بخشی از مقاله
چکیده
گاز طبیعی به عنوان یک سوخت جایگزین در صنعت و بخش حمل و نقل داراي مزایاي زیستمحیطی و اقتصادي زیادي است. روشهاي موجود کنونی براي ذخیرهسازي گاز داراي محدودیتهاي فرایندي میباشند که مانع توسعه استفاده از این سوخت شده اند. در سالهاي اخیر سیستم گاز طبیعی جذبشده - ANG - به عنوان یک روش فشار پایین و ایمن براي ذخیرهسازي گاز طبیعی مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله موقعیت کنونی سیستم ANG به عنوان یک جایگزین احتمالی براي سایر روشهاي مرسوم در ذخیرهسازي و انتقال گاز بررسی شده است و مقایسهاي بین این تکنولوژي و سایر روشها صورت گرفته است و همچنین مزایا و معایب هرکدام توضیح داده شده است. در ادامه مشکلات موجود بر سر راه عملی شدن سیستم ANG و راهکارهاي پیشنهادي موجود در منابع براي حل این مشکلات بیان شدهاند. در پایان با توجه به راهکارهاي موجود و امکان حل این مشکلات عملیاتی، میتوان به ساخت یک مخزن ANG با ایمنی بالا، وزن کم و هزینههاي پایین در آینده امیدوار بود.
کلمات کلیدي: جذب، گاز طبیعی، ذخیره سازي، متان
-1 مقدمه
روند حاضر مصرف انرژي در جهان از لحاظ اقتصادي و زیس محیطی روندي غیرمطمئن و بیثبات است. افزایش مصرف سوخ هاي فسیلی و نشر گازهاي گلخانه اي ناشی از احتراق این سوختها، نگرانیهایی را ازنظر تأمین مطمئن انرژي و تغییرات آب و هوایی به همراه دارد. در سال هاي اخیر، گاز طبیعی به علت احتراق پاکیزه و در نتیجه آلودگی کمتر، به عنوان یک منبع انرژي جایگزین براي کاهش وابستگی به سوخت هاي نفتی در بخش حمل و نقل و مصارف صنعتی و خانگی مورد توجه قرار گرفته است و در این میان ایران به علت دارا بودن 28/08 ترلیون متر مکعب گاز و در نتیجه رتبه دوم ذخایر گازي جهان پس از روسیه، می تواند از گاز طبیعی به عنوان یک منبع انرژي مهم و سوخت جایگزین استفاده کند که در صورت استفاده صحیح از آن منجر به شکوفایی اقتصادي آن میگردد. مزایاي گاز طبیعی نسبت به سایر سوختها را میتوان به صورت زیر برشمرد:
• احتراق پاکیزه: وسایل نقلیه گازسوز نسبت به وسایل نقلیه بنزینی با محیط زیست سازگارتر هستند، به طوري که CO %99، NOx %30، HCs %96 و CO2 %23 کمتري تولید میکند و پراکندگی ذرات جامد آن عملا صفر میباشد .[1]
• فراوانی و قیمت ارزانتر نسبت به بنزین و سوخت دیزل: گزارش ها نشان میدهد که قیمت نهایی گاز طبیعی تقریبا نصف قیمت بنزین خواهد بود.[1]
• عدد اکتان بالا: این ویژگی باعث میشود که در موتورهاي تراکم بالا، نیازي به اضافه کردن افزودنیهاي فلزي مانند تترا اتیل سرب نباشد و این بدین معناست که حتی از بهترین بنزین هم راندمان بالاتري دارد که باعث کارکرد مؤثر موتور میشود .[2]
• ایمنی بیشتر نسبت به سوختهاي مایع: احتمال خوداشتعالی در گاز طبیعی کمتر از سوختهاي مایع است زیرا، دماي اشتعال آن بالاتر از آنها است و همچنین به علت سبکتر بودن نسبت به هوا در صورت نشتی به سرعت در هوا پخش میشود. در حقیقت در صورت بروز حادثه، گاز طبیعی در هوا پراکنده میشود، حال آنکه بنزین بر روي سطح زمین انباشته شده و خطر بالقوه آتشسوزي را به وجود میآورد. طی یک بررسی که در ایالات متحده آمریکا انجام شد نشان داد که میزان خسارت جانی خودروهاي گاز سوز 37 درصد کمتر از خودروهاي بنزینی بود. دلیل اصلی براي این ایمنی خورو هاي گاز سوز یکپارچگی ساختمانی سیستم سوخت خودروهاي گازسوز و خواص فیزیکی گاز طبیعی به عنوان سوخت میباشد.
