امکان سنجی مایع سازی گاز طبیعی در مقیاس کوچک و متوسط

نیاز روز افزون جهان امروز به منابع انرژی و افزایش آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوزاندن نفت و گاز، باعث شده تا کشورها به منظور کاهش این آلودگی ها به سمت انرژی های پاک حرکت کنند. در سه دهه اخیر تجارت ال ان جی به دلیل نیاز به سوخت پاک و ارزان به طور فزاینده ای درحال توسعه بوده است و سرعت پیشرفت و استفاده از آن به طور چشمگیری رو به رشد است. هم زمان با تولید گاز طبیعی مایع (ال ان جی) تحقیقات و نوآوری گسترده ای با هدف کاهش هزینه تولید تا به امروز انجام پذیرفته است تا علاوه بر افزایش ظرفیت واحدهای تولیدی، از پیچیدگی فرایندی و انتشار دی اکسیدکربن نیز کاسته شود.

ضرورت و اهداف پژوهش

ال ان جی (گاز طبیعی مایع شده)، مایعی است بی رنگ، بی بو، شفاف و غیرسمی که بخش اعظم آن را متان تشکیل می دهد. آمارها نشان دهنده این موضوع هستند که بازار گاز طبیعی مایع بازاری رو به رشد است. همچنین در یک دهه اخیر استفاده از گاز طبیعی مایع به عنوان سوخت وسایل نقلیه سنگین، کشتی و حمل و نقل ریلی بیشتر با هدف کاهش گازهای آلاینده، روند رو به رشدی داشته است. اگرچه مسائلی چون کمبود خوراک، مشکل تامین فناوری در مقیاس بزرگ و تامین منابع بودجه ای، تحریم و مشکلات سیاسی مانع ورود ایران به بازار این محصول استراتژیک است؛ اما فرصتی چون واحدهای کوچک ال ان جی پیش روی ایران قرار دارد.

ورود ال ان جی به عرصه کاربرد آن به عنوان سوخت و روند رو به رشد آن که عمدتا ناشی از دلایل زیست محیطی و اقتصادی است، عاملی برای توسعه واحدهای کوچک ال ان جی خواهد بود. از سویی دیگر فناوری های موردنیاز برای واحدهای کوچک ال ان جی از طریق سازندگان داخلی قابل دستیابی بوده و سرمایه گذاری های مورد نیاز نیز در توان بخش های غیردولتی است. از همین رو پژوهش حاضر با بررسی وضعیت کنونی بازار و پیش بینی بازار آینده محصول و فناوری های موردنیاز، به امکان سنجی مایع سازی گاز طبیعی در مقیاس کوچک و متوسط می پردازد.

وضعیت کنونی بازار و پیش بینی بازار آینده ال ان جی و زیر فناوری ها

تجارت جهانی ال ان جی در سال 2021، 380 میلیون تن گزارش شده است که نسبت به سال 2019 رشد بیش از 6 درصدی را نشان می دهد. در سال 2020، استرالیا (با تولید 77.8 میلیون تن در سال)، قطر (با تولید 77.1 میلیون تن در سال)، آمریکا (با تولید 44.8 میلیون تن در سال) و روسیه (با تولید 29.6 میلیون تن در سال) بزرگ ترین کشورهای تولیدکننده ال ان جی در دنیا بوده اند. همچنین تقاضای جهانی ال ان جی از سال 2015 تا به این لحظه روندی رو به رشد داشته است. این رشد تقاضا بیشتر به دلیل افزایش تقاضا در چین و سایر کشورهای آسیا است. ژاپن، چین، کره جنوبی و هند از بزرگ ترین واردکنندگان ال ان جی در دنیا محسوب می شوند. واردات آن ها به ترتیب حدود 41،69،74.5 و 27 میلیون تن در سال است که در مقایسه با 10 سال گذشته به طور متوسط بیش از 10 برابر شده است. پیش بینی می شود این افزایش تقاضا طی سالیان آتی همچنان ادامه داشته باشد.

