Κεφάλαιο 4. Υγροποίηση Φυσικού Αερίου

Transcript

1 Κεφάλαιο 4 Υγροποίηση Φυσικού Αερίου 4.1 Εισαγωγή Ο κύριος λόγος για το την υγροποίηση του φυσικού αερίου είναι η κατά 600 φορές µείωση του όγκου λόγω της αλλαγής φάσης (αέριο σε υγρό). Στη φυσικά επικρατούσα αέρια φάση, το φυσικό αέριο είναι µια ογκώδης πηγή ενέργειας, η οποία είναι µερικές φορές δύσκολη στο χειρισµό. Η αποθήκευση του αερίου απαιτεί τεράστια υπόγεια σπήλαια ή µεγάλες συµπτυσσόµενες δεξαµενές αποθήκευσης. Η µεταφορά του φυσικού αερίου από τις πηγές παραγωγής στα σηµεία κατανάλωσης απαιτεί µεγάλα δίκτυα αγωγών. Κατά συνέπεια, µπορούν να εξεταστούν µόνο χερσαίες ή σχετικά µικρές υποθαλάσσιες διαδροµές. Τέλος, το φυσικό αέριο σε ατµοσφαιρική πίεση είναι πάρα πολύ ογκώδες για να θεωρηθεί ως καύσιµο για λόγους µεταφορών και πρέπει, κατ' ελάχιστο, να συµπιεστεί. Η υγροποίηση του φυσικού αερίου χρησιµοποιείται για να υπερνικήσει αυτά τα εµπόδια, και επιτρέπει τη µεταφορά του σε µεγαλύτερες αποστάσεις και εφαρµογή του υγροποιηµένου φυσικού αερίου (LNG) ως πηγή ενέργειας. Παραδείγµατος χάριν, το LNG που παράγεται στη Μέση Ανατολή καλύπτει περίπου το 10% της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας της Ιαπωνίας. Η αποθήκευση LNG κοντά σε αστικές περιοχές επιτρέπει την κάλυψη των αναγκών αιχµής σε φυσικό αέριο χωρίς να απαιτηθεί η κατασκευή πρόσθετων αγωγών που τις περισσότερες φορές θα ήταν υποχρησιµοποιηµένες. Το συµπιεσµένο φυσικό αέριο είναι ένα εφικτό καύσιµο µεταφορών για στόλους φορτηγών και λεωφορείων. Όµως, πιο πρόσφατες εφαρµογές σε αεροσκάφη και σιδηροδρόµους έδειξαν ότι απαιτείται υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας για το LNG ώστε η εφαρµογή να είναι εµπορικά βιώσιµη. 4.2 Φυσικές Ιδιότητες του LNG Στην ονοµατολογία της ενεργειακής βιοµηχανίας, LNG είναι στο ελαφρύ άκρο του φάσµατος των υγροποιηµένων αερίων που περιλαµβάνει επίσης τα υγρά φυσικού αερίου (NGL, κυρίως αιθάνιο µε λίγο προπάνιο) και τα υγροποιηµένα αέρια πετρελαίου (LPG, το οποίο αποτελείται κυρίως από προπάνιο και βουτάνιο). Κοινό χαρακτηριστικό για κάθε ένα από αυτά τα προϊόντα είναι η έλλειψη ενός τυποποιηµένου συνόλου φυσικών ιδιοτήτων. Εντούτοις, είναι δυνατοί και χρήσιµοι ορισµένοι χαρακτηρισµοί του LNG. Επειδή το µεθάνιο είναι το βασικό συστατικό του, το σηµείο βρασµού του LNG σε ατµοσφαιρική πίεση είναι περίπου 160 C. Το υγροποιηµένο φυσικό αέριο είναι άοσµο και άχρωµο. Ίχνη µολυσµατικών ουσιών, ειδικά υδραργύρου, µπορούν να καταστήσουν το LNG διαβρωτικό, εάν δεν αφαιρούνται σε αρκετά χαµηλά επίπεδα κατά τη διάρκεια του προκαθαρισµού και των διεργασιών υγροποίησης. Το υγροποιηµένο φυσικό αέριο είναι ένα εµπορικό προϊόν, έτσι η ανάγκη να αποφευχθεί η στερεοποίηση των µολυσµατικών ουσιών είναι απαίτηση των προδιαγραφών για περιβαλλοντικά αποδεκτά καύσιµα. Εποµένως, οι µολυσµατικοί παράγοντες όπως υδρατµός, διοξείδιο του άνθρακα, και οι ενώσεις θείου, που µπορεί να υπάρχουν στο φυσικό αέριο, γενικά δεν υπάρχουν στο LNG. Οµοίως, το σχετικά χαµηλό σηµείο βρασµού του LNG περιορίζει τη µέγιστη συγκέντρωση πεντάνιου και βαρύτερων υδρογονανθράκων που µπορεί να υπάρξει στην υγρή φάση