• توانایی تأمین از منابع تجدیدپذیر - زیست گاز- بیوگاز - : گاز متان با بیشترین درصد حجمی در ترکیب گاز طبیعی را میتوان از روشهایی همچون بازیافت زبالهها به دست آورد. درحال حاضر وسایل نقلیه گازسوز بخش کوچکی از تعداد کل وسایل نقلیه موجود را تشکیل میدهند، اما با سیاستهاي محیطزیستی و صرفه جویی در مصرف انرژي، این رقم به طور پیوسته در حال افزایش است. با این سیاستها انتظار میرود که تعداد وسایل نقلیه گازسوز تا سال2020 به 50 میلیون برسد .[3]
گاز طبیعی تقریبا شامل %95 متان است، گازي که نمیتواند در شرایط محیطی به مایع تبدیل شود Tc= -82/6C0 - .[4] - گازي بودن این سوخت و در نتیجه دانسیته پایین آن در مقایسه با سوختهاي مایع رایج مانند بنزین، همواره مهمترین مانع در استفاده از آن بوده است. بنابراین ارائه راهکارهایی براي ذخیره سازي گاز طبیعی براي دستیابی به دانسیته انرژي بالاتر به منظور استفاده از آن بسیار حائز اهمیت است.
امروزه دو روش عمده براي ذخیرهسازي گاز طبیعی وجود دارد: گاز طبیعی فشردهشده - CNG - 1 و گاز طبیعی مایعشده . - LNG - 2 اگرچه این روشها متداولترین راههاي ذخیرهسازي گاز طبیعی هستند، اما مشکلاتی دارند که مانع از استفاده آنها در مقیاسهاي وسیع شده است. CNG نیازمند کار در فشارهاي عملیاتی بالا - 20 Mpa - است که لزوم استفاده از مخازن سنگین و کمپرسورهاي متراکمسازي چندمرحله اي و در نتیجه نیاز به سرمایهگذاريهاي زیاد را ایجاد میکند. از طرف دیگر، گاز مایعشده نیازمند کار در دماهاي پایین و تجهیزات ویژه براي تبدیل مجدد مایع به گاز است. در این میان وسایل نقلیه با گاز طبیعی فشردهشده - CNG - ، متداولترین نوع وسایل نقلیه گازسوز هستند.
با توجه به مشکلات بیان شده براي دو روش بالا و عدم توسعه مناسب آنها، براي ذخیرهسازي و انتقال گاز طبیعی نیاز به روشی مؤثرتر میباشد. تلاشهاي انجام شده در این زمینه بر روي ارائه روشی با فشار عملیاتی پایین متمرکز شدهاند که بدین وسیله هزینههاي عملیاتی متراکمسازي را کاهش داده و همچنین اجازه استفاده از مخازن سبکتر را فراهم سازد. در سالهاي اخیر ذخیرهسازي گاز طبیعی با استفاده از جاذب به عنوان یک تکنولوژي نویدبخش براي استفاده در وسایل نقلیه گازسوز مورد توجه قرار گرفته است. گاز طبیعی جذبشده - ANG - ، روشی است که در آن گاز طبیعی به وسیله یک جاذب متخلخل در فشارهاي نسبتا پایین - 3/5-4MPa - جذب میشود.
