Hồi thu năng lượng lạnh LNG

Năng lượng lạnh cứ tiếp tục bị lãng phí

Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) đến các trạm nhập khẩu ở nhiệt độ khoảng -162°C. Đây là một dung lượng làm lạnh khổng lồ — dạng năng lượng lạnh đòi hỏi công nén đáng kể để tạo ra ngay từ đầu. Thế nhưng phần lớn các trạm LNG chỉ đơn giản hóa hơi chất lỏng bằng nước biển hoặc bộ gia nhiệt không khí môi trường, đổ thẳng năng lượng lạnh ấy ra môi trường. Không hiếm khi các cơ sở coi nguồn năng lượng này như một sản phẩm phụ cần loại bỏ, trong khi thực tế nó lại là một trong những dòng năng lượng bị khai thác thiếu hiệu quả nhất toàn ngành khí công nghiệp.

Các con số kể một câu chuyện rõ ràng. Một trạm tiếp nhận LNG quy mô lớn điển hình, xử lý vài triệu tấn mỗi năm, giải phóng năng lượng lạnh tương đương với công suất phát điện hàng chục megawatt. Năng lượng lạnh này không hề rẻ — quá trình hóa lỏng tiêu tốn khoảng 8% đến 10% lượng khí tự nhiên đầu vào dưới dạng tải phụ. Việc để nhiệt độ lạnh này đơn thuần tiêu tán đi là, xét từ góc độ exergy, bỏ lỡ cơ hội thu lợi.

Điều gì khiến năng lượng lạnh từ LNG trở nên quý giá như vậy

Nhiệt độ cryogenic rất tốn kém để tạo ra. Việc tách không khí, sản xuất ethylene, lưu trữ lạnh và thậm chí làm mát trung tâm dữ liệu đều đòi hỏi hệ thống làm lạnh ở các mức nhiệt độ khác nhau. Quá trình tái hóa khí LNG cung cấp sẵn một bể thu nhiệt cryogenic có thể phục vụ trực tiếp cho những quy trình này.

Hồ sơ nhiệt độ rất quan trọng. Khi LNG ấm lên từ -162°C đến nhiệt độ môi trường, nó có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng tuần tự trên các dải nhiệt độ khác nhau. Độ lạnh sâu nhất—dưới -100°C—rất phù hợp cho tách khí cryogenic, nơi oxy, nitơ và argon được sản xuất dưới dạng chất lỏng. Các nhiệt độ trung gian khoảng -50°C đến -80°C có thể vận hành chu trình Rankine hữu cơ để phát điện hoặc hỗ trợ các cơ sở lưu trữ lạnh. Việc thu hồi nhiệt ở mức ấm hơn gần 0°C thích hợp cho hệ thống điều hòa không khí tòa nhà hoặc làm mát quy trình công nghiệp.

Thách thức kỹ thuật nằm ở việc khớp độ trượt nhiệt của quá trình hóa khí với yêu cầu nhiệt của ứng dụng phía hạ lưu. Các bộ trao đổi nhiệt phải xử lý dòng hai pha, chênh lệch nhiệt độ lớn và khả năng đóng băng độ ẩm hoặc CO₂ từ phía không khí. Đây không phải là những vấn đề kỹ thuật đơn giản, nhưng chúng đã được hiểu rõ và có thể giải quyết được bằng thiết kế phù hợp.

Nơi Thu Hồi Lạnh Thực Sự Hiệu Quả Trong Thực Tế

Tách không khí đã nổi lên như ứng dụng thương mại hấp dẫn nhất đối với việc thu hồi năng lượng lạnh từ LNG. Yêu cầu về nhiệt độ khớp hoàn hảo — các hệ thống tách không khí cryogenic (ASU) hoạt động ngay trong dải nhiệt độ mà LNG giải phóng phần lớn năng lượng lạnh của nó. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc tích hợp một dây chuyền hóa khí LNG với một hệ thống ASU cryogenic có thể đạt hiệu suất exergetic tổng thể vượt quá 90% . Mức tiêu thụ năng lượng riêng trong các cấu hình tích hợp như vậy được báo cáo ở mức khoảng 0.022 kWh trên mỗi kilogram không khí xử lý — con số này mang tính cạnh tranh cao so với các hệ thống ASU vận hành độc lập.

