การกู้คืนพลังงานความเย็นจากเอ็นจีแอล

ความเย็นที่ยังคงถูกสูญเปล่า

ก๊าซธรรมชาติเหลวมาถึงท่าเรือรับเข้าประมาณ -162 องศาเซลเซียส นี่คือความสามารถในการทำความเย็นในปริมาณมหาศาล—พลังงานความเย็นที่ต้องใช้พลังงานอัดอย่างมากในการสร้างขึ้นตั้งแต่ต้น อย่างไรก็ตาม สถานีรับก๊าซธรรมชาติเหลวส่วนใหญ่มากมายเพียงแค่เปลี่ยนของเหลวให้กลายเป็นไอโดยใช้น้ำทะเลหรือเครื่องทำความร้อนจากอากาศรอบข้าง ปล่อยพลังงานความเย็นนั้นทิ้งลงสู่สิ่งแวดล้อมโดยตรง จึงไม่น่าแปลกใจที่จะเห็นสถานประกอบการหลายแห่งมองพลังงานนี้เป็นเพียงผลพลอยได้ที่ต้องกำจัดทิ้ง ทั้งที่จริงๆ แล้ว มันคือหนึ่งในกระแสพลังงานที่ถูกใช้ประโยชน์น้อยที่สุดในภาคอุตสาหกรรมก๊าซทั้งหมด

ตัวเลขเหล่านี้บอกเล่าเรื่องราวอย่างชัดเจน สถานีรับก๊าซธรรมชาติเหลวขนาดใหญ่ทั่วไปที่ประมวลผลก๊าซหลายล้านตันต่อปี จะปล่อยพลังงานความเย็นเทียบเท่ากำลังการผลิตไฟฟ้าหลายสิบเมกะวัตต์ พลังงานความเย็นนี้ไม่ได้มาฟรี—กระบวนการทำให้ก๊าซกลายเป็นของเหลวใช้ก๊าซธรรมชาติป้อนเข้าระบบประมาณร้อยละ 8 ถึง 10 เป็นภาระแฝง (parasitic load) การปล่อยให้ความเย็นนั้นสูญเสียไปอย่างง่ายดาย ถือเป็นการสูญเสียคุณค่าเชิงเอกซ์เออร์จี (exergy) ซึ่งเท่ากับการทิ้งเงินไว้บนโต๊ะ

อะไรที่ทำให้พลังงานความเย็นจากแอลเอ็นจีมีคุณค่ามากนัก

การผลิตอุณหภูมิระดับคริโอเจนิกนั้นใช้ต้นทุนสูง กระบวนการต่างๆ เช่น การแยกอากาศ การผลิตเอทิลีน การเก็บรักษาแบบเย็นจัด และแม้แต่การระบายความร้อนในศูนย์ข้อมูล ก็ล้วนต้องอาศัยระบบทำความเย็นที่ทำงานที่ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ขณะที่การเปลี่ยนแอลเอ็นจีกลับเป็นก๊าซสามารถให้แหล่งดูดความร้อนระดับคริโอเจนิกที่พร้อมใช้งานได้ทันที ซึ่งสามารถนำไปใช้โดยตรงกับกระบวนการเหล่านี้

รูปแบบของช่วงอุณหภูมิมีความสำคัญ เมื่อแอลเอ็นจีค่อยๆ อุ่นขึ้นจาก -162°C ไปจนถึงอุณหภูมิห้อง มันสามารถรองรับการใช้งานแบบหลายขั้นตอนที่สอดคล้องกับช่วงอุณหภูมิที่ต่างกันได้ อุณหภูมิที่ต่ำที่สุด (ต่ำกว่า -100°C) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแยกอากาศแบบคริโอเจนิก ซึ่งใช้ผลิตออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนในสถานะของเหลว ส่วนอุณหภูมิระดับกลาง (ประมาณ -50°C ถึง -80°C) สามารถขับเคลื่อนวงจรออร์แกนิกแรนคินเพื่อผลิตไฟฟ้า หรือสนับสนุนสถานที่เก็บรักษาแบบเย็นจัดได้ ในขณะที่การกู้คืนความเย็นที่อุณหภูมิสูงขึ้นกว่านั้น (ใกล้ 0°C) สามารถใช้ในการปรับอากาศอาคาร หรือระบายความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรมได้