2 4.3 Ιστορικό Οι πρώτες προσπάθειες να εµπορευθεί το LNG απέτυχαν. Η µεταφορά φορτίων µεταξύ αποθηκών στο Chicago, Illinois και πεδίων αερίου στη Louisiana δεν χρησιµοποίησε επαρκώς σχεδιασµένες δεξαµενές. Οµοίως, µια πρωτότυπη δεξαµενή αποθήκευσης αναγκών αιχµής στο Cleveland, Ohio αστόχησε (κατέρρευσε) το 1944 λόγω λανθασµένης επιλογής υλικών. Η επακόλουθο διαρροή από τη δεξαµενή εξατµίστηκε, ταξίδευσε µέσω ενός παρακείµενου αποχετευτικού συστήµατος, και προκάλεσε θανατηφόρα ατυχήµατα σε απόσταση λόγω ανάφλεξης. Αυτές οι αρχικές αστοχίες, καθώς επίσης και η επόµενη έκρηξη µιας κακοσχεδιασµένης δεξαµενής LNG που υποβαλλόταν σε επισκευές στο Staten Island, New York το 1973, συνέβαλαν πολύ στην καθυστέρηση της εµπορίας LNG στις Ηνωµένες Πολιτείες. Ένα µεγάλο µέρος της αρχικής ανάπτυξης στράφηκε γύρω από την Ευρώπη και τη Βόρειο Αφρική. Η πρώτη εγκατάσταση βασικού φορτίου για εµπορία LNG ξεκίνησε το 1964 από την Αλγερία προς το νησί Canvey στην Αγγλία και τη Χάβρη (Le Havre) στη Γαλλία. Οι επόµενες εγκαταστάσης χτίστηκαν στη Λιβύη και την Αλγερία για να παρέχουν LNG στην Ευρώπη και το επεκτεινόµενο δίκτυο αγωγών του. Η Ιαπωνία έγινε αγοραστής LNG το 1969, µε την παραλαβή του πρώτου φορτίου της από Kenai, Alaska. Από τότε, η Ιαπωνία έχει γίνει ο µεγαλύτερος αγοραστής LNG στον κόσµο. Σηµαντικές εγκαταστάσεις παραγωγής τώρα επίσης υπάρχουν στην Ινδονησία, το Αµπού Νταµπί (Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα), το Μπρουνέι, τη Μαλαισία, και την Αυστραλία. Το Κατάρ άρχισε τις εξαγωγές LNG προς την Άπω Ανατολή στα τέλη του 1996 και θα είναι σηµαντικός LNG εξαγωγέας τον 21ο επόµενο αιώνα. Οι εγκαταστάσεις LNG κάλυψης αναγκών αιχµής επεκτάθηκαν γρήγορα προς το τέλος της δεκαετίας του '60 και καθ' όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του '70 και στην Ευρώπη και στη Βόρεια Αµερική. Αυτή η αύξηση αντανακλούσε την αυξανόµενη χρήση φυσικού αερίου στις αστικές περιοχές και, ειδικότερα, τη δεσπόζουσα χρήση του φυσικού αερίου για θέρµανση. Ουσιαστικά καµία αύξηση της επιχείρησης κάλυψης αναγκών αιχµής δεν εµφανίστηκε στη δεκαετία του '80 λόγω διάφορων διαφορετικών παραγόντων, που κυµαίνονται από την εξοικονόµηση ενέργειας και περιβαλλοντικούς περιορισµούς χωροθέτησης ως αλλαγές σε νοµοθετικές ρυθµίσεις. Η χρήση LNG στην τροφοδότηση οχηµάτων µεταφορών έχει εξεταστεί για περισσότερο από 20 έτη. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι που ωθούν προς αυτήν την κατεύθυνση, συµπεριλαµβανοµένων των περιβαλλοντικών πλεονεκτηµάτων της καύσης φυσικού αερίου έναντι των συµβατικών καυσίµων. Εντούτοις, δεν υπάρχει σηµαντική υποδοµή για την τροφοδότηση οχηµάτων µε LNG που να µπορεί να υποστηρίξει τη µετατροπή αυτοκινήτων και φορτηγών. Εποµένως, η έρευνα για χρήση σε σιδηροδρόµους και πλοία, εστιάζεται σε εφαρµογές κλειστού βρόγχου στις οποίες το όχηµα επιστρέφει στον σταθµό ανεφοδιασµού ως µέρος του κανονικού δροµολογίου του. Τα αλιευτικά σκάφη µπορούν επίσης να ωφεληθούν από τη χαµηλή θερµοκρασία του LNG, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να καταψύξει τα ψάρια που αλιεύουν. Οµοίως, για να χρησιµοποιηθεί καλύτερα το LNG ως καύσιµο για αεροσκάφη υψηλής απόδοσης, τα µπροστινά άκρα των πτερυγίων µπορούν να ψυχθούν µε LNG για να µειωθούν οι αντιστάσεις λόγω τριβής, ενώ το LNG εξατµίζεται για χρήση στους κινητήρες του αεροσκάφους. 4.4 Παραγωγή Λόγω της υψηλής κρίσιµης πίεσης του µεθανίου, το LNG παράγεται οικονοµικά µε ψύξη και όχι µε συµπίεση. Υπάρχει διαθέσιµη µια σειρά διεργασιών για εµπορική παραγωγή LNG

