استرجاع الطاقة الباردة للغاز الطبيعي المسال

البرودة التي لا تزال تُهدر باستمرار

يصل الغاز الطبيعي المسال إلى محطات الاستيراد عند درجة حرارة تبلغ نحو -١٦٢°م. وهذه درجة برودة هائلة تتطلب طاقة تبريد ضخمة—وهي طاقة باردة احتاج إنتاجها إلى جهد ضغط كبير في المقام الأول. ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى من محطات استقبال الغاز الطبيعي المسال تكتفي بتبخير السائل باستخدام مسخّنات تعمل بماء البحر أو الهواء المحيط، مما يؤدي إلى إفراغ تلك البرودة مباشرةً في البيئة. وليس من النادر أن نرى منشآت تعامل هذه الطاقة على أنها مجرد منتج ثانوي يجب التخلص منه، في حين أنها في الواقع تمثّل أحد أكثر تدفقات الطاقة استهانةً واستخداماً دون طائل في قطاع الغاز الصناعي بأكمله.

الأرقام تروي قصة صارخة. فمحطة استقبال كبرى للغاز الطبيعي المسال، تُعالِج عدة ملايين من الأطنان سنوياً، تطلق طاقة باردة تعادل عشرات الميغاواط من القدرة التوليدية. وهذه الطاقة لم تُنتج بتكلفة زهيدة—إذ تستهلك عملية التسييل نحو ٨٪ إلى ١٠٪ من تدفق الغاز الطبيعي كحملٍ مُستهلك ذاتياً. وبالتالي، فإن ترك هذه البرودة تتبخّر دون استغلالٍ هو من منظور الإكسيجي (Exergy) بمثابة ترك المال يُلقى على الأرض.

ما الذي يجعل طاقة الغاز الطبيعي المسال الباردة ذات قيمةٍ كبيرةٍ؟

إن درجات الحرارة الكريوجينية مكلفةٌ جدًّا لإنتاجها. فعمليات فصل الهواء، وإنتاج الإيثيلين، والتخزين البارد، بل وحتى تبريد مراكز البيانات تتطلّب التبريد عند مستويات مختلفة من درجات الحرارة. ويوفر إعادة تحويل الغاز الطبيعي المسال إلى حالته الغازية حوضًا كريوجينيًّا جاهز الاستخدام يمكنه خدمة هذه العمليات مباشرةً.

إن منحنى درجة الحرارة له أهميةٌ بالغة. فعندما يرتفع حرارة الغاز الطبيعي المسال من −١٦٢°م إلى درجة حرارة الغرفة، يمكنه دعم تطبيقات متعددة متتالية عبر نطاقات حرارية مختلفة. وأشد البرودة — أي ما دون −١٠٠°م — مثاليٌ لفصل الهواء كريوجينيًّا، حيث تُنتج الأكسجين والنيتروجين والأرجون على هيئة سوائل. أما درجات الحرارة المتوسطة المحيطة بـ −٥٠°م إلى −٨٠°م فهي قادرةٌ على تشغيل دورات رانكين العضوية لتوليد الطاقة أو دعم مرافق التخزين البارد. أما استعادة الحرارة عند درجات حرارة أعلى قرب ٠°م فهي مناسبةٌ لتكييف هواء المباني أو تبريد العمليات الصناعية.

تكمُن التحديات التقنية في مطابقة انزياح درجة الحرارة خلال عملية إعادة التغويز مع المتطلبات الحرارية للتطبيق التالي. ويجب أن تتعامل مبادلات الحرارة مع التدفق ثنائي الطور، والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة، واحتمال تجمُّد الرطوبة أو ثاني أكسيد الكربون من جانب الهواء. وهذه ليست مشكلات هندسية بسيطة، لكنها مفهومة جيدًا وقابلة للحل عبر التصميم السليم.

أماكن تطبيق استرجاع البرودة فعليًّا

برز فصل الهواء كأكثر التطبيقات جاذبية تجاريًّا لاسترجاع برودة الغاز الطبيعي المسال. وتتطابق متطلبات درجة الحرارة بشكل ممتاز — إذ تعمل وحدات فصل الهواء التبريدية عند النطاق الحراري الذي تطلق فيه الغاز الطبيعي المسال معظم طاقته الباردة. وأظهرت الدراسات أن دمج خط إعادة تغويز الغاز الطبيعي المسال مع وحدة فصل هواء تبريدية يمكن أن يحقِّق كفاءة استثمارية شاملة تفوق ٩٠٪. وقد أُبلغ عن استهلاك الطاقة المحدَّد في هذه التكوينات المتكاملة عند نحو ٠,٠٢٢ كيلوواط ساعة لكل كيلوجرام من الهواء المعالَج— وهي قيمة تتفوق على عمليات وحدات فصل الهواء المستقلة.

