсорбентов и катализаторов
Разработка материалов, способных концентрировать метан, имеет решающее значение в связи с его крайне низким содержанием в воздухе коровника. Экспериментальный скрининг выявил перспективные адсорбенты, которые потенциально способны повышать концентрацию метана с 20–200 ppm до 200–2000 ppm, способствуя более эффективной последующей переработке. Параллельно с этим были подготовлены и оценены на совместимость с плазменной системой катализаторы, включая структурированные сотовые материалы и порошки.
Активированные взаимодействия газа с поверхностью
Для более глубокого понимания взаимодействия плазмы и катализатора партнер проекта, компания Técnico Lisboa, инициировала теоретические и экспериментальные исследования. Исследователи разрабатывают мезоскопические модели поверхностной кинетики для описания взаимодействия газов, генерируемых плазмой, с поверхностью катализаторов, а также катализаторы окисления CH₄ с использованием различных радикалов и носителей, полученных из биоотходов.
Блок проверки концепции
Чтобы продемонстрировать интеграцию плазменных, каталитических и адсорбционных технологий для снижения содержания метана в воздухе коровника, координатор проекта Центр технических исследований Финляндии, VTT, разрабатывает образец-установку, который позволит проектной группе проверить экспериментальные концепции и оптимизировать производительность системы в реалистичных условиях.
Процесс проектирования проходил в тесном сотрудничестве, все партнёры проекта активно участвовали в ежемесячных обсуждениях. Технические аспекты и аспекты безопасности были тщательно проанализированы, что позволило гарантировать соответствие системы эксплуатационным и нормативным требованиям. Установка строится как мобильная система, что обеспечивает гибкость испытаний и адаптации. Строительство экспериментального блока ведётся на испытательном полигоне Bioruukki VTT, а ввод в эксплуатацию и экспериментальные испытания запланированы на следующий этап, ориентировочно на ноябрь 2025 года.
Технико-экономическая оценка
Оценка технико-экономической целесообразности — важнейший этап проекта CANMILK, гарантирующий не только эффективность, но и практичность и экономическую эффективность разработанных технологий снижения выбросов метана для их реального внедрения в молочное животноводство. Расширенное моделирование работы коровника позволило получить представление о распространении метана и необходимости контролируемой вентиляции для максимального его улавливания.
Были разработаны и смоделированы несколько конфигураций систем, сочетающих плазменные, каталитические и адсорбционные технологии, что позволило команде оценить капитальные и эксплуатационные затраты, а также стоимость удаления одного килограмма метана. Этот анализ помогает определить наиболее экономически выгодный подход к полномасштабному внедрению. Дальнейшие шаги будут направлены на уточнение экономических предположений и проведение анализа жизненного цикла для поддержки готовых к выходу на рынок решений.
Источник: Steinbeis Europa Zentrum. Автор: Анетт Мак.
Источник графики: ACS Omega (2025), DOI: 10.1021/acsomega.4c10550