3 Κοινή για όλες τις διεργασίες υγροποίησης φυσικού αερίου είναι η ανάγκη για προκατεργασία του αερίου τροφοδοσίας για την αφαίρεση των συστατικών που είτε θα πάγωναν εµποδίζοντας έτσι τη ροή της διεργασιας είτε να προκαλέσουν ρύπανση κατά την καύση του εξατµισµένου LNG ιαδικασίες Υγροποίησης Βάσης Φόρτωσης Η υγροποίηση φυσικού αερίου σε βάσης φόρτωσης µεγάλου µεγέθους πραγµατοποιείται µε έµφαση στην απόδοση της διεργασίας. Η κλίµακα των λειτουργιών σηµαίνει ότι η παραγωγή µε την πιο µικρή εγκατεστηµένη δυναµικότητα και την πιο µικρή κατανάλωση καυσίµων είναι η οικονοµικά συµφέρουσα. Επειδή η θερµότητα που πρέπει να αφαιρεθεί από το φυσικό αέριο για να το ψύξει σε 160 C απορρίπτεται τελικά στον αέρα ή το νερό, έχουν αναπτυχθεί αρκετά περίπλοκα συστήµατα. Σχήµα 4.1 ιεργασία υγροποίησης εννέα βαθµίδων σε σειρά ιεργασίες Ψύξης σε Σειρά. Οι πρώτες διεργασίες υγροποίησης φυσικού αερίου χρησιµοποιούσαν συστοιχίες απλών ψυκτικών µονάδων σε σειρά (Σχήµα 4.1). Κάθε ψυκτικό χρησιµοποιείται σε ξεχωριστό κλειστό κύκλο που παρέχει ψύξη σε συγκεκριµένες θερµοκρασιακές περιοχές. Τυπικά, χρησιµοποιούνται προπάνιο, αιθυλένιο και µεθάνιο για να παρέχουν µια ευρεία, ισορροπηµένη σειρά ψύξης. Μετά από τη συµπίεση, τρία επίπεδα θερµοκρασιών για καθένα από τα τρία ψυκτικά διαµορφώνουν µια ακολουθία εννέα βαθµίδων. Κάθε ένα από αυτά τα επίπεδα θερµοκρασίας αντιστοιχεί σε µια προκαθορισµένη ελάττωση πίεσης (στα δοχεία διαχωρισµού) για την εξάτµιση του ψυκτικού σε εναλλαγή θερµότητας µε την τροφοδοσία φυσικού αερίου και ένα ξεχωριστό ρεύµα ψυκτικού που απαιτεί ψύξη. Με αυτόν τον τρόπο, αφαιρείται θερµότητα από το φυσικό αέριο σε διαδοχικά χαµηλότερες θερµοκρασίες δηλαδή, το ψυκτικό βράζει σε διαδοχικά χαµηλότερη πίεση. Η θερµότητα απορρίπτεται στον αέρα ή σε νερό µέσω του θερµότερου

4 ψυκτικού, συνήθως προπανίου, και των µεταψυκτών των συµπιεστών. Ο κύκλος ψύξης του µεθανίου είναι ανοικτός δεδοµένου ότι συνδυάζεται µε την τροφοδοσία φυσικού αερίου και µετά από το τελικό στάδιο ελάττωσης πίεσης το υγρό µεθάνιο αποτελεί µέρος του παραγόµενου LNG. Οι διεργασίες ψύξης σε σειρά επέτρεψαν τη χρήση ψυκτικών συστηµάτων ενός συστατικού σε εποχές που δεν είχαν αναπτυχθεί τόσο καλά οι θερµοδυναµικοί συσχετισµοί και οι βάσεις δεδοµένων θερµοφυσικών ιδιοτήτων τόσο όσο είναι αυτή τη στιγµή. Επιπλέον, οι διεργασίες µπόρεσαν να γίνουν πολύ αποδοτικές (δηλαδή µπόρεσε να µειωθεί το ποσό αναντιστρεπτότητας) µε την αύξηση τόσο του αριθµού των ψυκτικών ουσιών που χρησιµοποιήθηκαν όσο και των βαθµίδων εξάτµισης κάθε ψυκτικού. Όµως, αυτή η βελτίωση στην απόδοση, εντούτοις, είχε αυξηµένες οικονοµικές συνέπειες. Κάθε ψυκτικό απαιτεί συµπιεστή, µηχανισµό κίνησης, δοχεία, και