Iskorištavanje kriogene energije s terminala za uplinjavanje prirodnog plina Doc. dr. sc. Radoslav Radonja, Sveučilište u Rijeci, Pomorski fakultet, Studentska 2, 51000 Rijeka e-mail: radonja@pfri.hr Bruno Reljac, student, Sveučilište u Rijeci, Pomorski fakultet, Studentska 2, 51000 Rijeka e-mail: bruno.reljac@gmail.com SAŽETAK S obzirom na promjene u ekološkoj legislativi ukapljeni prirodni plin se nameće kao trenutno prihvatljivo prijelazno rješenje energenta koje može zadovoljiti postavljene zahtjeve na emisije ispušnih plinova iz energetskih sustava. Pogodan je za transport plinovodima, ali i morem. Na globalnoj razini moguće je prepoznati vrlo brzi porast broja brodova za prijevoz ukapljenog prirodnog plina koji adekvatno prati i porast broja ukrcajno/iskrcajnih terminala te, sukladno, studije njihovog utjecaja na okoliš koje su često popraćene različitim reakcijama lokalnog stanovništva. Pri tomu su analize uglavnom usmjerene k prepoznavanju štetnih utjecaja koji mogu nastati na samoj lokaciji izgradnje, a lokalno stanovništvo vidi malu osobnu korist u takvim projektima. U radu je, stoga, prikazan pregled mogućnosti koji nudi kriogena energija koja se može iskoristiti kao nusprodukt takvih terminala, a koja može imati ulogu u promjeni percepcije lokalnog učinka terminala kako u energetskom tako i u ekološkom smislu. Razmotrit će se utilizacija kriogene energije kao i kombiniranje endotermnih i egzotermnih procesa te izbjegavanje pretvorbe energije implementacijom u gospodarskim djelatnostima. Uporabom rezultata moguće je procijeniti mogućnosti praktične primjene, te (primjerima primjene odgovarajuće tehnologije) pokazati da je moguće smanjiti učinke na okoliš i pri tome proizvesti energiju ili korisne proizvode. Ključne riječi: iskorištavanje kriogene energije, ukapljeni prirodni plin, terminal za uplinjavanje prirodnog plina.
Utilization of cryogenic energy from the natural gas regasification terminal Radoslav Radonja, Ph. D., Sveučilište u Rijeci, Pomorski fakultet, Studentska 2, 51000 Rijeka e-mail: radonja@pfri.hr Bruno Reljac, student, Sveučilište u Rijeci, Pomorski fakultet, Studentska 2, 51000 Rijeka e-mail: bruno.reljac@gmail.com ABSTRACT Given the changes in environmental legislation, liquefied natural gas is imposed as the currently acceptable transitional solution of an energy source that can meet the preset requirements for exhaust emissions from energy systems. It is suitable for gas pipelines, but also for sea transport. On a global scale, it is possible to recognize a very rapid increase in the number of ships used for the transport of liquefied natural gas which is adequately followed by the increase of the number of loading / unloading terminals and, accordingly, their environmental impact studies which are often accompanied by different reactions of the local population. In this respect, the analyzes are mainly directed towards the identifying of the harmful effects that may arise at the construction site itself, and locals see little personal benefit in such projects. The paper presents an overview of the possibilities offered by cryogenic energy that can be used as a byproduct of such terminals, which can play a role in changing the perception of the local effect of the terminal both energetically and ecologically. The use of cryogenic energy will be considered as well as the combination of endothermic and exothermic processes and avoidance of energy conversion by implementation in economic activities. Using the results, it is possible to evaluate practical application possibilities and (with examples of the application of appropriate technology) to show that it is possible to reduce environmental impacts and produce energy or useful products. Key words: exploitation of cryogenic energy, liquefied natural gas (LNG), terminal for regasification of natural gas.