ความท้าทายด้านเทคนิคอยู่ที่การจับคู่ช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในกระบวนการแปรก๊าซกลับเป็นของเหลวให้สอดคล้องกับความต้องการพลังงานความร้อนของกระบวนการถัดไป แล่ปะแล็กเซอร์จำเป็นต้องจัดการกับการไหลสองเฟส ความต่างของอุณหภูมิอย่างมาก และความเสี่ยงที่ความชื้นหรือคาร์บอนไดออกไซด์จากฝั่งอากาศจะเกิดการแข็งตัว ปัญหาทางวิศวกรรมเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย แต่ก็เข้าใจกันดีและสามารถแก้ไขได้ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม

สถานที่ที่การกู้คืนความเย็นให้ผลจริงในทางปฏิบัติ

การแยกอากาศกลายเป็นการประยุกต์ใช้ที่น่าสนใจที่สุดเชิงพาณิชย์สำหรับการกู้คืนความเย็นจากแอลเอ็นจี ความต้องการอุณหภูมิสอดคล้องกันอย่างลงตัว—หน่วยแยกอากาศแบบคริโอเจนิกทำงานอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่แอลเอ็นจีปล่อยพลังงานความเย็นส่วนใหญ่ออกมา การศึกษาแสดงให้เห็นว่า การผสานสายการแปรก๊าซกลับเป็นของเหลวของแอลเอ็นจีเข้ากับหน่วยแยกอากาศแบบคริโอเจนิกสามารถบรรลุประสิทธิภาพเชิงเอกซ์เออร์จีโดยรวมได้สูงกว่าร้อยละ 90 การใช้พลังงานจำเพาะในโครงสร้างแบบบูรณาการดังกล่าวรายงานไว้ที่ประมาณ 0.022 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของอากาศที่ผ่านการแปรรูป ซึ่งค่าดังกล่าวเปรียบเทียบได้ดีกว่าการดำเนินงาน ASU แบบแยกต่างหาก

ความก้าวหน้าล่าสุดของโครงการสะท้อนถึงความสนใจเชิงพาณิชย์ที่เพิ่มขึ้น โครงการแยกอากาศโดยใช้พลังงานเย็นจาก LNG โครงการหนึ่งเพิ่งเริ่มก่อสร้างที่สถานีรับก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ขนาดใหญ่แห่งหนึ่งทางภาคตะวันออกของจีน โดยมีกำลังการผลิตของเหลวต่อวันประมาณ 660 ตัน โรงงานนี้ผสานระบบการระเหิดก๊าซ LNG โดยตรงเข้ากับกล่องทำความเย็นสำหรับการแยกอากาศ (cold box) โดยใช้พลังงานเย็นจากการเปลี่ยนสถานะก๊าซ (regasification) เพื่อทำให้ออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนกลายเป็นของเหลว โดยไม่ต้องใช้เครื่องอัดความเย็นเพิ่มเติม การลงทุนเบื้องต้นสำหรับการบูรณาการลักษณะนี้มีมูลค่าหลายร้อยล้านหยวน แต่ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนการดำเนินงานเมื่อเทียบกับ ASU แบบดั้งเดิมนั้นมีนัยสำคัญ

นอกเหนือจากการแยกอากาศแล้ว การกู้คืนความเย็นยังได้รับความนิยมในภาคการผลิตไฟฟ้า ระบบไซเคิลแรนคินอินทรีย์ (Organic Rankine cycle) ที่ใช้สารทำงานที่เหมาะสมสามารถแปลงพลังงานความเย็นระดับต่ำให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โครงการใช้พลังงานความเย็นแบบหลายขั้นตอนแห่งหนึ่งรายงานว่าสามารถผลิตไฟฟ้าได้ปีละ 26 ล้านกิโลวัตต์-ชั่วโมง จากพลังงานความเย็นของ LNG เพียงอย่างเดียว เศรษฐศาสตร์ของระบบนี้ขึ้นอยู่กับราคาค่าไฟฟ้าอย่างมาก และการมีแหล่งความร้อนสำหรับไซเคิลรอง (bottoming cycle) ของ ORC แต่ในบริบทที่เหมาะสม ระบบนี้สามารถคืนทุนได้ภายในกรอบเวลาที่สมเหตุสมผล

การประเมินความเป็นจริงในการปฏิบัติงาน

การอภิปรายอย่างตรงไปตรงมาเกี่ยวกับการกู้คืนพลังงานความเย็นจาก LNG จำเป็นต้องยอมรับข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ ไม่ใช่ทุกเทอร์มินัลจะเหมาะสมสำหรับการใช้งานดังกล่าว เศรษฐศาสตร์ของการลงทุนจะคุ้มค่าก็ต่อเมื่อมีความต้องการพลังงานความเย็นอย่างสม่ำเสมอและต่อเนื่อง (baseload demand) — โรงงานแยกอากาศไม่สามารถเริ่มหรือหยุดทำงานตามความผันแปรของอัตราการส่งออก LNG ได้ เทอร์มินัลที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานสำรอง (peaking facilities) ซึ่งมีอัตราการเปลี่ยนสถานะของ LNG เป็นก๊าซ (regasification rates) ที่แปรผันสูง จะสร้างความท้าทายอย่างมากต่อการบูรณาการระบบ

นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดด้านเทคนิคเกี่ยวกับปริมาณความเย็นที่สามารถกู้คืนได้จริง ซึ่งการสะสมสิ่งสกปรกบนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยเฉพาะฝั่งอากาศที่ความชื้นอาจแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง จำเป็นต้องควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวัง แรงดันตกคร่อมระบบกู้คืนความเย็นเพิ่มภาระงานของปั๊มแอลเอ็นจี และการผสานรวมระบบนี้เองยังสร้างความซับซ้อนต่อการดำเนินงานที่สถานีขนถ่าย ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ปฏิบัติงานมีเหตุผลเพียงพอที่จะระมัดระวัง

ตารางด้านบนสรุปภาวะการแลกเปลี่ยนพื้นฐานไว้ ความบูรณาการช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานได้จริง แต่แลกกับความยืดหยุ่นในการเลือกสถานที่ตั้งและการควบคุมการดำเนินงานอย่างอิสระ สำหรับท่าเรือที่มีปริมาณการส่งออกสม่ำเสมอและคาดการณ์ได้—ซึ่งมักเป็นท่าเรือที่ให้บริการลูกค้าภาคอุตสาหกรรมขนาดใหญ่หรือหน่วยงานสาธารณูปโภคที่ใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง—เหตุผลในการเลือกแนวทางนี้จึงมีน้ำหนักมาก แต่สำหรับท่าเรือที่ใช้งานเฉพาะช่วงพีค ความน่าสนใจจะลดลง

กรณีศึกษาที่ควรพิจารณา

โครงการหนึ่งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้แสดงให้เห็นทั้งศักยภาพและข้อควรระวัง ท่าเรือที่กล่าวถึงมีปริมาณการส่งออกค่อนข้างสม่ำเสมอที่ประมาณ ๓๐ ล้านลูกบาศก์ฟุตต่อวัน และให้บริการกลุ่มลูกค้าภาคอุตสาหกรรมใกล้เคียงกัน ทีมงานโครงการประเมินทางเลือกต่าง ๆ สำหรับการกู้คืนความเย็น และในที่สุดเลือกแนวทางสองขั้นตอน ได้แก่ การใช้ความเย็นระดับลึกกับโรงงานแยกอากาศ (ASU) ที่ตั้งอยู่ติดกัน เพื่อผลิตออกซิเจนเหลวและไนโตรเจนเหลว และการใช้ความเย็นระดับกลางกับระบบทำความเย็นแบบกระจาย (district cooling system) ที่ให้บริการอาคารเชิงพาณิชย์ในบริเวณใกล้เคียง

การผสานระบบ ASU ทำงานตามที่ออกแบบไว้ โดยสามารถผลิตของเหลวที่มีความบริสุทธิ์ตรงตามข้อกำหนดอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ส่วนระบบทำความเย็นสำหรับเขตเมืองเกิดปัญหา ช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างกระบวนการแปรสภาพ LNG กลับเป็นก๊าซไม่สอดคล้องกับรูปแบบภาระงานด้านการทำความเย็นเท่าที่แบบจำลองเบื้องต้นทำนายไว้ โครงการจึงจำเป็นต้องเพิ่มถังเก็บสำรองและวงจรสารทำความเย็นรองเพื่อลดความไม่สอดคล้องดังกล่าว บทเรียนที่ได้ค่อนข้างชัดเจน: การกู้คืนความเย็นอาจดูดีมากในแผนภาพสมดุลความร้อน แต่ความท้าทายที่แท้จริงอยู่ที่การจับคู่แบบพลวัตระหว่างการจ่ายกับความต้องการ