تخمین اندازه بازار واحدهای کوچک مقیاس ال ان جی دشوار است؛ زیرا آمار رسمی به طور گسترده در دسترس نیست. طبق گزارش اتحادیه گاز بین المللی IGU، بازار واحدهای کوچک مقیاس ال ان جی در سال 2014، 20 میلیون تن (پایه ظرفیت مایع سازی) بود که معادل حدود 8 درصد از تولید ال ان جی جهانی در همان سال است. بیش از 1000 پایانه در جهان برای دریافت ال ان جی این واحدها وجود دارد که دارای پایانه هایی در مکان هایی مانند چین، ترکیه، شیلی، ژاپن، هلند و غیره است. با این حال، حدود سه چهارم از کل ظرفیت مایع سازی واحدهای کوچک مقیاس ال ان جی (15 میلیون تن) در چین قرار دارد، جایی که بیش از 100 پایانه ال ان جی وجود دارد. ظرفیت تولید واحدهای کوچک مقیاس ال ان جی در چین به دلیل افزایش تولید داخلی گاز طبیعی و رشد تقاضای داخلی کشورها همچنان در حال گسترش است. با توجه به کمیاب بودن نسبی داده ها، تخمین رشد واحدهای کوچک مقیاس ال ان جی در سال های آینده دشوار است. بر اساس داده های در دسترس، پیشبینی می شود تا سال 2030، در هرسال حدود 100 میلیون تن از تولید ال ان جی، مربوط به واحدهای کوچک مقیاس باشد.

امکان سنجی مایع سازی گاز طبیعی مقیاس کوچک و متوسط در کشور

در این پروژه، ظرفیت در نظر گرفته شده جهت انجام محاسبات مربوط به میزان سرمایه گذاری اولیه جهت ساخت واحد ال ان جی، 5 تن در روز است. با برآورد هزینه های انجام شده در واحدهای مشابه در کشورهای دنیا، پیش بینی می شود جهت ساخت یک واحد مایع سازی گاز طبیعی با ظرفیت 5 تن تولید ال ان جی در روز، حدودا 3.2 میلیون دلار سرمایه گذاری اولیه نیاز باشد. گفتنی است این مبلغ بدون در نظر گرفتن هزینه تهیه زمین و مجوزهای مربوطه است. ازآنجاکه این پروژه با رویکرد بومی سازی و توسعه فناوری ال ان جی تعریف شده است؛ لذا همزمان با توسعه فناوری های اصلی فرایند طراحی واحدهای فرایندی نیز انجام خواهد شد. به منظور اجرای پروژه 7 مرحله اصلی باید اجرا شود. این مراحل شامل موارد زیر است:

مطالعات اولیه و مستندسازی دانش و امکان سنجی

در این مرحله شرکت یا شرکت های انتخاب شده در مناقصه فرصت دارند تا با بررسی اسناد موجود و مطالعات کتابخانه ای آخرین اطلاعات و دانش به روز شده در حوزه طراحی و ساخت تجهیزات فرایند تولید ال ان جی کوچک مقیاس را مطالعه و مستند کنند. در این مرحله لازم است تا یک مدل پایه از طراحی و خصوصیات فنی تجهیزاتی که نیاز به ساخت داخل دارد تدوین شود. از آنجا که طراحی و ساخت تجهیزات اصلی به همراه ساخت واحد فرایندی به صورت همزمان انجام می شود؛ لذا باید یک هماهنگی و توافق در طراحی بین گروه ساخت تجهیزات و گروه طراحی واحد فرایندی وجود داشته باشد.

طراحی پایه

طراحی پایه یک واحد فرایندی شامل بخشی از فرآیند طراحی است که طی آن با بررسی کامل و میدانی و انجام محاسبات مهندسی، مشخصات اجزای اصلی طرح یا پروژه تعیین می شود. در این مرحله فرایندها به روشنی تعیین و کارکردهای اصلی تمامی خصوصیات عملیاتی سیستم ها و تجهیزات تشکیل دهنده پروژه مشخص می شود. تهیه نقشه های PFD و P&ID، محاسبات و تعیین مشخصات تجهیزات و ماشین آلات، انجام محاسبات لازم جهت تعیین توان و سایر مشخصات ماشین آلات و تعیین کلیات سیستم های برق، سازه، لوله کشی و تجهیزات کنترل و ابزار دقیق ازجمله قسمت های این مرحله است.

طراحی جزئی و مهندسی

در این مرحله مدل پایه طراحی با جزئیات کامل فرایندی و تجهیزات ویرایش می شود. از مهم ترین خروجی های این مرحله طرح های دوبعدی و سه بعدی سازه ها، نقشه های P&ID فرایند، تخمین هزینه ساخت و برنامه تدارکات تجهیزات است. در این مرحله هزینه های دقیق اجرای پروژه مشخص می شود. درواقع تمام جزئیات ساخت، تامین و اجرای تجهیزات و فرایندها در این مرحله مشخص می شود. لازم به ذکر است که با توجه به ضرورت طرح در مورد بومی سازی برخی تجهیزات، طراحی مهندسی این تجهیزات چند ماه بعد از آغاز پروژه شروع خواهد شد و در زمان تکمیل این مرحله این انتظار وجود دارد که کار ساخت و تست این تجهیزات به پایان رسیده باشد.