εναλλάκτες θερµότητας, µαζί µε τις απαραίτητες σωληνώσεις, µόνωση, και συστήµατα ελέγχου. Κάθε πρόσθετο στάδιο εξάτµισης προσθέτει στον αριθµό των εναλλακτών θερµότητας και δοχείων και στον αριθµό των παράπλευρων ρευµάτων που εισάγονται στο συµπιεστή. ιεργασίες µε Μίγµα Ψυκτικών. Το πρόβληµα του σύνθετου σχεδιασµού, το σχετικά υψηλό κόστος επένδυσης, και οι περιορισµοί στα ενδιάµεσα στάδια της διαδικασίας υγροποίησης σε σειρά αντιµετωπίζονται µε τις διεργασίες υγροποίησης µε µίγµα ψυκτικών. Με την εξέλιξη του εξοπλισµού και των συστηµάτων ελέγχου έγινε δυνατός ο συνδυασµός ψυκτικών σε έναν ψυκτικό κύκλο (Σχήµα 4.2). Σχήµα 4.2 ιεργασία υγροποίησης µε µίγµα ψυκτικών Σε τέτοιες διεργασίες, ένα γίνεται συνδυασµός ψυκτικών όπως πεντάνιο, βουτάνιο, προπάνιο, αιθάνιο, µεθάνιο και άζωτο σε αναλογίες κατάλληλες για την καµπύλη ψύξης του προς υγροποίηση φυσικού αερίου που υγροποιείται, δηλαδή η καµπύλη θερµοκρασίας ενθαλπίας θέρµανσης του µίγµατος ψυκτικών να ακολουθεί πολύ κοντά την καµπύλη ψύξης του φυσικού αερίου σε. Αυτό µειώνει την αναντιστρεπτότητα της διεργασίας. Το µίγµα ψυκτικών συµπυκνώνεται έπειτα, κατά µέρος µε αέρα ή νερό και το υπόλοιπο σε χαµηλότερη θερµοκρασία µε εναλλαγή θερµότητας µε το ίδιο το µίγµα. Στην τελευταία περίπτωση, το εισερχόµενο αέριο ψυκτικό ψύχεται και συµπυκνώνεται σε ανυψωµένη πίεση κατ' αντιρροή µε την

5 εξατµιζόµενη υγρή φάση του µίγµατος ψυκτικών, καθένα από τα οποία εκτονώνεται σε µια πολύ χαµηλότερη πίεση και, ως εκ τούτου, και θερµοκρασία. Η διεργασία µε µίγµα ψυκτικών έχει αποδώσει καλά σε διάφορες εγκαταστάσεις και αντιπροσωπεύει µια απλοποίηση έναντι της διαδικασίας υγροποίησης σε σειρά. Εντούτοις, δεν είναι θερµοδυναµικά αρκετά αποδοτική ώστε να είναι οικονοµική σε σχέση µε τις αυξανόµενες τιµές ενέργειας. Για να ανταποκριθεί στην καµπύλη ψύξης του φυσικού αερίου τροφοδοσίας σε ένα ευρύ φάσµα, από τη θερµοκρασία του νερού ψύξης ή του αέρα, ως τη θερµοκρασία υγροποίησης, είναι απαραίτητοι συµβιβασµοί ως προς τη σύνθεση του µίγµατος ψυκτικών. Το ευρύ φάσµα των σηµείων βρασµού για τα συστατικά του µίγµατος ψυκτικών σηµαίνει επίσης ότι µερικά από τα βαρύτερα συστατικά συµπιέζονται σε υψηλότερες πιέσεις από τις πραγµατικά απαιτούµενες για τη συµπύκνωσή τους για να εξασφαλιστεί συµπύκνωση των ελαφρύτερων, χαµηλότερων σηµείων βρασµού συστατικών όπως το άζωτο και το µεθάνιο. Μια τέτοια ρήτρα ανασυµπίεσης δεν µπορεί να αποφευχθεί χωρίς έναν σηµαντικό διαχωρισµό τµηµάτων των ψυκτικών όπως εµφανίζεται σε διεργασίες ψύξης µε µίγµα ψυκτικών µε προκαταρκτική ψύξη. ιεργασίες µε Μίγµα Ψυκτικών και Προκαταρκτική Ψύξη. Στις αρχές της δεκαετίας του '70, αναπτύχθηκε µια τρίτη γενιά διεργασιών, µε µίγµα ψυκτικών και προκαταρκτική ψύξη, από τον άµεσο συνδυασµό άλλων των δύο. Η ευρύτατα χρησιµοποιούµενη διεργασία χρησιµοποιεί δύο χωριστά συστήµατα ψύξης, έναν κύκλο ψύξης µε προπάνιο σε σειρά, ακολουθούµενη από έναν κύκλο µε µίγµα ψυκτικών που περιλαµβάνει προπάνιο, αιθάνιο, µεθάνιο και άζωτο ως συστατικά (το Σχήµα 4.3 παρουσιάζει τις καµπύλες ψύξης για αυτήν τη διεργασία). Ο κύκλος προπανίου προψύχει το φυσικό αέριο και