بازیابی انرژی سرد گاز طبیعی مایع

سرما‌ای که همواره هدر می‌رود

گاز طبیعی مایع در دمای حدود منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد به ایستگاه‌های واردات می‌رسد. این مقدار سرمایش بسیار زیادی است — انرژی سردی که برای تولید اولیه‌اش، کار فشرده‌سازی قابل توجهی صرف شده است. با این حال، اکثر ایستگاه‌های گاز طبیعی مایع، این مایع را تنها با استفاده از آب دریا یا گرم‌کننده‌های هوا محیط تبدیل به گاز می‌کنند و آن انرژی سرد را مستقیماً به محیط منتقل می‌کنند. اغلب اوقات این انرژی را صرفاً به عنوان یک پسماند تلقی می‌کنند که باید دور ریخته شود، در حالی که در واقع یکی از کمترین جریان‌های انرژی بهره‌برداری‌شده در کل بخش گازهای صنعتی محسوب می‌شود.

اعداد داستانی روشن از این وضعیت روایت می‌کنند. یک ایستگاه دریافت گاز طبیعی مایع در مقیاس بزرگ که سالانه چندین میلیون تن پردازش می‌کند، انرژی سرد معادل ده‌ها مگاوات توان تولید برق آزاد می‌کند. این انرژی با هزینه کمی به دست نیامده است — فرآیند مایع‌سازی حدود ۸ تا ۱۰ درصد از گاز طبیعی ورودی را به عنوان بار جانبی مصرف می‌کند. اجازه دادن به این انرژی سرد تا به سادگی پراکنده شود، از دیدگاه اگزرژی، معادل رها کردن پول روی میز است.

چه چیزی انرژی سرد گاز طبیعی مایع را به این خاطر ارزشمند می‌کند

دستیابی به دمای کریوژنیک هزینه‌بر است. جداسازی هوا، تولید اتیلن، ذخیره‌سازی سرد و حتی خنک‌کاری مراکز داده همگی نیازمند سیستم‌های سرمایشی در سطوح دمایی مختلفی هستند. تبدیل گاز طبیعی مایع به حالت گازی (ری‌گازیفیکیشن) یک منبع آمادهٔ کریوژنیک فراهم می‌کند که می‌تواند مستقیماً این فرآیندها را تأمین کند.

پروفایل دمایی اهمیت دارد. هنگامی که گاز طبیعی مایع از ۱۶۲- درجهٔ سانتی‌گراد تا دمای محیط گرم می‌شود، می‌تواند چندین کاربرد پی‌درپی را در بازه‌های دمایی مختلف پشتیبانی کند. سردترین بخش — زیر ۱۰۰- درجهٔ سانتی‌گراد — برای جداسازی کریوژنیک هوا ایده‌آل است، جایی که اکسیژن، نیتروژن و آرگون به‌صورت مایع تولید می‌شوند. دماهای میانی در حدود ۵۰- تا ۸۰- درجهٔ سانتی‌گراد می‌توانند چرخه‌های ارگانیک رنکین را برای تولید برق به راه انداخت یا تسهیلات ذخیره‌سازی سرد را پشتیبانی کنند. بازیابی گرما در دماهای گرم‌تر نزدیک به صفر درجهٔ سانتی‌گراد برای سیستم‌های تهویهٔ مطبوع ساختمان‌ها یا خنک‌کاری فرآیندهای صنعتی مناسب است.

چالش فنی در هماهنگ‌سازی کاهش دمای فرآیند تبدیل مایع به گاز با نیازهای حرارتی کاربرد پایین‌دست قرار دارد. مبدل‌های حرارتی باید جریان دو فازی، تفاوت‌های دمایی قابل توجه و احتمال یخ‌زدن رطوبت یا دی‌اکسیدکربن از سوی هوای محیط را تحمل کنند. این‌ها مسائل مهندسی ساده‌ای نیستند، اما به‌خوبی شناخته‌شده‌اند و با طراحی مناسب قابل حل هستند.

جایی که بازیابی سرما در عمل واقعاً مؤثر است

جداسازی هوا به‌عنوان جذاب‌ترین کاربرد تجاری برای بازیابی سرما از LNG ظهور کرده است. نیازهای دمایی به‌خوبی با یکدیگر هماهنگ‌اند — واحدهای جداسازی هوا با فرآیند کریوژنیک دقیقاً در محدوده دمایی کار می‌کنند که در آن LNG بخش عمده‌ای از انرژی سرمایی خود را آزاد می‌کند. مطالعات نشان داده‌اند که ادغام خط تبدیل مایع به گاز LNG با یک واحد جداسازی هوا با فرآیند کریوژنیک می‌تواند بازده اگزرژی کلی بیش از ۹۰٪ را به‌دست آورد. مصرف انرژی ویژه در این پیکربندی‌های یکپارچه حدود ۰٫۰۲۲ کیلووات‌ساعت بر کیلوگرم هوای پردازش‌شده گزارش شده است — رقمی که با عملیات ASU مستقل مقایسه‌شدنی است.

