Approcci di utilizzo dell'energia fredda del GNL
Il gas naturale, in quanto fonte di energia pulita ed efficiente, svolge un ruolo significativo nel controllo dell’inquinamento atmosferico in Cina. Negli ultimi anni il consumo di gas naturale in Cina è cresciuto rapidamente. Il gas naturale liquefatto (GNL), come forma liquida del gas naturale, si forma quando il gas naturale viene purificato e raffreddato a -162 gradi, riducendo il suo volume a 1/600 della sua dimensione originale. La presenza del GNL aumenta la flessibilità dello stoccaggio, del trasporto e dell’utilizzo del gas naturale, ampliando la gamma di applicazioni del gas naturale. L’impianto per produrre una tonnellata di GNL consuma circa 850 kWh di elettricità. Durante la vaporizzazione del GNL, viene rilasciata una quantità significativa di energia fredda, circa 830-860 kJ/kg, fornendo teoricamente circa 230 kWh di energia di raffreddamento utilizzabile per tonnellata di GNL attraverso la vaporizzazione dello scambio di calore. Tuttavia, in circostanze normali, questa energia fredda viene spesso sprecata nei vaporizzatori GNL, con conseguenti notevoli sprechi energetici e inquinamento ambientale. Il recupero di questa energia fredda non solo utilizza efficacemente l’energia, ma riduce anche il sostanziale consumo di elettricità della refrigerazione meccanica, con conseguenti notevoli vantaggi economici e sociali. Pertanto, l’utilizzo dell’energia fredda GNL ha attirato l’attenzione diffusa da parte degli studiosi sia a livello nazionale che internazionale.
1. Applicazioni di utilizzo dell'energia fredda del GNL
1.1 Metodi primari di utilizzo dell'energia fredda del GNL
L’utilizzo dell’energia fredda GNL comprende generalmente due approcci principali: utilizzo diretto e utilizzo indiretto. L'utilizzo diretto si concentra principalmente sulla produzione di energia a bassa temperatura, sulla separazione dell'aria, sulla produzione di ghiaccio secco, sulla separazione di idrocarburi leggeri, sulla refrigerazione a temperatura ultra-bassa, sulla desalinizzazione dell'acqua di mare, sul condizionamento dell'aria delle automobili, sull'allevamento a bassa temperatura, sulla coltivazione, ecc. L'utilizzo indiretto prevede l'uso del GNL freddo energia per produrre azoto liquido o ossigeno liquido, che vengono poi utilizzati per vari processi come la macinazione a bassa temperatura, la biotecnologia a bassa temperatura e il trattamento delle acque reflue.
1.2 Prospettive di utilizzo dell'energia fredda del GNL
Con la crescente domanda di consumo di gas naturale e la crescente tendenza delle importazioni di gas naturale in Cina, le importazioni di GNL occupano una quota considerevole. Si prevede che entro il 2020 il divario tra domanda e offerta nel mercato cinese del gas naturale raggiungerà i 141,5 milioni di tonnellate. Per colmare questo divario, è prevedibile che le importazioni cinesi di GNL aumenteranno ulteriormente, creando un futuro luminoso per le tecnologie di utilizzo dell’energia fredda GNL. Attualmente, la tecnologia di recupero dell’energia fredda dal GNL ha ricevuto un’attenzione diffusa da parte dei governi e delle imprese di tutto il mondo, con il numero di grandi terminali di ricezione del GNL in aumento a livello globale. Il Giappone è leader mondiale nella tecnologia di utilizzo dell’energia fredda GNL, con la sua generazione di energia a bassa temperatura, separazione dell’aria, anidride carbonica liquefatta, produzione di ghiaccio secco e tecnologie di stoccaggio a freddo a bassa temperatura che raggiungono livelli avanzati a livello internazionale, raggiungendo un tasso di utilizzo dell’energia fredda GNL di circa il 20%-30%. La tecnologia cinese per l’utilizzo dell’energia fredda GNL è iniziata relativamente tardi e il suo sviluppo è ancora immaturo, con tassi di utilizzo complessivi non elevati. Tuttavia, aziende come la China National Offshore Oil Corporation (CNOOC) hanno compiuto progressi significativi in varie aree tecniche legate all’utilizzo dell’energia fredda del GNL, dimostrando competitività tra le controparti internazionali. Anche la China National Petroleum Corporation (CNPC) e la China Petroleum & Chemical Corporation (Sinopec) stanno intensificando i loro sforzi di ricerca e sviluppo sulla tecnologia di utilizzo dell’energia fredda GNL, godendo di alcuni vantaggi nel recuperare terreno. Nei prossimi decenni, lo sviluppo della tecnologia di utilizzo dell’energia fredda GNL sarà di grande importanza per l’utilizzo globale dell’energia in Cina.