1. UVOD Globalno prepoznat antropološki utjecaj na zagrijavanje atmosfere i posljedično uzrokovane klimatske promjene rezultirao je brojnim međunarodnim ugovorima i konvencijama s ciljem njegovog smanjenja i ograničavanja. Iako Međuvladina komisija za klimatske promjene (engl. Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) definira klimatske promjene kao: svaku promjenu klime u vremenu, bilo uzrokovanu prirodnim varijabilnostima ili kao posljedica ljudskih aktivnosti, brojna znanstvena istraživanja ukazuju na vrlo uočljivu korelaciju između porasta potrošnje ugljikovodika kao posljedice tehnološkog razvoja (povećanja potrebe za energentima) te porasta udjela stakleničkih plinova u atmosferi. Staklenički plinovi poput ugljičnog dioksida (CO2), metana (CH4) ili dušikovih oksida (NOx) koji se nalaze u atmosferi zaustavljaju isijavanje od Sunca dozračenog infracrvenog (toplinskog) zračenja poput stakla u staklenicima, pri čemu dolazi do povećanja unutarnje temperature staklenika (atmosfere). Taj proces zagrijava atmosferu i naziva se učinak staklenika. Bez tog prirodnog učinka staklenika život na zemlji kakav poznajemo zapravo ne bi bio moguć, jer bi prosječne temperature bile cca -18 C umjesto sadašnjih +15 C. Staklenički plinovi nastaju i iz prirodnih procesa, npr.: erupcije vulkana, prirodno nastali šumski požari, truljenje biljaka i drveća i sl. No, od početka industrijalizacije dolazi do značajnog utjecaja čovjekovih aktivnosti (izgaranje fosilnih goriva, proizvodnja električne ili toplinske energije, agrikultura, i sl.) gdje je količina ispuštenih plinova nadmašila one iz prirodnih izvora, pri čemu je CO2 najutjecajniji. Tijekom prošlog stoljeća uočene su mnoge promjene: povećanje prosječne temperature zraka i oceana, nestajanje polarnog leda ili povećanje razine mora, a IPCC ukazuje da to nije samo posljedica prirodnih procesa već vidi ljudske aktivnosti kao najvjerojatniji uzrok tih promjena. Protokolom iz Kyoto-a (2005.) države potpisnice (među kojima su i EU članice) obvezale su se na smanjenje ispuštanja CO2 za 20%, povećanje energetske učinkovitosti za 20% te povećanje udjela energije iz obnovljivih izvora za 20%. No, tako postavljene ciljeve nije moguće ostvariti uz uporabu dosadašnjih energenata poput sirove nafte ili ugljena te se prirodni plin zbog svojih karakteristika nametnuo kao prijelazno energetsko rješenje s manjim štetnim utjecajem na okoliš.
2. TRANSPORT UKAPLJENOG PRIRODNOG PLINA Prirodni plin uglavnom je mješavina propana, etana i metana, a najveći udio ima metan (oko 90 %). Izgaranjem prirodnog plina moguće je umanjiti emisije CO2 čak do 60% u odnosu na izgaranje ugljena, a budući da u svom sastavu prirodni plin ne sadrži sumpor kao primjesu (za razliku od sirove nafte ili ugljena) u nastalim ispušnim plinovima zadovoljena su i ograničenja za emisije sumpornih oksida (SOx). No, nalazišta prirodnog plina najčešće su udaljena od krajnjih potrošača, a za dopremu je trebalo razviti tehnologiju obrade i transport na siguran i ekološki prihvatljiv način. Danas se prirodni plin najčešće transportira u stlačenom ili ukapljenom stanju. Transport u stlačenom stanju najčešće se primjenjuje u plinovodima, dok se za udaljene prekooceanske destinacije plin mora ukapljiti i prevoziti posebnim brodovima (engl. Gas carriers). Tehnologija ukapljivanja iziskuje velika ulaganja za izgradnju terminala i tankera za prijevoz ukapljenog prirodnog plina (UPP-a). No, za udaljena prekomorska odredišta ipak je isplativa, a nudi i veću energetsku neovisnost. Za potrebe ukapljivanja i transporta u ukapljenom stanju prirodni plin se mora pothladiti na kriogenu temperaturu od -161 o C, a dolaskom na odredište potrebno ga je ponovno dovesti u plinovito stanje (slika 1.). Za postizanje tako niskih temperatura uložena je velika količina energije koja se pri ponovnom uplinjavanju najčešće nije iskorištavala. Stoga su u nastavku ovog rada prikazani primjeri tehnoloških rješenja za iskorištavanje dostupne kriogene energije tijekom uplinjavanja. Slika 1. Transport ukapljenog prirodnog plina, [1]
3. UPLINJAVANJE UKAPLJENOG PRIRODNOG PLINA Uplinjavanje ukapljenog prirodnog plina bez iskorištavanja kriogene energije najčešće se izvodi energijom dobivenom izgaranjem prirodnog plina (PP-a) ili energijom dobivenom iz okoliša. Terminali na kojima se vrši uplinjavanje na ovaj način stvaraju dodatno opterećenje okoliša što predstavlja osnovu za protest lokalnog stanovništva pri izboru njihove lokacije (Slika 2) Slika 2. Postrojenje za uplinjavanje UPP-a, [2] 3.1. UPLINJAVANJE UPP-A IZGARANJEM PRIRODNOG PLINA Za ovaj proces uplinjavanja izgara se oko 1.5 % količine uplinjenog PP-a. Izgaranje PP-a vrši se u gorionicima koji su potopljeni (uronjeni) u morsku vodu, a energija izgaranja predaje se direktno morskoj vodi pri čemu se vrši kontinuirana izmjena onečišćene morske vode (slika 3.). Tako nastala tehnološka otpadna voda skladišti se u postrojenju za obradu otpadnih voda. Postrojenje radi punim kapacitetom u svim klimatološkim uvjetima, ali umjesto iskorištavanja energetske neravnoteže s okolišem ovaj proces troši dodatne količine PP-a.