پیشرفت‌های اخیر پروژه‌ها نشان‌دهنده افزایش علاقه تجاری است. پروژه‌ای مهم جداسازی هوا با استفاده از انرژی سرد LNG اخیراً در یکی از بزرگ‌ترین ترمینال‌های دریافتی شرق چین آغاز به کار کرده است که ظرفیت تولید روزانه مایع آن حدود ۶۶۰ تن است. این نیروگاه سیستم تبخیر LNG را مستقیماً با جعبه سرد جداسازی هوا یکپارچه می‌کند و از سرماي بازگازی برای مایع‌سازی اکسیژن، نیتروژن و آرگون بدون نیاز به فشرده‌سازی سرمایی اضافی استفاده می‌کند. سرمایه‌گذاری اولیه برای چنین یکپارچه‌سازی به صدها میلیون یوان چینی می‌رسد، اما مزیت هزینه‌های بهره‌برداری نسبت به ASUهای معمولی قابل توجه است.

فراتر از جداسازی هوا، بازیابی سرما در تولید برق نیز مورد توجه قرار گرفته است. سیستم‌های چرخه رنکین آلی که از سیال‌های کاری مناسبی استفاده می‌کنند، قادرند سرماي پایین‌درجه را به برق تبدیل کنند. در یک پروژه بهره‌برداری پلکانی اخیر، تولید سالانهٔ ۲۶ میلیون کیلووات‌ساعت برق صرفاً از انرژی سرمایی گاز طبیعی مایع گزارش شده است. اقتصاد این سیستم‌ها عمدتاً به قیمت برق و دسترسی به منبع حرارتی برای چرخهٔ پایینی ORC وابسته است، اما در شرایط مناسب، زمان بازگشت سرمایهٔ آن‌ها در بازه‌ای معقول قرار می‌گیرد.

بررسی واقعی عملیاتی

هر بحث صادقانه‌ای دربارهٔ بازیابی سرمای گاز طبیعی مایع باید محدودیت‌های عملی را نیز در نظر بگیرد. همهٔ ترمینال‌ها برای این کار مناسب نیستند. از نظر اقتصادی، این روش تنها زمانی مقرون‌به‌صرفه است که تقاضای پایدار و پایه‌ای برای سرما وجود داشته باشد؛ چرا که واحدهای جداسازی هوا نمی‌توانند با نوسانات نرخ تخلیهٔ گاز طبیعی مایع روشن و خاموش شوند. ترمینال‌هایی که به‌صورت ترمینال‌های اوج‌گیر (پیک) فعالیت می‌کنند و نرخ تبدیل مجدد گاز آن‌ها بسیار متغیر است، چالش‌های قابل‌توجهی در ادغام این سیستم‌ها ایجاد می‌کنند.

همچنین محدودیت‌های فنی در مورد میزان سرمايی که به‌صورت عملی قابل بازیابی است، وجود دارد. انسداد مبادله‌کننده‌های حرارتی، به‌ویژه در سمت هوا که رطوبت ممکن است منجمد شود، نیازمند کنترل دقیق فرآیند است. افت فشار در طول مسیر بازیابی سرما به کار پمپ LNG اضافه می‌شود. همچنین خود ادغام، پیچیدگی‌هایی را به عملیات ترمینال تحمیل می‌کند— موضوعی که اپراتورها به‌طور کاملاً قابل‌درکی نسبت به آن احتیاط می‌کنند.

جدول بالا تناقض اساسی را ثبت کرده است. ادغام، مزایای واقعی در هزینه‌های عملیاتی ایجاد می‌کند، اما به قیمت کاهش انعطاف‌پذیری در قرارگیری و استقلال عملیاتی. برای ترمینال‌هایی که دارای نمودار ارسال پایدار و قابل پیش‌بینی هستند — که اغلب مشتریان بزرگ صنعتی یا بار پایهٔ شرکت‌های برق و گاز را تأمین می‌کنند — این امر بسیار جذاب است. اما برای ترمینال‌های اوج‌گیر (پیک)، چنین مزیتی کمتر مشهود است.

نمونه‌ای عملی که ارزش بررسی دارد

پروژه‌ای در جنوب شرق آسیا هم وعده‌ها و هم چالش‌های این رویکرد را نشان می‌دهد. ترمینال مورد بحث دارای نمودار ارسال نسبتاً پایداری در حدود ۳۰ میلیون فوت مکعب استاندارد در روز بود و گروهی از مشتریان صنعتی را تأمین می‌کرد. تیم پروژه چندین مسیر بازیابی سرما را ارزیابی کرد و در نهایت به رویکردی دو مرحله‌ای پی برد: سرماي عمیق برای واحد تولید اکسیژن و نیتروژن مایع (ASU) در مجاورت، و سرماي میانی برای سیستم سرمایش منطقه‌ای که ساختمان‌های تجاری مجاور را تأمین می‌کند.