χρησιµεύει ως ενδιάµεσο ψυκτικό για την απόρριψη θερµότητας από το τµήµα µε το µίγµα ψυκτικών ουσιών προς τον αέρα ή το νερό ψύξης. Το τµήµα ψύξης µε προπάνιο µπορεί να κατασκευαστεί από κοινό χάλυβα χαµηλότερου κόστους, ενώ τα τµήµατα χαµηλότερης θερµοκρασίας απαιτούν χάλυβες αργιλίου ή νικελίου. Κατά συνέπεια, το σπάσιµο της διεργασίας ψύξης στο στάδιο του προπανίου είναι συµβατό µε την επιλογή οικονοµικών υλικών. Τέλος, µε τη µείωση του εύρους της ψύξης που πρέπει να επιτευχθεί από το µίγµα ψυκτικών ουσία, µπορεί να βελτιστοποιηθεί η σύνθεσή του και να µειωθούν σηµαντικά οι ενεργειακές απώλειες λόγω ανασυµπίεσης. Έχουν αναπτυχθεί πρόσθετα σχήµατα διεργασιών που εµπίπτουν στην κατηγορία των διεργασιών µε µίγµατα ψυκτικών και προκαταρκτική ψύξη. Εάν προστεθεί αιθάνιο στο ψυκτικό της προκαταρκτικής ψύξης για να σχηµατίσει µια διεργασία διπλού µίγµατος ψυκτικών, η θερµοκρασία προκαταρκτικής ψύξης µπορεί να µειωθεί σύµφωνα µε τους όρους λειτουργίας του κύκλου και το ποσοστό του προστιθέµενου αιθανίου. Με αυτήν την διαδικασία το ψυκτικό φορτίο µπορεί να µετατοπιστεί µεταξύ των δύο κύκλων ψύξης µια δυνατότητα που µπορεί να είναι χρήσιµη στην αντιµετώπιση αλλαγών στο αέριο τροφοδοσίας ή αλλαγών στη διαθεσιµότητα ισχύος. Η αλλαγή στη διαθεσιµότητα ισχύος µπορεί να εµφανιστεί λόγω αλλαγών της θερµοκρασίας περιβάλλοντος που έχουν επιπτώσεις στην παραγόµενη ισχύ των αεριοστροβίλων. Η λειτουργία ενός δυαδικού µίγµατος ψυκτικών για προκαταρκτική ψύξη είναι πιο περίπλοκη επειδή δεν είναι πλέον επαρκής ο απλός έλεγχος πίεσης, αλλά µπορεί να προτιµηθεί σε συγκεκριµένες περιπτώσεις. Μια άλλη διαδικασία µε προκαταρκτική ψύξη έχει προταθεί για εγκαταστάσεις που χρησιµοποιούν αεριοστροβίλους στο τµήµα µε µίγµα ψυκτικών. Σε αυτήν την διαµόρφωση, η αποβαλλόµενη θερµότητα των αεριοστροβίλων χρησιµοποιείται για να διαχωρίσει αµµωνία και νερό σε έναν ψύκτη απορρόφησης αµµωνίας. Αυτό το σύστηµα θα µπορούσε να αναλάβει το φορτίο της προκαταρκτικής ψύξης

6 εξαλείφοντας την ανάγκη για δαπανηρούς συµπιεστές και µηχανισµούς κίνησης. Κανένα από αυτά τα δύο συστήµατα δεν έχει εφαρµοστεί σε µια λειτουργική εγκατάσταση. Σχήµα 4.3 Καµπύλη ψύξης για διεργασία υγροποίησης µίγµατος ψυκτικών µε προκαταρκτική ψύξη µε προπάνιο ιεργασία Υγροποίησης Αναγκών Αιχµής Οι εγκαταστάσεις LNG κάλυψης αναγκών αιχµής διαφέρουν από τις εγκαταστάσεις βασικού φορτίου σε διάφορα σηµεία που έχουν επιπτώσεις στο σχεδιασµό των εγκαταστάσεων. Οι εγκαταστάσεις αναγκών αιχµής είναι πολύ µικρότερες, λειτουργούν µόνο εποχιακά, και βρίσκονται συχνά κοντά στο σηµείο στο οποίο η πίεση στις γραµµές µεταφοράς αερίου µειώνεται και οι γραµµές διακλαδίζονται στα τοπικά συστήµατα διανοµής αερίου χαµηλότερης πίεσης. Η έµφαση κατά το σχεδιασµό των εγκαταστάσεων αναγκών αιχµής δίνεται κυρίως στην ελαχιστοποίηση του κόστους εξοπλισµού και λιγότερο στην υψηλή θερµοδυναµική απόδοση. Έχουν χρησιµοποιηθεί εποµένως όλοι οι κύκλοι υγροποίησης πολλαπλού µίγµατος ψυκτικών σε µεγάλο ποσοστό στις εγκαταστάσεις αναγκών αιχµής. Εάν είναι διαθέσιµος ένας τοπικός αγωγός διανοµής σε µια πίεση ουσιαστικά κάτω από αυτήν του κύριου αγωγού µεταφοράς, µπορούν να χρησιµοποιηθούν διαδικασίες εκτόνωσης για να εκµεταλλευθούν τη διαφορά πίεσης όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.4. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές, αλλά η αρχή αυτών των εγκαταστάσεων είναι να εκτονωθεί το αέριο εισόδου σχεδόν ισεντροπικά µέσω ενός στροβίλου, µειώνοντας κατά συνέπεια γρήγορα τη θερµοκρασία και υγροποιώντας µερικώς το αέριο. Το υγρό στέλνεται για αποθήκευση, και το υπόλοιπο αέριο συµπιέζεται σε έναν συµπιεστή που συνδέεται µηχανικά µε, και λαµβάνει κίνηση από το στρόβιλο εκτόνωσης. Αυτό το αέριο

7 στέλνεται έπειτα στον αγωγό χαµηλότερης πίεσης για διανοµή εκτός των εγκαταστάσεων. Σχήµα 4.4 ιάγραµµα διεργασίας υγροποίησης µε εκτόνωση 4.5 Αποθήκευση Οι δεξαµενές αποθήκευσης LNG είναι ένα σηµαντικό µέρος και για τις εγκαταστάσεις βασικού φορτίου και για τις εγκαταστάσεις αναγκών αιχµής. Επιπλέον, αποτελούν σηµαντικό µέρος της επένδυσης των τερµατικών εγκαταστάσεων παραλαβής LNG. Λόγω του υψηλού κόστους αυτών των µονάδων και σπουδαιότητάς τους στη συνολική ασφάλεια των εγκαταστάσεων LNG, έχει δοθεί µεγάλη προσοχή στο σχεδιασµό των δεξαµενών LNG. Ένα από τα πρώτα θέµατα που τέθηκαν στο σχεδιασµό των δεξαµενών LNG ήταν στην επιλογή κατάλληλων υλικών. Η αστοχία της δεξαµενής στο Cleveland, Ohio το 1944 αποδόθηκε στη χρήση χάλυβα µε 3,5% νικέλιο που έγινε εύθραυστος στη θερµοκρασία του LNG. Μετά από αυτό το συµβάν, µεγάλης κλίµακας προγράµµατα έχουν αποδείξει την καταλληλότητα του χάλυβα µε 9% νικέλιο, των ανοξείδωτων χαλύβων, και ορισµένων κραµάτων αργιλίου (σειρά 5000) για κατασκευή δεξαµενών LNG. Οι δεξαµενές από κράµατα αργιλίου είναι συνήθως περιορισµένου µεγέθους, επειδή ο συντελεστής θερµικής διαστολής του αργιλίου είναι περίπου διπλάσιος αυτού του χάλυβα. Σε µεγάλες δεξαµενές, τέτοια θερµική µετακίνηση κατά τη διάρκεια της ψύξης θα µπορούσε να οδηγήσει σε αστοχία των δεξαµενών. Τα σχέδια των δεξαµενών έχουν εξελιχθεί επίσης δεδοµένου ότι έχουν εφαρµοστεί περισσότερο περίπλοκες αναλύσεις δεδοµένων ασφαλείας στις εγκαταστάσεις LNG. Οι αρχικοί σχεδιασµοί προέβλεπαν µια εσωτερική κρυογενική δεξαµενή υγρού που εντός µιας εξωτερικής δεξαµενής που περιείχε το σύστηµα µόνωσης για την εσωτερική. Σε µερικά σχέδια η εξωτερική δεξαµενή περιείχε αέριο άζωτο που, µε τη σειρά της, ήταν συνδεδεµένη µε µια δεξαµενή µεταβλητός-όγκου ή µε µεµβρπανες, η οποία αντιστάθµιζε τις αλλαγές στον όγκο του αζώτου λόγω των αλλαγών στη θερµοκρασία περιβάλλοντος αποφεύγοντας συµπίεση ή αποσυµπίεση της εξωτερικής δεξαµενής. Σε άλλα σχέδια, η στέγη της εσωτερικής δεξαµενής δεν ήταν στεγανή, αλλά µερικώς υποστυλωµένη µόνωση, και η εξωτερική δεξαµενή χρησίµευε ως µια αποθήκη φυσικού αερίου (Σχήµα 4.5). Και στα δύο σχέδια, οι εξωτερικές δεξαµενές κατασκευάζονταν από κοινό χάλυβα άνθρακα και περιβάλλονταν από ένα χαµηλό ανάχωµα για να συγκρατήσει τις όποιες διαρροές LNG. Αναλυτικές µελέτες έδειξαν ότι ο πρωτεύων κίνδυνος ασφάλειας µε µια διαρροή LNG είναι ο σχηµατισµός ενός µεγάλου νέφους ατµών του προϊόντος που µπορεί να παρασυρθεί, αναφλεγεί, και να προκαλέσει εκτεταµένη ζηµία. Τα επόµενα σχέδια