1.3 Confronto dei metodi di utilizzo dell'energia fredda
La tabella 3 riassume i principali metodi di utilizzo dell’energia fredda GNL e analizza i rispettivi vantaggi, svantaggi e richieste di energia fredda, fornendo assistenza nella selezione di metodi di utilizzo dell’energia fredda adeguati in base alle condizioni locali.
2. Progressi della ricerca sull'utilizzo dell'energia fredda GNL nazionale e internazionale
Che si tratti di utilizzo diretto o indiretto dell’energia del freddo GNL, si tratta del recupero e dell’utilizzo dell’energia del freddo del GNL attraverso un unico approccio che, da un punto di vista termodinamico, non può utilizzare completamente l’energia del freddo del GNL, con conseguenti perdite significative. Attualmente, molti esperti del settore suggeriscono di integrare più metodi di recupero per migliorare l’efficienza di utilizzo dell’energia fredda GNL.
2.1 Energia fredda GNL utilizzata nel condizionamento dell’aria di stoccaggio del ghiaccio
Chen Qiuxiong et al. ha sviluppato una tecnologia che combina l’energia fredda del GNL con i sistemi di condizionamento dell’aria con accumulo di ghiaccio. Questa tecnologia immagazzina l'energia fredda rilasciata durante la vaporizzazione del GNL sotto forma di stoccaggio del ghiaccio, che viene poi utilizzato per fornire raffreddamento attraverso lo scambio di calore all'acqua circolante dell'aria condizionata, riducendo efficacemente i picchi di domanda di elettricità e bilanciando i carichi di potenza, risparmiando così in modo significativo sui costi dell'elettricità per gli utenti. . Lin Yuan ha proposto un processo di trasferimento del calore del refrigerante in due fasi per l'utilizzo dell'energia fredda del GNL nel condizionamento dell'aria con accumulo di ghiaccio. Come refrigeranti del primo e del secondo stadio vengono utilizzati rispettivamente R404a e una soluzione di glicole etilenico al 30%, con efficienze rispettivamente del 30,88% e del 43,86% per i due scambiatori di calore. Dall'analisi risulta evidente che la ragione principale della perdita è l'elevata differenza di temperatura durante lo scambio termico. Gli autori hanno ulteriormente ottimizzato il processo dal punto di vista della riduzione delle differenze di temperatura nello scambio termico.
