جذب کربن در نیروگاه‌های گاز طبیعی

مسئله‌ی کربنی که نمی‌تواند از بین برود

گاز طبیعی همواره به‌عنوان پاک‌ترین سوخت فسیلی بازاریابی شده است. و از نظر احتراق، این ادعا از نظر فنی صحیح است — زیرا هر واحد انرژی تولید‌شده از آن حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد دی‌اکسیدکربن کمتری نسبت به زغال‌سنگ یا نفت منتشر می‌کند. اما «پاک‌تر» یعنی «پاک». با ادامه‌ی روند رشد تقاضای جهانی برای گاز طبیعی و سهم تجارت LNG که حدود ۵۹ درصد از کل تجارت گاز را تشکیل می‌دهد، مجموع انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از پردازش و احتراق گاز طبیعی همچنان قابل توجه باقی می‌ماند.

آژانس بین‌المللی انرژی محاسبات را روشن کرده است: بدون اجرای گسترده‌ی فناوری‌های جذب دی‌اکسیدکربن، گاز طبیعی در بلندمدت نمی‌تواند به‌عنوان منبع انرژی کم‌انتشار در نظر گرفته شود. این آژانس همچنین اشاره کرده است که انتشارات مایع‌شده‌ی گاز طبیعی (LNG) با استفاده از فناوری‌های موجود می‌تواند بیش از ۶۰ درصد کاهش یابد — مشروط بر اینکه سرمایه‌گذاری لازم انجام شود. این «اگر» بزرگی است، اما دیدگاهی واقع‌بینانه نسبت به فرصت‌های پیش‌رو فراهم می‌کند.

به‌طور خاص برای نیروگاه‌های فرآورش گاز طبیعی، چالش جذب کربن با نیروگاه‌های تولید برق یا منابع صنعتی متفاوت است. دی‌اکسیدکربن اغلب در خود گاز ورودی وجود دارد و غلظت آن بسته به مخزن متغیر است. حذف آن از پیش بخشی از محدوده‌ی فرآورش گاز محسوب می‌شود؛ پرسش این است که آیا این دی‌اکسیدکربن باید برای ذخیره‌سازی جمع‌آوری شود یا به جو تخلیه گردد.

فناوری‌هایی که واقعاً مورد استفاده قرار می‌گیرند

جذب شیمیایی مبتنی بر آمین همچنان فناوری اصلی برای جذب دی‌اکسید کربن در کاربردهای گاز طبیعی باقی مانده است. این فناوری بلوغ یافته، به‌خوبی شناخته‌شده و قادر به دستیابی به نرخ‌های بالای جذب است. اصل اساسی آن ساده است: یک حلال آمینی با جریان گاز در ستون جاذب تماس پیدا می‌کند و به‌صورت انتخابی با دی‌اکسید کربن واکنش داده و پیوند شیمیایی ضعیفی تشکیل می‌دهد. سپس حلال غنی‌شده به یک بازیاب (ریجنراتور) منتقل می‌شود که در آن گرما این پیوند را می‌شکند و جریانی از دی‌اکسید کربن با غلظت بالا آزاد می‌کند.

چالش اصلی، مصرف انرژی است. مرحله بازیابی به مقدار قابل‌توجهی گرما نیاز دارد که معمولاً از طریق بخار فشار پایین تأمین می‌شود و این بخار از سیستم خدماتی نیروگاه تأمین می‌گردد. این بار گرمایی بزرگ‌ترین هزینهٔ عملیاتی سیستم‌های آمین و دلیل اصلی وجود مجازات انرژی در این فناوری است که برخی از بهره‌برداران آن را توجیه‌پذیر نمی‌دانند.