وتعكس التطورات الأخيرة في المشاريع ازدياد الاهتمام التجاري. فقد بدأت مؤخرًا أعمال إنشاء مشروع كبير لفصل الهواء باستخدام الطاقة الباردة الناتجة عن الغاز الطبيعي المسال في محطة استقبال رئيسية في شرق الصين، وبسعة إنتاج يومي للسوائل تبلغ نحو ٦٦٠ طنًا. وتدمج المحطة نظام تبخير الغاز الطبيعي المسال مباشرةً مع صندوق التبريد الخاص بفصل الهواء، مستخدمةً البرودة الناتجة عن عملية إعادة التغويز لتسييل الأكسجين والنيتروجين والأرجون دون الحاجة إلى ضواغط تبريد إضافية. وتصل الاستثمارات الرأسمالية لمثل هذا التكامل إلى مئات الملايين من اليوان الصيني، لكن الميزة في تكلفة التشغيل مقارنةً بوحدات فصل الهواء التقليدية كبيرةٌ للغاية.

وبالإضافة إلى فصل الهواء، اكتسب استرجاع البرودة رواجًا في مجال توليد الطاقة. ويمكن لأنظمة دورة رانكين العضوية التي تستخدم سوائل عاملة مناسبة أن تحوّل البرودة المنخفضة الدرجة إلى كهرباء. وقد أبلغ مشروعٌ حديثٌ للاستفادة المتعددة المراحل عن توليد سنويٍّ للطاقة الكهربائية بلغ ٢٦ مليون كيلوواط ساعةٍ من طاقة البرودة الناتجة عن الغاز الطبيعي المسال وحدها. وتعتمد الجدوى الاقتصادية لهذه الأنظمة اعتمادًا كبيرًا على أسعار الكهرباء وتوافر مصدر حراري لدورة رانكين العضوية التكميلية، لكنها في السياقات الملائمة تُحقِّق فترة استرداد معقولة.

التحقق من الواقع التشغيلي

ويجب أن يسلِّط أي نقاش صادق حول استرجاع برودة الغاز الطبيعي المسال الضوء على القيود العملية. فليست كل المحطات مناسبة لذلك. ولا تتحقق الجدوى الاقتصادية إلا عند وجود طلبٍ ثابتٍ ومستمرٍ على البرودة — إذ لا يمكن لمصانع فصل الهواء التشغيل والانقطاع وفق تقلبات معدل إرسال الغاز الطبيعي المسال. كما أن المحطات التي تعمل كمرافق ذروة، ومعدلات إعادة تحويله إلى غاز فيها متغيرة جدًّا، تطرح تحديات كبيرة في ما يتعلَّق بالتكامل.

وهناك أيضًا حدودٌ فنيةٌ لمقدار البرودة التي يمكن استعادتها عمليًّا. وتتطلب ترسبات المبادلات الحرارية، لا سيما على جانب الهواء حيث يمكن أن يتجمَّد الرطوبة، تحكُّمًا دقيقًا في العملية. كما يزيد انخفاض الضغط عبر مسار استعادة البرودة من العمل المطلوب من مضخة الغاز الطبيعي المسال. وبالمقابل، فإن دمج هذه العملية ذاتها يُعقِّد تشغيل المحطة — وهو أمرٌ تتحلَّى فيه الجهات التشغيلية بالحذر المفهوم.

يُظهر الجدول أعلاه المفاضلة الأساسية. وتؤدي التكامل إلى مزايا حقيقية في تكاليف التشغيل، لكنها تأتي على حساب المرونة في اختيار الموقع والاستقلالية التشغيلية. وفي حالة المحطات ذات ملفات الإرسال المستقرة والقابلة للتنبؤ بها — والتي تخدم عادةً عملاء صناعيين كباراً أو شركات مرافق توفر حمولة أساسية — تكون الحجة مقنعة للغاية. أما بالنسبة للمحطات التي تعمل في أوقات الذروة، فهي أقل إقناعاً.

حالة ميدانية تستحق التمعّن

ويوضح مشروعٌ في جنوب شرق آسيا كلًّا من الإمكانيات والمخاطر. فالمحطة محل البحث كانت تُرسل كميةً مستقرة نسبياً تبلغ نحو ٣٠ مليون قدم مكعب قياسي يومياً، وتوفر الغاز لمجموعة من العملاء الصناعيين. وقامت فرقة المشروع بتقييم عدة طرق لاسترجاع البرودة، وانتهت في النهاية إلى اعتماد نهج من مرحلتين: استرجاع برودة عميقة لتزويد وحدة تجزئة الهواء المجاورة بالإكسجين والنيتروجين السائلين، واسترجاع برودة متوسطة لتغذية نظام تبريد محلي يخدم المباني التجارية القريبة.