2.2 Energia fredda del GNL utilizzata nella separazione dell'aria
Xia Hongyan et al. proposto di utilizzare l'energia fredda del GNL per le apparecchiature di separazione dell'aria, principalmente utilizzando l'energia fredda del gas naturale liquefatto per sostituire il ciclo di refrigerazione del meccanismo di espansione. L'energia fredda a bassa temperatura del GNL viene utilizzata per liquefare il gas azoto ad alta pressione, mentre l'energia fredda a temperatura ambiente viene fornita al sistema dell'acqua di raffreddamento del glicole etilenico. Questa apparecchiatura di separazione dell'aria a energia fredda GNL consente di risparmiare il 50% di energia in più rispetto alle apparecchiature convenzionali di separazione dell'aria e ha evidenti effetti di risparmio energetico e di risparmio idrico sul sistema di supporto dell'acqua di raffreddamento circolante. Wei Linrui et al. ha proposto uno schema che utilizza l'azoto liquido come refrigerante per raffreddare l'unità di separazione, mantenendo il funzionamento continuo dell'unità di separazione dell'aria del GNL, risolvendo così il problema dei frequenti arresti dovuti alla fluttuazione della domanda di gas in orari e stagioni diversi, e confrontando e analizzando i costi economici vantaggi dell'utilizzo dell'azoto liquido per la manutenzione a funzionamento continuo rispetto agli arresti diretti seguiti da riavvii.
2.3 Energia fredda GNL utilizzata nelle celle frigorifere
Yang Chun et al. ha proposto un dispositivo per l'utilizzo dell'energia fredda del gas naturale liquefatto (GNL) per lo stoccaggio a freddo e le slitte dell'acqua di refrigerazione, comprendente tre sistemi: sistema di vaporizzazione del GNL, sistema di circolazione del refrigerante e sistema di produzione di acqua fredda. Il GNL trasferisce la sua energia fredda al refrigerante attraverso il sistema di vaporizzazione, e il refrigerante utilizza quindi l'energia fredda per la conservazione a freddo e la fornisce all'acqua fredda attraverso il sistema dell'acqua di refrigerazione. Il refrigerante affronta la natura asincrona della gassificazione e dell’applicazione del GNL in termini di tempo e spazio. Xiao Fang et al. migliorato il processo di utilizzo dell’energia fredda del GNL per la tecnologia di refrigerazione delle celle frigorifere, affrontando il problema dell’insufficiente fornitura di energia fredda del GNL e dell’insufficiente capacità di raffreddamento del refrigerante quando la domanda degli utenti di gas naturale è bassa. Hanno confrontato la tecnologia di refrigerazione dell’energia fredda GNL con la tradizionale tecnologia di refrigerazione a compressione elettrica di stoccaggio a freddo, concludendo che la prima è più conveniente, ha una maggiore efficienza del processo, un periodo di recupero dell’investimento più breve e costi operativi inferiori. La Rocca ha studiato un impianto industriale che utilizza l'energia del freddo GNL per congelare i prodotti agricoli nei supermercati e può regolare l'aria, fornendo un concept design, un'analisi termodinamica e un'analisi economica della sua fattibilità, applicabilità e redditività, fornendo un nuovo approccio per un utilizzo efficiente di energia fredda GNL.
2.4 Energia fredda del GNL utilizzata nelle navi a combustibile
Du Lingguang ha applicato l'energia del freddo GNL alla refrigerazione del trasporto marittimo, combinando la tecnologia di stoccaggio a freddo con la tecnologia di refrigerazione dei carichi congelati, riducendo l'investimento iniziale dei sistemi di refrigerazione delle navi, recuperando l'energia del freddo GNL e riducendo i costi
costo della refrigerazione del trasporto marittimo. Tian Kun et al. progettato e sviluppato uno schema completo di utilizzo dell'energia fredda GNL delle navi basato sul principio di "adattamento della temperatura, utilizzo a cascata", utilizzando l'energia fredda GNL per lo stoccaggio a freddo e il condizionamento dell'aria con acqua fredda e selezionando un metodo di condensazione o un metodo di uscita diretta per BOG trattamento in base allo stato di apertura di generatori e motori a combustione interna. Questo schema utilizza completamente l’energia fredda generata dalla gassificazione del GNL e riduce il carburante necessario per la refrigerazione sulle navi, riducendo significativamente il consumo di energia elettrica necessaria per il funzionamento delle apparecchiature di refrigerazione a compressione.