ทิศทางของอุตสาหกรรม

สภาพแวดล้อมด้านกฎระเบียบกำลังเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่เอื้อต่อการกู้คืนความเย็น การกำหนดราคาคาร์บอนและข้อบังคับว่าด้วยประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ทำให้การกู้คืนความร้อนส่วนเกินและความเย็นส่วนเกินมีความน่าสนใจยิ่งขึ้นจากมุมมองของการปฏิบัติตามข้อกำหนด สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) ได้ชี้ให้เห็นบทบาทของมาตรการเพิ่มประสิทธิภาพทั่วทั้งห่วงโซ่มูลค่าของ LNG ในการลดความเข้มข้นของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยรวม การกู้คืนความเย็นไม่ได้ลดการปล่อย CO₂ โดยตรงที่ปล่องไอเสียจากการเผาไหม้ แต่ช่วยลดการใช้ไฟฟ้าที่มิฉะนั้นจะต้องจ่ายจากโครงข่ายไฟฟ้า — และในหลายภูมิภาค ไฟฟ้าจากโครงข่ายนั้นยังคงผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

ผู้ผลิตอุปกรณ์ตอบสนองด้วยการนำเสนอผลิตภัณฑ์ที่เป็นมาตรฐานมากขึ้น หน่วยกู้คืนความเย็นแบบติดตั้งบนโครงเหล็ก (skid-mounted) ที่มาพร้อมชุดแลกเปลี่ยนความร้อนและระบบควบคุมที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า มีวางจำหน่ายมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งช่วยลดภาระงานด้านวิศวกรรมสำหรับผู้ดำเนินการท่าเรือ เทคโนโลยีนี้กำลังเปลี่ยนผ่านจากโซลูชันที่ออกแบบเฉพาะราย ไปสู่การออกแบบแบบโมดูลาร์ที่สามารถนำไปใช้ซ้ำได้มากขึ้น

หนึ่งในประเด็นที่น่าจับตามองคือการผสานรวมการกู้คืนความเย็นเข้ากับการดักจับคาร์บอน ข้อเสนอเมื่อเร็วๆ นี้บางฉบับได้นำพลังงานความเย็นจากแอลเอ็นจีมารวมเข้ากับไซเคิลแอลแลม ซึ่งเป็นกระบวนการเผาไหม้ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนเป็นหลัก และสามารถผลิตกระแส CO₂ ที่บริสุทธิ์สำหรับนำไปเก็บกักได้ ความเย็นที่ได้จากการเปลี่ยนสถานะแอลเอ็นจีกลับเป็นก๊าซสามารถใช้สนับสนุนกระบวนการแยกอากาศเพื่อผลิตออกซิเจน รวมทั้งช่วยในการทำให้ CO₂ เป็นของเหลวเพื่อการขนส่งด้วย แม้จะมีศักยภาพร่วมกันจริง แต่ระบบที่เกี่ยวข้องมีความซับซ้อนสูงและต้องลงทุนมาก

สำหรับผู้ประกอบการที่พิจารณาการกู้คืนความเย็น จุดเริ่มต้นควรเป็นการประเมินอย่างตรงไปตรงมาเกี่ยวกับรูปแบบการส่งออก (sendout profile) ตลาดพลังงานในท้องถิ่น และความพร้อมของผู้รับซื้อความเย็นที่เหมาะสม หากพิจารณาตามต้นทุนแล้ว ไม่ใช่ทุกสถานที่จะคุ้มค่า แต่สำหรับสถานที่ที่คุ้มค่า การลดต้นทุนการดำเนินงานและประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมก็สร้างเหตุผลที่แข็งแกร่งได้อย่างแท้จริง

ບໍລິສັດເຊັ່ນ ຕົວຢ່າງ GreenFir ໄດ້ສ້າງຊື່ເສີງໃນການຈັດສົ່ງອຸປະກອນຂະບວນການ cryogenic ທີ່ສະໜັບສະໜູນຍຸດທະສາດການບູລະນາການເຫຼົ່ານີ້. ດ້ວຍການຮັບຮອງ ASME ແລະ CE ແລະ ສິນຄ້າໂຄງການທົ່ວໂລກທີ່ມີຢູ່ໃນທະວີບຫຼາຍແຫ່ງ, ຄວາມສາມາດດ້ານການຜະລິດ ແລະ ລະບົບຄວບຄຸມຄຸນນະພາບມີຢູ່ເພື່ອສະໜັບສະໜູນການຕິດຕັ້ງລະບົບການດຶງຄວາມເຢັນຄືນໃນລັກສະນະໃໝ່ . ຄວາມຮູ້ດ້ານວິສະວະກຳມີຢູ່ແລ້ວ; ຄຳຖາມທີ່ເຫຼືອແມ່ນວ່າເສດຖະກິດຂອງໂຄງການ ແລະ ຄວາມກົດດັນດ້ານຂໍ້ບັງຄັບຈະມາປະສົມປະສານກັນເພື່ອຂັບເຄື່ອນການນຳໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງຫຼາຍຂຶ້ນຫຼືບໍ່.