8 ενσωµάτωσαν υλικά εξωτερικής δεξαµενής λιγότερη επιρρεπή σε αστοχία στις κρυογονικές θερµοκρασίες και υψηλότερα αναχώµατα που χτίστηκαν πιο κοντά στις δεξαµενές. Αυτά τα µέτρα οδηγούν σε µικρότερη ελεύθερη επιφάνεια για οποιαδήποτε διαρροή LNG από µια αστοχία δεξαµενών και εποµένως ένα χαµηλότερο ρυθµό τροφοδοσίας του επακόλουθου νέφους ατµών. Σχήµα 4.5 Σχηµατική απλοποιηµένη διατοµή µιας απλής δεξαµενής αποθήκευσης LNG Επιπρόσθετες µελέτες αναθεώρησαν τις συνέπειες µιας εξωτερικής προσβολής, όπως συντριβής αεροσκάφους, που οδηγεί σε αποτυχία της δεξαµενής και την επίδραση µιας καταστροφικής αστοχίας της εσωτερικής δεξαµενής στο περιεχόµενο της εξωτερικής δεξαµενής. Όλες αυτές οι µελέτες εστίασαν στην ανάγκη για την ασφαλέστερη συγκράτηση της εξωτερικής δεξαµενής. Τα προκύψαντα σχέδια δεξαµενών περιλαµβάνουν δεξαµενισµό διπλός ακεραιότητας δηλαδή, µια διαρροή υγρού από µια αστοχία της εσωτερικής δεξαµενής παραλαµβάνεται από µια δεύτερη οµόκεντρη δεξαµενή που είναι δοµικά ανεξάρτητη από την πρώτη. Οι εξωτερικές δεξαµενές κατασκευάζονται από οπλισµένο σκυρόδεµα µε περίβληµα από ανοξείδωτο χάλυβα. Τέλος, κατασκευάζονται αναχώµατα ύψους όσο και η δεξαµενή για να προστατεύσουν τη δεξαµενή από εξωτερική ζηµία και για να βοηθήσουν στην υποθετική ασύµµετρη φόρτιση της εξωτερικής δεξαµενής ως αποτέλεσµα καταστροφικής αστοχίας της εσωτερικής δεξαµενής. Όπου η περιοχή είναι πάρα πολύ µικρή για να επιτρέψει την πλήρη ανάπτυξη των αναχωµάτων, χρησιµοποιείται είτε κατασκευή δεξαµενής µέσα στο έδαφος, ή η πρόσθετη ενίσχυση της εξωτερικής δεξαµενής. 4.6 Μεταφορά Κάλυψη Αναγκών Αιχµής Οι εγκαταστάσεις LNG κάλυψης αναγκών αιχµής συνήθως ατµοποιούν το LNG από τις δεξαµενές και το διοχετεύουν στο δίκτυο διανοµής. Εντούτοις, σε µερικές εγκαταστάσεις, το LNG αποθηκεύεται µερικώς µόνο, και ατµοποιείται για να διοχετευτεί στο δίκτυο. Αυτές οι δορυφορικές εγκαταστάσεις παραλαµβάνουν LNG από άλλες περιοχές παραγωγής, το οποίο µεταφέρεται µε κατάλληλα οχήµατα. Τα οχήµατα είναι παρόµοια µε εκείνα που χρησιµοποιούνται στις µεταφορές υγρού αζώτου και οξυγόνου, και αποτελούνται από µια εσωτερική κρυογενική δεξαµενή και µια εξωτερική προστατευτική δεξαµενή από µη κρυογενικό υλικό. Το κενό µεταξύ των δεξαµενών τυπικά γεµίζει µε µόνωση από διογκωµένο περλίτη και εκκενώνεται σε υποατµοσφαιρική πίεση ώστε να µειωθεί περαιτέρω η διαρροή θερµότητας

9 4.6.2 Εγκαταστάσεις Βασικού Φορτίου Οι εγκαταστάσεις LNG βασικού φορτίου συνδέονται µε τις αντίστοιχες τερµατικές εγκαταστάσεις τροφοδοσίας µε στόλους ειδικών δεξαµενοπλοίων. Τα σύγχρονα δεξαµενόπλοια έχουν µεταφορική ικανότητα ως m 3 LNG. Κάθε δεξαµενόπλοιο χρησιµοποιεί ένα από διάφορα συστήµατα αποθήκευσης, τα οποία µπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κύριους τύπους. Ένα σχέδιο χρησιµοποιεί µη σταθερές σφαιρικές δεξαµενές που υποστηρίζονται σε κυλινδρικά στηρίγµατα (Σχήµα 4.6). Κάθε δεξαµενή είναι µονωµένη και τοποθετηµένη µεταξύ των διαφραγµάτων σε ένα χωριστό τµήµα του σκάφους. Αυτά τα διαµερίσµατα καλύπτονται µε αδρανές αέριο άζωτο, το οποίο δειγµατίζεται περιοδικά για να ανιχνευτεί οποιαδήποτε