2.5 Energia fredda del GNL utilizzata nella produzione di energia
Chen Liqiong et al. ha riassunto le sei tecnologie di generazione di energia a energia fredda che sono state applicate, tra cui espansione diretta, mezzi secondari, generazione di energia combinata e a mezzi misti, ciclo Brayton e utilizzo di turbine a gas. Hanno sottolineato che la generazione di energia a ciclo Brayton ha la massima efficienza, raggiungendo il 55%, ma richiede requisiti di temperatura di raffreddamento. Lui Lei et al. ha proposto un processo che combina l'energia fredda del GNL per la produzione di energia del ciclo Rankine con la refrigerazione dell'aria condizionata, utilizzando energia fredda di alta qualità per la produzione di energia ed energia fredda di bassa qualità per la refrigerazione dell'aria condizionata attraverso il recupero segmentato, ottenendo un utilizzo a cascata dell'energia fredda del GNL e migliorando efficacemente il freddo efficienza nell’utilizzo dell’energia.
2.6 Energia fredda del GNL utilizzata nella desalinizzazione dell'acqua di mare
Huang Meibin et al. ha combinato l'energia fredda del GNL con la desalinizzazione dell'acqua di mare congelata e ha proposto due opzioni di processo per stabilire se il refrigerante subisce un cambiamento di fase: cambiamento di non fase e cambiamento di fase. I risultati hanno mostrato che il processo senza cambiamento di fase è più semplice e facile da controllare ma ha una portata massica di refrigerante maggiore. Il processo di cambiamento di fase ha una portata massica di refrigerante inferiore ma ha processi, apparecchiature e controlli più complessi, con portate di fase gassosa maggiori che richiedono diametri di gasdotti più grandi e dimensioni corrispondentemente maggiori dello scambiatore di calore. Jiang Kezhong et al. ha analizzato in modo completo tre principali tecnologie di desalinizzazione dell’acqua di mare attualmente: membrana, distillazione e congelamento. Hanno proposto di utilizzare un processo di desalinizzazione ibrido, ovvero combinare il congelamento dell’energia fredda del GNL con membrane di distillazione a bassa temperatura o altri processi a membrana, come nuova direzione per l’utilizzo dell’energia fredda del GNL nella desalinizzazione dell’acqua di mare. CAO ha studiato il processo di desalinizzazione dell'acqua di mare congelata per contatto indiretto utilizzando l'energia fredda del GNL, ha selezionato agenti di raffreddamento intermedi idonei per trasferire il calore e ha fornito la temperatura di cristallizzazione dell'acqua di mare più adatta. I risultati hanno mostrato che 1 kg di energia fredda del GNL potrebbe produrre 2 kg di ghiaccio fuso, con un consumo energetico quasi nullo durante il processo di miscelazione del GNL e dell’acqua di mare.
2.7 Energia fredda del GNL utilizzata nella gomma butilica
Han Junshi ha analizzato la fattibilità dell’utilizzo dell’energia fredda del GNL nell’industria della gomma butilica, proponendo due schemi: refrigerazione secondaria utilizzando GNL e propilene e refrigerazione diretta utilizzando GNL. Dopo aver confrontato e analizzato gli schemi con l'uso convenzionale della refrigerazione combinata di etilene e propilene, si è scoperto che l'uso del GNL insieme alla refrigerazione del propilene potrebbe far risparmiare 1100 kWh di elettricità per tonnellata di gomma, riducendo i costi di investimento del 10%-20 %; l'utilizzo della refrigerazione diretta del GNL consente un maggiore risparmio energetico, consentendo di risparmiare fino a 2000 kWh di elettricità per tonnellata di gomma. Chen Maochun et al. hanno confrontato e analizzato due schemi di refrigerazione combinata di GNL, etilene e propilene e di refrigerazione combinata di GNL e propilene per un impianto convenzionale di gomma butilica con una produzione annua di 50.000 tonnellate, concludendo che quest'ultimo presenta vantaggi come bassa pressione di vaporizzazione del GNL, bassa pressione di progetto per le apparecchiature di refrigerazione e un ingombro ridotto per l'impianto. Rispetto ai processi di refrigerazione tradizionali, semplifica notevolmente il processo di refrigerazione, con meno apparecchiature di processo e minori investimenti, riducendo il consumo di ingegneria pubblica e altri vantaggi.