عمل تكامل وحدة التقطير الهوائي (ASU) كما هو مُصمَّم، وسلَّم منتجات سائلة تحقِّق مواصفات النقاء المطلوبة وفق المعايير الصناعية. أما جزء التبريد المركزي، فقد واجه مشكلات. فانزياح درجة الحرارة أثناء إعادة غازification الغاز الطبيعي المسال (LNG) لم يتطابق بدقة مع ملف حمل التبريد كما توقعته النماذج الأولية. ونتيجةً لذلك، احتاج المشروع إلى إضافة خزان تخزين توسعي وحلقة تبريد ثانوية باستخدام وسيط تبريد لتصحيح حالات عدم التطابق. والدرس المستفاد واضحٌ: استرجاع البرودة يبدو ممتازاً على مخطط موازنة الحرارة، لكن التحدي الحقيقي يكمن في المطابقة الديناميكية بين العرض والطلب.

إلى أين تتجه الصناعة

تتغيّر البيئة التنظيمية لصالح استرجاع البرودة. فآليات تسعير الكربون والمتطلبات المتعلقة بكفاءة الطاقة تجعل استرجاع حرارة الهدر والبرودة أكثر جاذبية من منظور الامتثال. وقد سلّط وكالة الطاقة الدولية الضوء على دور تدابير الكفاءة في جميع مراحل سلسلة قيمة الغاز الطبيعي المسال لتقليل شدة الانبعاثات الإجمالية. ولا يؤدي استرجاع البرودة مباشرةً إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من مداخن الاحتراق، لكنه يُحلّ محل الاستهلاك الكهربائي الذي كان سيُستمدّ عادةً من الشبكة — وفي العديد من المناطق، لا تزال طاقة الشبكة تعتمد على الوقود الأحفوري.

وقد استجابت شركات تصنيع المعدات بتقديم عروضٍ أكثر توحيداً. فوحدات استرجاع البرودة المركّبة على منصات (سكيد) والمزوّدة بمجموعات مبادلات حرارية ومجموعات أنظمة تحكم مُصمَّمة مسبقاً أصبحت متاحةً بشكلٍ متزايد، ما يقلّل العبء الهندسي الملقى على عاتق مشغّلي المحطات. وينتقل هذا التقنيّة تدريجياً من الحلول المصممة خصيصاً نحو تصاميم أكثر وحداتيةً وإمكانية للتكرار.

من المجالات التي تستحق المراقبة دمج استرجاع البرودة مع احتجاز الكربون. وقد جمعت بعض الاقتراحات الحديثة بين الاستفادة من طاقة البرودة الناتجة عن إعادة غازification الغاز الطبيعي المسال (LNG) ودورة ألام — وهي عملية احتراق تعمل بالهواء المُخصب بالأكسجين وتُنتج تيارًا نقيًّا من ثاني أكسيد الكربون يمكن تخزينه. ويمكن لطاقة البرودة الناتجة عن إعادة تحويل الغاز الطبيعي المسال إلى حالته الغازية أن تدعم فصل الهواء لإنتاج الأكسجين، كما تساعد في سائلة ثاني أكسيد الكربون لنقله. والفوائد التكاملية حقيقية، رغم تعقيد هذه الأنظمة وارتفاع تكاليف رأسمالها.

أما بالنسبة للمشغلين الذين يقيّمون استرجاع البرودة، فيجب أن يبدأوا بتقييمٍ صادقٍ لملف الإرسال، ولسوق الطاقة المحلي، ولتوافر مستهلكين مناسبين لهذه الطاقة الباردة. فليست كل المواقع مجدية اقتصاديًّا. لكن بالنسبة لتلك التي تكون كذلك، فإن المزايا المتعلقة بتكلفة التشغيل والفوائد البيئية تشكّل حُجّة قوية.

شركت مثل غرينفير بنت سجلاً في توريد معدات العمليات الكريوجينية التي تدعم هذه الاستراتيجيات التكاملية. وبفضل شهادات الأيزومي والسي إي، ومحفظة المشاريع العالمية التي تمتد عبر قارات متعددة، توجد القدرات التصنيعية وأنظمة مراقبة الجودة لدعم الموجة القادمة من تركيبات استعادة البرودة. المعرفة الهندسية موجودة؛ والسؤال هو ما إذا كانت الجدوى الاقتصادية للمشاريع والضغوط التنظيمية ستتضافر لدفع اعتماد أوسع نطاقاً.