فناوری غشا در حال کسب محبوبیت است به‌عنوان جایگزین یا مکمل روش شست‌وشو با آمین. غشاهای پلیمری می‌توانند دی‌اکسیدکربن را نسبت به متان به‌صورت انتخابی عبور دهند و حذف توده‌ای را با مصرف انرژی کمتری فراهم کنند. تماس‌دهنده‌های غشایی الیاف توخالی همراه با حلال‌های آمین، عملکردی نشان داده‌اند که حدوداً ۳۰ درصد هزینه‌های بهره‌برداری را نسبت به سیستم‌های مرسوم کاهش می‌دهد و فضای اشغالی آن‌ها تا ۵۰ درصد کوچک‌تر است. .

هر رویکردی نقطه‌ی قوت خاص خود را دارد. سیستم‌های آمین زمانی برتری دارند که نیاز به نرخ‌های بالای جذب و خلوص بالای محصول باشد. غشاها برای حذف توده‌ای دی‌اکسیدکربن جذاب هستند، جایی که خلوص متوسط قابل قبول است و هزینه‌های انرژی اصلی‌ترین ملاحظه است. سیستم‌های ترکیبی که از هر دو فناوری استفاده می‌کنند نیز در حال ظهور هستند؛ در این سیستم‌ها از غشا برای جداسازی اولیه و از آمین برای تصفیه نهایی استفاده می‌شود.

جایی که جذب کربن در نیروگاه گازی منطقی است

هر تأسیسات پردازش گاز طبیعی‌ای برای جذب دی‌اکسید کربن مناسب نیست. اقتصاد این فرآیند عمدتاً به میزان دی‌اکسید کربن موجود در گاز ورودی، دسترسی به مسیرهای ذخیره‌سازی یا استفاده مجدد و همچنین محیط نظارتی یا انگیزشی بستگی دارد.

تأسیساتی که گاز را از مخازن حاوی غلظت بالای دی‌اکسید کربن — گاهی اوقات ۱۰ تا ۲۰ درصد یا بیشتر — پردازش می‌کنند، ساده‌ترین مورد برای اجرای این فناوری هستند. در این تأسیسات، دی‌اکسید کربن از پیش برای رعایت استانداردهای خط لوله حذف می‌شود؛ بنابراین جذب آن برای ذخیره‌سازی هزینه‌ای اضافی دارد، اما ممکن است با قیمت‌گذاری کربن یا اعتبارهای مالیاتی توجیه‌پذیر باشد. به‌عنوان مثال، در ایالات متحده، وزارت انرژی بودجهٔ قابل‌توجهی را برای پروژه‌های جذب کربن در تأسیسات گاز طبیعی اختصاص داده و هدف آن دستیابی به نرخ جذب ۹۰ درصدی است.

برای نیروگاه‌هایی با محتوای پایین دی‌اکسید کربن، اقتصاد این فناوری چالش‌برانگیزتر است. هزینهٔ اضافی جذب هر تن دی‌اکسید کربن بالاتر است، زیرا دبی گاز بیشتر است نسبت به مقدار دی‌اکسید کربنی که جذب می‌شود. این تأسیسات ممکن است برای توجیه اقتصادی پروژه به حمایت سیاستی یا درآمد حاصل از اعتبارات کربن وابسته باشند.

سوال دیگری نیز وجود دارد: دی‌اکسید کربن جذب‌شده را چه کنیم؟ بازیابی پیشرفته نفت (EOR) سنتی‌ترین راه خروجی بوده است؛ در این روش دی‌اکسید کربن به مخازن تخلیه‌شده تزریق می‌شود تا تولید نفت افزایش یابد. ذخیره‌سازی در آبخوان‌های شور گزینه‌ای دیگر است، هرچند نیازمند بررسی دقیق محل و پایش مداوم است. مسیرهای استفادهٔ مفید—مانند تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد شیمیایی، سوخت‌ها یا مواد ساختمانی—در حال ظهور هستند، اما هنوز مقیاس کوچکی دارند.