2.8 Energia fredda GNL utilizzata nel condizionamento dell'aria dei camion pesanti
Wang Fang et al. ha progettato un dispositivo combinato per l'utilizzo dell'energia fredda del GNL nei sistemi di condizionamento dell'aria dei camion pesanti, tra cui bombole di GNL, vaporizzatori, condizionatori d'aria, frigoriferi, motori e controller. Il GNL subisce uno scambio di calore in controcorrente con il refrigerante nel vaporizzatore, rilasciando energia fredda, quindi diventa carburante a temperatura ambiente vaporizzato nel motore per l'uso su autocarri pesanti. Dopo che il refrigerante ha ricevuto l’energia fredda rilasciata dal GNL, la sua temperatura diminuisce, accumulando energia fredda. Il refrigerante a bassa temperatura che esce dal vaporizzatore viene pressurizzato da una pompa ed entra nell'evaporatore dell'aria condizionata, dove l'energia fredda viene trasferita alla cabina attraverso un ventilatore per regolare la temperatura ambiente. Durante questo processo il refrigerante subisce solo variazioni di temperatura senza cambiamenti di fase. Questo dispositivo modello di utilità consente di risparmiare carburante per l'azionamento del compressore, recupera l'energia fredda rilasciata durante la vaporizzazione del GNL, risparmia energia e riduce i consumi e ha un processo semplice che ne facilita la promozione e l'utilizzo.
3. Prospettive
Migliorare il tasso di utilizzo dell’energia fredda GNL è fondamentale per un utilizzo completo dell’energia, alleviando la pressione della carenza di energia, rispondendo alla richiesta di risparmio energetico e riduzione delle emissioni e aumentando i benefici economici e sociali. Tuttavia, attualmente, l’efficienza di utilizzo dell’energia fredda GNL è generalmente bassa, con un unico metodo di utilizzo, un lento avanzamento del progetto e un grave ritardo nell’implementazione. Si propongono pertanto i seguenti suggerimenti:
(1) Selezionare ragionevolmente i progetti di utilizzo dell’energia fredda in base alle dimensioni delle stazioni di ricezione del GNL, alle condizioni economiche locali e alla domanda del mercato.
(2) Sviluppare tecnologie di processo specifiche per l'utilizzo a cascata dell'energia fredda del GNL per migliorare i tassi di utilizzo dell'energia fredda del GNL sia dal punto di vista del singolo utilizzo efficiente che da quello globale dell'utilizzo a cascata.
(3) Sviluppare dispositivi per accumulare e immagazzinare energia fredda per separare i processi di recupero e utilizzo dell'energia fredda utilizzando refrigeranti e fornire energia fredda a vari utenti di energia fredda attraverso tubazioni frigorifere per mettere in pratica il principio di "adattamento della temperatura, utilizzo a cascata".
(4) Aumentare la ricerca e lo sviluppo di mezzi di conservazione a freddo. Attualmente sono pochi i refrigeranti sul mercato che non subiscono cambiamenti di fase durante lo scambio termico con il GNL. Pertanto, accelerare la ricerca e lo sviluppo di refrigeranti senza cambiamento di fase è della massima importanza.
In aggiunta a quanto sopra, esplorare attivamente nuovi metodi di utilizzo dell’energia fredda è ancora una direzione che richiede impegno. In sintesi, nel processo di utilizzo dell’energia fredda GNL, dovrebbe essere implementato il concetto di economia circolare, esplorando attivamente le tecnologie di utilizzo dell’energia fredda GNL, realizzando il pieno utilizzo dell’energia fredda GNL e formando un sistema di rete industriale sano.
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