Slika 3. Uplinjavanje UPP-a potopljenim (uronjenim) gorionikom u morskoj vodi, [3] 3.2. UPLINJAVANJE UPP-A ENERGIJOM IZ OKOLIŠA Za uplinjavanje UPP-a u ovom slučaju uglavnom se koristi morska voda jer je energija sadržana u morskoj vodi lako dostupna i ima je praktično u neograničenim količinama (energija iz zraka u tom smislu nije prihvatljiva jer zahtjeva velike izmjenjivače i znatnu količinu električne energije za pokretanje ventilatora, nap. a.). Morska voda se pumpama cirkulira kroz izmjenjivač, a potom pothlađena ispušta u okoliš pri čemu je temperaturna razlika oko T = 8 ºC. U zimskom periodu je potrošnja PP-a povećana, a morska voda hladnija što iziskuje veću količinu morske vode za uplinjavanje te posljedično veću instalaciju, snagu i potrošnju električne energije. Sustavi morske vode podložni su obrastanju (školjkaši, alge, ) što smanjuje kapacitet. Kao zaštita protiv obrastanja najčešće se koristi elektroklorinacija, ultraljubičasto zračenje i mehaničko čišćenje. Elektroklorinacijom se izdvaja klor iz soli u morskoj vodi kojim se uništavaju organizmi u sustavu, no prije ispuštanja klor se mora neutralizirati kako bi se smanjio njegov negativan utjecaj u okolišu. Ultraljubičasto zračenje se također ugrađuje na usisnoj komori sustava morske vode. Jako ultraljubičasto zračenje uništava sve žive organizme usisane u sustav, no prednost je što ne uništava žive organizme na ispustu u okolinu, ali velika količina usisane morske vode nosi znatne količine planktona koji je hrana većim organizmima. Odumrli organizmi talože se na stjenki izmjenjivača koji je potrebno periodično očistiti. Mehaničko čišćenje (slika 4.) sastoji se od mrežnog filtra i sustava za poliranje s kalibriranim kuglicama. Mrežni filtar zadržava nečistoće veće od pet milimetara. Začepljenje filtra se mjeri padom
tlaka na mreži, a čišćenje je izvedeno protustrujnim lijevkom. Poliranje kalibriranim kuglicama traje cijelo vrijeme rada izmjenjivača. Kuglice izrađene od spužve traju oko četiri tjedna, a sustav omogućava izmjenu bez zaustavljanja. Ovaj sustav je nešto povoljniji od prethodna dva jer kontinuirano čisti stjenke izmjenjivača što održava kapacitet izmjenjivača i sprečava koroziju. Nedostatak ovog sustava je što se ne uništava obrast u usisnim i izlaznim komorama morske vode. Slika 4.: Mehaničko čišćenje sustava morske vode (Taprogge), [5] 4. ISKORIŠTAVANJE KRIOGENE ENERGIJE UPP-A Kriogenu energiju sadržanu u UPP-u moguće je iskoristiti na različite načine: 1. kombiniranje direktne ekspanzije i organskog Rankine-ovog kružnog procesa 2. kombiniranje endotermnih i egzotermnih procesa 3. implementiranje drugih gospodarskih djelatnosti (izbjegavanje pretvorbe energije) 4.1. KOMBINIRANJE DIREKTNE EKSPANZIJE I ORGANSKOG RANKINE-OVOG CIKLUSA Ovo je kombinacija direktne ekspanzije UPP-a i organskog Rankine-ovog kružnog procesa. U oba slučaja kao topli spremnik koristi se morska voda, a kao hladni spremnik UPP (slika 5.) Kod direktne ekspanzije proces kreće 'pumpanjem' UPP-a na znatno viši tlak od potrebnog u plinskoj mreži. Zbog zaštite izmjenjivača od zaleđivanja uvodi se propan koji zagrijava UPP na višu temperaturu, a potom slijedi grijanje na temperaturu morske vode. Zbog adijabatske ekspanzije na turbini PP se hladi te ga je potrebno dodatno grijati, a podjelom na više stupnjeva ekspanzije i grijanja postiže se veći stupanj iskorištenja. Umjesto grijanja PP-a na zadnjem stupnju ekspanzije moguće je