پروژه‌ای منحصربه‌فرد و قابل توجه

پروژه‌ای که اخیراً در جنوب غربی چین راه‌اندازی شده، نمونه‌ای آموزنده ارائه می‌دهد. این تأسیسات، یک نیروگاه تصفیه گاز طبیعی هستند که گاز تلخ را از میدانی مجاور پردازش می‌کنند. واحد جذب کربن به‌عنوان یک پروژه نمایشی اضافه شده تا امکان‌پذیری فنی و اقتصادی جذب دی‌اکسیدکربن از گاز باقی‌مانده این نیروگاه اثبات شود. .

این پروژه از فرآیند جذب شیمیایی با فرمولاسیون آمین اختصاصی استفاده می‌کند که برای جریان دی‌اکسیدکربن با فشار پایین و غلظت متوسط—ویژگی گاز باقی‌مانده این نیروگاه—بهینه‌سازی شده است. طراحی این سیستم شامل بخشی برای شست‌وشوی آبی بالای جاذب جهت کاهش حداکثری انتقال آمین، همراه با مرحله جداسازی سیکلون ریز برای بازیابی حلال گرفتار‌شده است. .

دی‌اکسیدکربن جذب‌شده فشرده می‌شود و دوباره به همان میدان گازی تزریق می‌گردد تا بازیابی گاز ارتقا یابد. این امر سیستمی بسته ایجاد می‌کند که در آن دی‌اکسیدکربن کاربردی تولیدی دارد و همزمان از ورود به جو جلوگیری می‌شود. ظرفیت سالانه جذب حدود ۲۶۵۰۰ تن است و اثر بازیابی بهبودیافته گزارش شده است که تولید را تقریباً ۱۰ درصد افزایش می‌دهد.

این پروژه از نظر مقیاس — چرا که مجتمع‌های بزرگ‌تری برای جذب کربن در سایر مکان‌ها وجود دارد — قابل توجه نیست، بلکه اهمیت آن در نشان‌دادن ادغام فرآیند جذب با بازیابی بهبودیافته گاز در زمینه پردازش گاز طبیعی است. رویکرد فنی، انتخاب حلال و استراتژی تزریق همه باید دقیقاً برای این کاربرد توسعه یافته باشند و دروس آموخته‌شده در پروژه‌های بعدی به کار گرفته می‌شوند.

هزینه‌های واقعی و مصالحه‌ها

بحث صادقانه دربارهٔ جذب کربن نیازمند پذیرش هزینه‌ها و ترازنمایی‌های مرتبط است. افت انرژی واقعی است. بازیابی آمین بخاری را مصرف می‌کند که در غیر این صورت می‌توانست برای تولید برق یا تأمین سایر نیازهای فرآیندی به کار رود. این بار انرژی جانبی، خروجی خالص واحد را کاهش می‌دهد یا مصرف سوخت آن را افزایش می‌دهد.

جدول بالا ترازنمایی‌های کلیدی را خلاصه می‌کند. سیستم‌های آمین بالاترین نرخ جذب را فراهم می‌کنند، اما با بالاترین هزینهٔ انرژی. سیستم‌های غشایی کارایی بیشتری دارند، اما معمولاً بدون پیکربندی‌های چندمرحله‌ای نمی‌توانند نرخ جذب مشابهی داشته باشند. رویکردهای ترکیبی تلاش می‌کنند بهترین ویژگی‌های هر دو را به دست آورند، اما در مقیاس تجاری کمتر اثبات‌شده‌اند.

همچنین ملاحظات عملیاتی نیز وجود دارد. تخریب آمین در طول زمان، بازیابی و جایگزینی حلال را ضروری می‌کند. گرفتگی غشا و پیرشدن آن، عملکرد را تحت تأثیر قرار می‌دهد و جایگزینی دوره‌ای آن را الزامی می‌سازد. باید صحت جریان دی‌اکسیدکربن برای انتقال و ذخیره‌سازی حفظ شود—آلاینده‌هایی مانند آب، اکسیژن و ترکیبات گوگردی می‌توانند باعث خوردگی یا تأثیر منفی بر قابلیت تزریق شوند.