-2 گاز طبیعی جذبشده - ANG -
ANG یک سیستم فشار پایین - 3/5-4 MPa - براي ذخیرهسازي گاز طبیعی، ذخیرهسازي به وسیله جذب است که ارتباط خوبی بین هزینه هاي متراکمسازي و ظرفیت ذخیره برقرار می کند .[5] در سیستم ANG گاز تحت فشار قرار میگیرد و در یک مخزن که با یک جاذب مناسب پر شده است، ذخیره میشود. در این حالت، مولکولهاي گاز به وسیله نیروهاي واندروالسی در حفره هاي جاذب متخلخل جذب می شوند. در شرایط دمایی و فشاري مشابه، فاصله بین مولکولها در حفره هاي جاذب از فاصله بین مولکولها در فاز گازي کمتر است. در نتیجه تراکم ماده جذبشونده در فاز جذبشده، مشابه فاز مایع است. بنابراین ظرفیت ذخیره سازي وابستگی زیادي به ساختار حفره اي جاذب مورد استفاده دارد .[6] فشار پایین این تکنولوژي مزایایی دارد که می توان به صورت زیر بیان کرد: - 1 - کاهش هزینه هاي متراکمسازي با کاهش هزینه ساخت مخزن و امکان استفاده از کمپروسورهاي تکمرحله اي به جاي کمپرسورهاي چندمرحله اي گرانقیمت در جایگاه هاي سوخت گیري، - 2 - انعطافپذیري در طراحی مخازن ذخیره و امکان تنوع شکل و کاهش وزن آنها و درنتیجه عدم اشغال فضاهاي قابل استفاده در وسیله نقلیه - براي مثال فضاي صندوق عقب در خودروها - - 3 - افزایش ایمنی مخزن.[7]
شاخص عملکرد ANG، حجم گاز طبیعی جذبشده – که در شرایط استاندارد اندازهگیري میشود - atm ا و C0 - - 25 در واحد حجم مخزن ذخیرهسازي - v/v - است. اخیراً، براي اینکه ظرفیت این تکنولوژي قابل مقایسه با ظرفیت CNG باشد، هدف نهایی در ANG به وسیله وزارت انرژي ایالات متحده 1 - DOE - ، دستیابی به ظرفیت ذخیرهسازي 180 v/v قرار داده شده است.[8] با وجود مزایاي ذکر شده براي تکنولوژي ANG ، مشکلاتی بر سر راه آن وجود دارد که صنعتی شدن و استفاده گسترده از آن را تاکنون به تأخیر انداخته است. به منظور عملی ساختن این تکنولوژي، این چالشها باید مورد بررسی قرار گیرند. از جمله این مسائل، انتخاب جاذبی با ظرفیت ذخیرهسازي مناسب، ناخالصیها و هیدروکربن هاي سنگین موجود در گاز طبیعی و اثرات گرمایی جذب/ دفع در طول سیکلهاي شارژ و دشارژ مخزن است.
-3 جاذب
-1-3 ظرفیت جاذب
جاذب مادهاي با ساختار متخلخل است که اجازه میدهد مولکولهاي کوچکتر به مساحت سطح آن نفوذ کرده و داخل حفرههاي آن نگه داشته شوند. یک جاذب مناسب براي ANG مادهاي است که حفرههایی با اندازه مناسب براي پذیرش، نگهداري و تخلیه مولکولهاي NG2 داشته باشد. بدین ترتیب ظرفیت جذب متان وابستگی زیادي به ساختار حفرهاي جاذب مورد استفاده دارد.جذب یک پدیده سطحی است و در نتیجه جاذب مورد استفاده باید مساحت سطحی بالایی داشته باشد تا ظرفیت جذب بالایی را ایجاد کند. مساحت سطحی بالاتر باعث تماس بیشتر مولکولهاي گاز و سطح جاذب میشود و درنتیجه جذب بیشتري صورت میگیرد. براي ایجاد سطح ویژه بالا در حجم محدود باید تعداد تخلخلهاي ریز در واحد سطح افزایش یابد. اندازه میکروحفرهها، دسترسپذیري مولکولهاي جذبشونده به سطوح جذبی را مشخص میکنند، بنابراین توزیع اندازه تخلخلهاي ریز یکی از خواص مهم دیگري است که در ارتباط با قابلیت جذب میباشد .[6] اگر حفرههاي جاذب خیلی کوچک باشند، گاز نمیتواند به آنها وارد شود و اگر خیلی بزرگ باشند، مولکولهاي گازي به آنها وارد میشوند ولی، خصوصیات یک گاز تحت فشار را نشان میدهند. در واقع دیواره حفرات بزرگ براي ایجاد نیروهاي جاذبه همپوشانی به