Các tiến triển dự án gần đây phản ánh sự gia tăng quan tâm thương mại. Một dự án tách không khí sử dụng năng lượng lạnh từ LNG quy mô lớn vừa khởi công tại một đầu mối tiếp nhận chính ở miền Đông Trung Quốc, với công suất sản xuất chất lỏng hàng ngày khoảng 660 tấn . Nha may tich hop he thong bay hoi LNG truc tiep voi khoi lam lanh tach khi, su dung nhiet lam lanh tu qua trinh bay hoi de hoa long oxy, nito va agon ma khong can may nen lam lanh bo sung. Khoan dau tu von cho su tich hop nay len den hang tram trieu Nhan dan te, nhung loi the ve chi phi van hanh so voi cac he thong tach khi truyen thong (ASU) la rat lon.

Ngoai ung dung trong tach khi, viec tai thu nhiet lam lanh cung da duoc ap dung trong phat dien. Cac he thong chu trinh Rankine huu co (ORC) su dung cac chat lam viec phu hop co the chuyen doi nhiet lam lanh cap thap thanh dien nang. Mot du an su dung nhiet lam lanh theo kieu day chuyen gan day da bao cao khoi luong dien san xuat nam la 26 trieu kWh chi tu nhiet lam lanh cua LNG. Tinh kha thi ve kinh te phu thuoc manh vao gia dien va su san co cua nguon nhiet cho chu trinh ORC o tang duoi, nhung trong cac dieu kien phu hop, cac he thong nay co the hoan von trong khoang thoi gian hop ly.

Kiểm tra Thực tế Vận hành

Bất kỳ cuộc thảo luận trung thực nào về việc thu hồi lạnh từ LNG đều phải thừa nhận những ràng buộc thực tiễn. Không phải mọi đầu mối đều phù hợp. Về mặt kinh tế, giải pháp chỉ khả thi khi có nhu cầu lạnh ổn định và liên tục—các nhà máy tách không khí không thể bật/tắt theo biến động lưu lượng xuất LNG. Các đầu mối hoạt động theo chế độ đỉnh điểm, với tốc độ hóa khí LNG thay đổi mạnh, đặt ra những thách thức tích hợp đáng kể.

Ngoài ra, còn tồn tại giới hạn kỹ thuật về lượng lạnh có thể thu hồi một cách thực tiễn. Việc đóng cặn trên bộ trao đổi nhiệt, đặc biệt ở phía không khí nơi độ ẩm có thể đóng băng, đòi hỏi kiểm soát quy trình cẩn thận. Tổn thất áp suất dọc theo chuỗi thu hồi lạnh làm tăng công suất bơm LNG. Đồng thời, chính việc tích hợp này cũng làm gia tăng độ phức tạp trong vận hành đầu mối—điều mà các nhà vận hành hoàn toàn có lý do chính đáng để thận trọng.

Bảng trên đây nêu bật sự đánh đổi cơ bản. Việc tích hợp mang lại lợi thế thực sự về chi phí vận hành, nhưng đổi lại là giảm tính linh hoạt trong lựa chọn vị trí và độc lập trong vận hành. Đối với các cảng có hồ sơ xuất ổn định và dự báo được—thường là những cảng phục vụ khách hàng công nghiệp quy mô lớn hoặc khách hàng điện lực tiêu thụ liên tục—lý do để tích hợp là rất thuyết phục. Còn đối với các cảng phục vụ nhu cầu đỉnh, tính thuyết phục này thấp hơn.

Một trường hợp thực tế đáng xem xét

Một dự án tại Đông Nam Á minh hoạ cả tiềm năng lẫn rủi ro. Cảng trong ví dụ này có lưu lượng xuất ổn định khoảng 30 triệu feet khối tiêu chuẩn mỗi ngày, phục vụ một cụm khách hàng công nghiệp. Nhóm thực hiện dự án đã đánh giá nhiều phương án thu hồi lạnh và cuối cùng lựa chọn cách tiếp cận hai giai đoạn: làm lạnh sâu để cung cấp cho một nhà máy khí không khí (ASU) liền kề nhằm sản xuất oxy lỏng và nitơ lỏng, đồng thời làm lạnh ở mức trung gian để cung cấp cho hệ thống làm mát tập trung phục vụ các toà nhà thương mại lân cận.