ساخت یا تامین اجزا و ماشین آلات

در فرایند توسعه و تولید ال ان جی در کشور نبود لیسانس قابل اتکا یکی از معضلات اصلی بوده است. در این مورد هم نبود دانش فنی ساخت تجهیزاتی مانند توربواکسپندرها و مبدل هایی که توانایی کار در دمای فوق سرد را داشته باشند خلا اصلی فناوری است؛ لذا در این مرحله از کار به انتخاب مجری، تجهیزات گلوگاهی فرایندی شامل توربواکسپندر و مبدل (با توجه به فرایند پیشنهادی برای طراحی) و هر تجهیز دیگری که نبود آن سبب ایجاد وابستگی اساسی در توسعه فرایند شود، بومی سازی می شود. در واقع این مرحله از کار در کنار فرایند اصلی که ساخت یک واحد صنعتی فرایندی تولید ال ان جی است بسیار بااهمیت است و موفقیت کل پروژه به موفقیت در بومی سازی این تجهیزات وابسته است. برای سایر تجهیزات فرایندی که قبلا در کشور بومی سازی شده اند یا توسعه آن در کشور نیاز به فناوری سطح بالا ندارد، امکان تامین و خرید آن تجهیزات وجود دارد.

نصب و اجرا

این مرحله بلافاصله پس از نهایی شدن مرحله طراحی جزئی و مهندسی و با فرض تکمیل بومی سازی تجهیزات اساسی آغاز می شود که شامل اخذ مجوز ساخت واحدهای فرایندی، تسطیح زمین، اجرای عملیات عمرانی، نصب سازه ها و تامین واحدهای خدماتی مانند آب، برق و گاز است. ساخت ساختمان و واحدهای فرایندی و لوله کشی و نصب تجهیزات کنترلی و ابزار دقیق و تکمیل اولیه پروژه از دیگر بخش های این مرحله است.

تست اولیه و رفع ایرادات احتمالی و راه اندازی

پس از مرحله ساخت باید کارایی تجهیزات ساخته شده طی چند مرحله راه اندازی آزمایشگاهی، پایلوت و میدانی آزمایش شود و همچنین تمامی تجهیزات مرتبط با آن ازنظر عملکردی برای تحمل شرایط عملیاتی استاندارد لازم را کسب کنند. همچنین برای مدت یک ماه قابلیت فرایندی و تولید محصول بدون توقف اساسی تولید را داشته باشند. از این مرحله به عنوان مرحله راه اندازی و تحویل پروژه یاد می شود.

مستندسازی، تدوین دانش فنی و بهره برداری

ازآنجاکه هدف اصلی پروژه توسعه فناوری تولید ال ان جی در مقیاس کوچک است؛ لذا کلیه مستندات و دانش فنی طرح بعد از اجرای موفق پروژه به منظور استفاده از آن در موارد مشابه تدوین و به کارفرما تحویل داده خواهد شد. با ارائه این مستندات و تایید آن ها از سوی کارفرما ختم موفقیت آمیز پروژه اعلام می شود.

جمع بندی

در یک دهه اخیر استفاده از گاز طبیعی مایع روند رو به رشدی داشته است. هرچند به نظر می رسد در بهترین شرایط هم نمی توان انتظار داشت که ایران سهم قابل توجهی از بازار جهانی ال ان جی را تصاحب کند؛ اما موضوع در مورد واحدهای کوچک ال ان جی متفاوت است. از همین رو پژوهش حاضر به امکان سنجی مایع سازی گاز طبیعی مقیاس کوچک و متوسط در کشور پرداخت. در این پروژه، ظرفیت در نظر گرفته شده جهت انجام محاسبات مربوط به میزان سرمایه گذاری اولیه جهت ساخت واحد ال ان جی، 5 تن در روز است که برای آن حدودا 3.2 میلیون دلار سرمایه گذاری اولیه نیاز است. ازآنجاکه این پروژه با رویکرد بومی سازی و توسعه فناوری ال ان جی تعریف شده است؛ لذا همزمان با توسعه فناوری های اصلی فرایند طراحی واحدهای فرایندی نیز انجام خواهد شد. به منظور اجرای پروژه، باید 7 مرحله اصلی «مطالعات اولیه و امکان سنجی»، «طراحی پایه»، «طراحی جزئی و مهندسی»، «ساخت یا تامین اجزا و ماشین آلات»، «نصب و اجرا»، «تست اولیه و رفع ایرادات احتمالی و راه اندازی» و «مستندسازی، تدوین دانش فنی و بهره برداری» انجام شود.

این مطالعه در مرکز نوآوری و توسعه انرژی توسط مهدی طبیب نژاد عزیزی و به سفارش معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش بنیان ریاست جمهوری در سال 1402 انجام شده است.