ادغام ASU مطابق طرح انجام شد و محصولات مایع را با خلوصی تولید کرد که مشخصات آن‌ها استانداردهای صنعتی را برآورده می‌کرد. بخش سرمایش منطقه‌ای، با این حال، با مشکلاتی روبه‌رو شد. تغییر دمایی در فرآیند تبدیل LNG به گاز مطابق با نمودار بار سرمایشی نبود و این انطباق به‌قدری دقیق نبود که مدل‌های اولیه پیش‌بینی کرده بودند. این پروژه نیازمند ذخیره‌سازی اضافی جهت جبران نوسانات و یک حلقه مبرد ثانویه برای هموارسازی عدم تطابق‌ها بود. درس این مسئله ساده بود: بازیابی سرما در نمودار تعادل حرارتی بسیار عالی به نظر می‌رسد، اما چالش واقعی در تطبیق پویای عرضه و تقاضا نهفته است.

جایی که صنعت به آن می‌رود

محیط نظارتی در حال تغییر به سمت بازیابی سرماست. مکانیزم‌های قیمت‌گذاری کربن و دستورالعمل‌های افزایش بازده انرژی، بازیابی گرمای هدررفته و سرما را از منظر انطباق با مقررات جذاب‌تر کرده‌اند. آژانس بین‌المللی انرژی نقش اقدامات بهبود بازده در تمامی مراحل زنجیره ارزش LNG را در کاهش شدت کلی انتشارات برجسته کرده است. بازیابی سرما مستقیماً انتشار CO₂ را در دودکش احتراق کاهش نمی‌دهد، اما مصرف برقی را جایگزین می‌کند که در غیر این صورت از شبکه تأمین می‌شد — و در بسیاری از مناطق، این برق شبکه هنوز از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود.

سازندگان تجهیزات با ارائه محصولات استانداردتر واکنش نشان داده‌اند. واحدهای بازیابی سرما روی شاسی‌های ثابت (skid-mounted) با مجموعه‌های پیش‌مهندسی‌شده مبدل‌های حرارتی و سیستم‌های کنترلی به‌طور فزاینده‌ای در دسترس هستند و بار مهندسی را برای بهره‌برداران ترمینال کاهش می‌دهند. این فناوری از راه‌حل‌های سفارشی‌سازی‌شده مهندسی به سمت طراحی‌های ماژولارتر و تکرارپذیرتر در حرکت است.

یک حوزه‌ای که ارزش پیگیری دارد، ادغام بازیابی سرما با جذب دی‌اکسیدکربن است. برخی از پیشنهادهای اخیر، انرژی سرمایی گاز طبیعی مایع (LNG) را با چرخهٔ آلَم ترکیب کرده‌اند — فرآیند احتراق با اکسیژن که جریانی خالص از CO₂ تولید می‌کند و برای ذخیره‌سازی مناسب است. سرما حاصل از تبدیل مجدد LNG به حالت گازی می‌تواند در جداسازی هوا برای تولید اکسیژن و همچنین در مایع‌سازی CO₂ برای حمل و نقل کمک کند. این هم‌افزایی‌ها واقعی هستند، هرچند این سیستم‌ها پیچیده و سرمایه‌بر هستند.

برای اپراتورهایی که بازیابی سرما را ارزیابی می‌کنند، نقطهٔ شروع باید ارزیابی صادقانه‌ای از الگوی تأمین گاز، بازار انرژی محلی و دسترسی به خریداران مناسب برای سرمای بازیابی‌شده باشد. همهٔ مکان‌ها از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیستند. اما برای آن دسته از مکان‌هایی که این شرط را دارند، مزایای کاهش هزینه‌های عملیاتی و فواید زیست‌محیطی استدلال قوی‌ای ارائه می‌کنند.

شرکت‌هایی مانند گرین‌فیر سابقه‌ای در تأمین تجهیزات فرآیندی کریوژنیک دارند که این استراتژی‌های ادغام را پشتیبانی می‌کنند. با گواهی‌های ای‌اس‌ام‌ای و سی‌ای و پورتفولیوی جهانی پروژه‌ها که چندین قاره را در بر می‌گیرد، ظرفیت تولید و سیستم‌های کنترل کیفیت لازم برای پشتیبانی از نسل بعدی نصب‌های بازیابی سرد وجود دارد. دانش مهندسی لازم موجود است؛ اما پرسش این است که آیا اقتصاد پروژه‌ها و فشارهای نظارتی به‌گونه‌ای هم‌راستا خواهند شد که پذیرش گسترده‌تری را رقم بزنند.