Việc tích hợp ASU hoạt động đúng như thiết kế, cung cấp các sản phẩm dạng lỏng đạt yêu cầu độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp. Tuy nhiên, phần làm mát khu vực gặp sự cố. Độ trượt nhiệt độ trong quá trình hóa khí LNG không khớp với đặc tuyến tải lạnh sát như dự báo ban đầu từ các mô hình. Dự án buộc phải bổ sung thêm bể chứa đệm và một vòng tuần hoàn chất làm lạnh thứ cấp nhằm san bằng những điểm không khớp này. Bài học rút ra rất rõ ràng: việc thu hồi lạnh trông tuyệt vời trên sơ đồ cân bằng nhiệt, nhưng thực tế lại nằm ở khả năng phối hợp động giữa nguồn cung và nhu cầu.

Hướng Đi Của Ngành Công Nghiệp

Môi trường quy định đang thay đổi theo hướng thuận lợi cho việc thu hồi lạnh. Các cơ chế định giá carbon và các yêu cầu về hiệu suất năng lượng đang khiến việc thu hồi nhiệt thải và lạnh thải trở nên hấp dẫn hơn từ góc độ tuân thủ quy định. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã nhấn mạnh vai trò của các biện pháp nâng cao hiệu suất trên toàn chuỗi giá trị LNG trong việc giảm cường độ phát thải tổng thể. Việc thu hồi lạnh không làm giảm trực tiếp lượng khí CO₂ phát thải tại ống khói đốt cháy, nhưng nó thay thế lượng điện tiêu thụ—lượng điện này nếu không được thay thế thì sẽ phải lấy từ lưới điện, và ở nhiều khu vực, nguồn điện từ lưới vẫn chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch.

Các nhà sản xuất thiết bị đã phản ứng bằng cách cung cấp các sản phẩm chuẩn hóa hơn. Các đơn vị thu hồi lạnh dạng cụm (skid-mounted) tích hợp sẵn dàn trao đổi nhiệt và hệ thống điều khiển đã được thiết kế trước ngày càng phổ biến, giúp giảm gánh nặng kỹ thuật đặt lên các nhà khai thác cảng đầu cuối. Công nghệ này đang chuyển dịch từ các giải pháp được thiết kế riêng sang các thiết kế mô-đun hóa và có khả năng lặp lại cao hơn.

Một lĩnh vực đáng theo dõi là việc tích hợp thu hồi lạnh với bắt giữ carbon. Một số đề xuất gần đây đã kết hợp việc sử dụng năng lượng lạnh từ LNG với chu trình Allam — một quá trình đốt cháy trong môi trường giàu oxy tạo ra dòng CO₂ tinh khiết, thích hợp cho việc lưu trữ. năng lượng lạnh từ quá trình hóa khí LNG có thể hỗ trợ tách không khí để sản xuất oxy và đồng thời hỗ trợ làm lỏng CO₂ nhằm vận chuyển. Các điểm cộng hưởng này là có thật, dù các hệ thống liên quan khá phức tạp và đòi hỏi chi phí đầu tư lớn.

Đối với các nhà vận hành đang đánh giá khả năng thu hồi lạnh, bước khởi đầu nên là một đánh giá trung thực về đặc điểm lưu lượng khí đưa vào mạng lưới, thị trường năng lượng địa phương và khả năng tiếp cận các đối tác tiêu thụ lạnh phù hợp. Không phải mọi địa điểm đều khả thi về mặt kinh tế. Tuy nhiên, đối với những địa điểm đáp ứng được, lợi thế về chi phí vận hành cùng các lợi ích môi trường tạo nên lập luận thuyết phục.

Các công ty như GreenFir đã xây dựng được thành tích trong việc cung cấp thiết bị quy trình cryogenic hỗ trợ các chiến lược tích hợp này. Với chứng nhận ASME và CE cùng danh mục dự án toàn cầu trải dài trên nhiều châu lục, năng lực sản xuất và hệ thống kiểm soát chất lượng hiện có đủ khả năng hỗ trợ làn sóng tiếp theo của các lắp đặt thu hồi nhiệt độ thấp . Kiến thức kỹ thuật đã sẵn sàng; câu hỏi đặt ra là kinh tế dự án và áp lực quy định có hội tụ để thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi hơn hay không.