اقتصاد این فناوری به عوامل خارجی وابسته است. قیمت‌گذاری کربن، اعتبارهای مالیاتی و مقررات اجباری می‌توانند پروژه‌های حاشیه‌ای را از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه سازند. بدون چنین حمایتی، تنها تأسیساتی با بالاترین میزان انتشار دی‌اکسیدکربن یا آن‌هایی که توافق‌های مطلوبی برای بازیابی اولیه نفت (EOR) دارند، می‌توانند سرمایه‌گذاری را توجیه کنند.

چشم‌انداز سیاست‌گذاری و پیامدهای آن

محیط سیاست‌گذاری در حال تغییر است. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) فناوری جمع‌آوری، انتقال و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن (CCUS) را به‌عنوان یک فناوری حیاتی برای کاهش انتشار کربن در زنجیره ارزش گاز شناسایی کرده است. برنامه‌های تأمین مالی دولتی در چندین حوزه قضایی در حال ظهور هستند. وزارت انرژی ایالات متحده (U.S. DOE) میلیاردها دلار برای نمایش و توسعه فناوری جمع‌آوری کربن اختصاص داده است. ابتکارات مشابهی در اروپا، آسیا و خاورمیانه وجود دارد.

اما حمایت سیاستی امری قطعی نیست. بودجه‌ها ممکن است لغو شوند، اعتبارهای مالیاتی منقضی گردند و الزامات نظارتی تغییر کنند. توسعه‌دهندگان پروژه‌ها باید نه‌تنها امکان‌پذیری فنی و اقتصادی، بلکه ریسک سیاستی را نیز ارزیابی کنند. برخی از پروژه‌ها با طراحی «آماده برای جمع‌آوری» (capture-ready) اجرا می‌شوند که امکان افزودن تجهیزات جمع‌آوری در آینده را فراهم می‌کند و سرمایه‌گذاری اولیه را تا زمانی که روشن‌تر شدن شرایط سیاستی و اقتصادی امکان‌پذیر شود، به تعویق می‌اندازد.

خود فناوری به تکامل خود ادامه می‌دهد. ترکیبات جدید حلال وعده‌ی کاهش انرژی مورد نیاز برای بازیابی را می‌دهند. مواد پیشرفته‌ی غشایی انتخاب‌پذیری و دوام بالاتری ارائه می‌کنند. استراتژی‌های ادغام فرآیند—مانند استفاده از گرمای هدررفته برای بازیابی و بهینه‌سازی سیستم جذب متناسب با ترکیب گاز خاص—می‌توانند بازده کلی را بهبود بخشند.

برای اپراتوران نیروگاه‌های گاز طبیعی، تصمیم به افزودن سیستم جذب کربن ساده نیست. این امر نیازمند ارزیابی دقیق ترکیب گاز ورودی، امکانات موجود، گزینه‌های ذخیره‌سازی بلندمدت، حمایت‌های سیاستی و شرایط بازار است. پروژه‌هایی که موفق می‌شوند، پروژه‌هایی هستند که فناوری را با شرایط خاص محل تطبیق می‌دهند و مسیر روشنی برای تجاری‌سازی دارند.

گرین‌فیر تجهیزات پردازش و جداسازی گاز ارائه می‌دهد که می‌توان آن‌ها را برای پشتیبانی از ادغام جذب کربن پیکربندی کرد و این تجهیزات با قابلیت‌های ساخت مطابق با استانداردهای ای‌اس‌ام‌ای و سی‌ای تأییدشده‌اند. زنجیرهٔ تأمین تجهیزات وجود دارد؛ تخصص مهندسی در دسترس است. عامل محدودکننده اغلب اقتصاد سطح پروژه و محیط سیاست‌گذاری است، نه خود فناوری.