iskorištavanje hladne energije za klimatizaciju, hlađenje skladišta i sl. Ukoliko postoji izvor niske energetske vrijednosti ovdje se može primijeniti i tako povećati stupanj iskorištenja. Zatvoreni organski Rankine-ov kružni proces s propanom promjenom agregatnog stanja zagrijava UPP. Za isparavanje propana koristi se toplina morske vode, a za kondenzaciju se koristi kriogena energija UPP-a. Tekući propan se pumpa u isparivač, a plinoviti propana ekspandira na turbini gdje se potencijalna energija pretvara u mehanički rad. Slika 5. Kombiniranje ekspanzije UPP-a i organskog Rankine-ovog ciklusa, [6] 4.2. KOMBINIRANJE ENDOTERMNIH I EGZOTERMNIH PROCESA Ovaj sustav se sastoji od plinske turbine, utilizacijskog kotla i izmjenjivača za uplinjavanje UPP-a. Kompresor plinske turbine usisava zrak pothlađen kriogenom temperaturom UPP-a i time smanjuje potrebnu energiju kompresije(slike 6. i 7.). Plinska turbina iskorištava energiju izgaranja od 1600 ºC do 600 ºC. Još uvijek vrući ispušni plinovi zagrijavaju CO2 koji ekspandira na turbini. Kondenzator je spoj egzotermnog i endotermnog procesa uplinjavanja UPP-a. U kondenzatoru još uvijek hladni PP ukapljuje CO2, a ujedno i grije PP na potrebnu temperaturu. Kaskadnim zagrijavanjem i ekspandiranjem na turbini se proizvodi električna energija. Sustav je pogodan za ukapljivanje CO2 u dimnim plinovima jer se ukapljuje iskorištavanjem kriogene energije UPP-a, a tako ukapljeni može se transportirati za pohranu natrag na crpilištu PP-a.
Slika 6. Kombinacija endotermnog i egzotermnog procesa, [7] UPP t = -161 C P = 300 bar DIMNI PLINOVI PP t = 3 C P = 100 bar EL. ENERGIJA CO 2 TURBINA t = 600 C GENERATOR PT t =1600 C ZRAK PP CO 2 Slika 7. Shematski prikaz procesa. (Izradili autori prema [7].) 4.3. IMPLEMENTIRANJE DRUGIH GOSPODARSKIH DJELATNOSTI Kriogenu energiju sadržanu u UPP-u moguće je iskoristiti implementiranjem drugih gospodarskih djelatnosti te izbjegavajući pretvaranje što je prikazano ma slijedećih nekoliko primjera. Sustav (slike 8.) koristi kriogenu energiju UPP-a za ukapljivanje CO2. Prijelaz agregatnog stanja se koristi za proizvodnju električne energije. Ukapljeni CO2 se koristi za proizvodnju metanola. Ovaj sustav se predlaže u prerađivačkoj industriji magnezita na području Dashiqiao u Kini.
Slika 8. Uplinjavanje UPP-a, te iskorištavanje kriogene energije za proizvodnju električne energije i ukapljivanje CO 2 iz dimnih plinova, [8] Razvidno je da se u dva stupnja izmjene topline uplinjava UPP i ukapljuje CO2 pri čemu se koriste dva Rankine-ova kružna procesa s različitim radnim medijima za izmjenu topline promjenom agregatnog stanja (slika 9.) Slika 9. Uplinjavanje UPP-a, te iskorištavanje kriogene energije za proizvodnju električne energije i ukapljivanje CO 2 iz dimnih plinova, [8] Sustav (slika 10.) koristi UPP, kriogenu energiju UPP-a i kisik. Radni medij kružnog procesa je ugljični dioksid. UPP ulazi u sustav pod visokim tlakom i rekuperacijom ukapljuje CO2 te separira zrak. Radni medij CO2 promjenom agregatnog stanja vrši izmjenu topline, a ujedno na plinskoj turbini
vrši rad. Plinska turbina proizvodi toplinu koja proizvodi električnu energiju i grije UPP. Iz dimnih plinova se separira voda i ukapljuje CO2. Slika 10. Kombinacija Rankine-ovog i Joule-ovog ciklusa u sustavu uplinjavanja UPP-a, [9] Separacija zraka (slika 11.) zahtjeva znatne količine energije. Iskorištavanjem kriogene energije za hlađenje umjesto za proizvodnju električne energije izbjegava se pretvorba energije i gubici koji pri tome nastaju. Argon je vrijedan tehnički plin. Dušik se koristi u kombinaciji s metanom za proizvodnju amonijaka. Kisik se koristi za izgaranje u energetskom objektu koji iskorištava višu temperaturnu energetsku vrijednost i samim tim radi s većim stupnjem iskorištenja, pri čemu dolazi i do smanjenja emisija dušičnih oksida. NISKOTLAČNI SEPARATOR ZRAKA CIRKULACIJA DUŠIKA TEKUĆI ARGON TEKUĆI KISIK TEKUĆI DUŠIK PRIRODNI PLIN KRIOGENI IZMJENJIVAČ TOPLINE ZRAK VISOKOTLAČNI SEPARATOR ZRAKA UKAPLJENI PRIRODNI PLIN Slika 11. Proizvodnja kisika, dušika i argona. (Izradili autori prema [10])
5. ZAKLJUČAK Ukapljeni prirodni plin sadrži akumuliranu kriogenu energiju koju je moguće iskoristiti. Kombinacijom s podzemnim skladištima prirodnog plina moguće je iskorištavanje te energije kada je najpotrebnija. Količine koje se uplinjavaju su sve veće, a temperaturno područje je povoljno za pretvorbu s visokim stupnjem iskorištenja. Sustav uplinjavanja s uronjenim gorionicima u kojem se spaljuje PP da bi se uplinio UPP troši uplinjeni PP-a, stvara ispušne plinove i tehnološku otpadnu vodu, no njegove prednosti su: jednostavnost, neovisnost o klimatskim uvjetima i potrošnji. Uplinjavanje uz uporabu topline morske vode ovisi o klimatološkim uvjetima, no osim toga termički opterećuje okoliš, troši električnu energiju za cirkulaciju morske vode, koristi podsustave za prevenciju obrastanja koji često štetno djeluju na morske organizme i uzrokuje koroziju. Jedina prednost je što ne izgara PP za uplinjavanje. Sam sustav moguće je unaprijediti ugradnjom opreme koja će iskoristiti promjenu agregatnog stanja u električnu energiju. Kombiniranjem Rankine-ovog i Joule-ovog kružnog procesa s prethodno opisanim sustavom povećava se stupanj iskorištenja jer se ne troši energija potrebna za pokretanje cirkulacijskih pumpi. Kod Joule-ovog kružnog procesa smanjuje se potrebna energija za pokretanje kompresora i povećava kompresijski omjer te na jednostavan način ukapljuje ugljični dioksid. Na taj način otvara se mogućnost smanjenja njegovog utjecaja na okoliš budući da se može koristiti kao proizvod za daljnju obradu ili transportirati UPP tankerom za skladištenje u bušotinama. Kriogena energija UPP-a pogodna je i za separaciju zraka i izdvajanje vrijednih tehnoloških plinova. Izgaranjem kisika umjesto zraka u procesima izbjegava se nastanak dušičnih oksida. S obzirom na prikazani pregled mogućnosti koji nudi kriogena energija koja se može iskoristiti kao nusprodukt terminala za uplinjavanje ukapljenog prirodnog plina razvidno je da iskorištavanje njenog potencijala može imati ulogu u promjeni percepcije lokalnog učinka kako u energetskom tako i u ekološkom smislu.
6. POPIS LITERATURE [1] https://cdn.americanprogress.org/wp-content/uploads/2014/08/taraskalng_report.pdf, zadnji pristup 30.01.2019. [2] https://mzoip.hr/doc/elaborat_zastite_okolisa_754.pdf, zadnji pristup 30.01.2019. [3] http://www.oil-gasportal.com/lng-rd-for-the-liquefaction-and-regasificationprocesses/?print=pdf, zadnji pristup 30.01.2019. [4] https://www.researchgate.net/figure/schematic-of-ifv-with-thermolator_fig10_284095518, zadnji pristup 30.01.2019. [5] http://www.taprogge.de/products-and-services/in-ta-ct/filtration/pr-bw-800/index.htm, zadnji pristup 30.01.2019. [6] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/organic-rankine-cycle, zadnji pristup 30.01.2019. [7] http://advancedreheat.com/, zadnji pristup 30.01.2019. [8] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s0360544215011913, zadnji pristup 30.01.2019. [9] https://pdfs.semanticscholar.org/f0cd/e4079c96d11ce20b020e188bd9215a13d036.pdf, zadnji pristup 30.01.2019. [10] http://members.igu.org/html/wgc2006/pdf/paper/add11362.pdf, zadnji pristup 30.01.2019.