διαρροή LNG. Σχήµα 4.6 Σφαιρική δεξαµενή πλοίου Μια δεύτερη οικογένεια σχεδιασµών είναι οι δεξαµενές µε µεµβράνες. Στα σκάφη που χρησιµοποιούν αυτόν τον τύπο, εφαρµόζονται στο κύτος του σκάφους η µόνωση και η δευτερογενής φραγή (Σχήµα 4.7). Η µόνωση µεταβιβάζει επίσης το φορτίο από το φορτίο LNG στο κύτος και τη δοµή του σκάφους. Μια µεταλλική µεµβράνη συγκράτησης εγκαθίσταται έπειτα πάνω από την επιφάνεια της µόνωσης. Η µεµβράνη µπορεί να αποτελείται από Invar (χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε µέταλλα µε εξαιρετικά χαµηλό συντελεστή της θερµικής διαστολής) ή από µια δοµή τύπου "βάφλας" (φτιαγµένη από νικελιούχο χάλυβα), όπου η διατοµή της βάφλας επιτρέπει τη δισδιάστατη µεταφορά θερµότητας διατηρώντας την επαφή µε τη φέρουσα µόνωση. Οι δεξαµενές µε µεµβράνες χωρίζονται επίσης σε διαµερίσµατα και επιτρέπουν αποδοτικότερη χρήση του όγκου αποθήκευσης του κύτους. Χαρακτηριστικό τους γνώρισµα είναι η επίπεδη κορυφή γέφυρα και το χαµηλότερο κέντρο βάρους, ενώ οι σφαιρικές δεξαµενές επεκτείνονται επάνω από το κατάστρωµα και απαιτούν θολωτά καλύµµατα. Ένας τρίτος τύπος δεξαµενοπλοίων LNG χρησιµοποιεί µη µόνιµες πρισµατικές δεξαµενές. Αυτός ο σχεδιασµός επιδιώκει να συνδυάσει την αποδοτική χρήση του κενού µεταξύ των κυτών µε τη δοµική ανεξαρτησία µιας αυτοστηριζόµενης δοµής. ιάφορα σκάφη στο παρελθόν ναυπηγήθηκαν µε αυτόν τον τύπο σχεδιασµού, αλλά είναι σχετικά ακριβά και, µε εξαίρεση δύο µικρότερα σκάφη για τη µεταφορά Αλάσκας Ιαπωνίας, δεν υιοθετείται στα νεώτερα δεξαµενόπλοια

10 Σχήµα 4.7 εξαµενή πλοίου µε µεµβράνη Εγκαταστάσεις Παραλαβής LNG Οι εγκαταστάσεις παραλαβής LNG κατασκευάζονται για να παραλάβουν τις ποσότητες LNG που αποστέλλονται από τις εγκαταστάσεις υγροποίησης φυσικού αερίου. Περιλαµβάνουν τις απαραίτητες λιµενικές εγκαταστάσεις, σωληνώσεις µεταφοράς, αποθήκες LNG, και όλον τον απαραίτητο εξοπλισµό για την εξάτµιση και συµπίεση του φυσικού αερίου, πριν αυτό αποσταλεί προς τον κεντρικό αγωγό φυσικού αερίου, ή τους τελικούς καταναλωτές (µονάδες βασικού φορτίου). Μια τυπική εγκατάσταση παραλαβής LNG φαίνεται στο Σχήµα 4.8. Σχήµα 4.8 ιάγραµµα εγκατάστασης παραλαβής LNG Υγρή φάση Αέρια φάση Οι γραµµές µεταφοράς LNG διατηρούνται σε χαµηλή θερµοκρασία µε ανακυκλοφορία ποσότητας LNG από τις δεξαµενές αποθήκευσης. Έτσι απάγεται η θερµότητα που εισέρχεται από το περιβάλλον στις γραµµές µεταφοράς. Η αέρια φάση που εξατµίζεται µέσα στη δεξαµενή βρίσκεται σε ισορροπία µε την υγρή φάση. Η περίσσεια οδηγείται µέσω του αποϋπερθερµαντή στο συµπιεστή, όπου και συµπιέζεται και οδηγείται στον αγωγό διασύνδεσης µε τον κεντρικό αγωγό ή τους καταναλωτές. Η εξάτµιση του LNG πραγµατοποιείται σε εναλλάκτες θερµότητας που λειτουργούν µε θαλασσινό νερό ως θερµαντικό µέσο, καθώς και σε εξατµιστήρες, όπου καίγεται µέρος της αέριας φάσης από τις δεξαµενές αποθήκευσης, και από την

11 παραγόµενη θερµότητα θερµαίνεται το ενδιάµεσο ρευστό που χρησιµοµοποιείται τελικά για την εξάτµιση. Οι εναλλάκτες θερµότητας µε θαλασσινό νερό έχουν πολύ χαµηλό κόστος λειτουργίας, αλλά υψηλό κόστος εγκατάστασης και έχουν σχετικά περιορισµένη δυναµικότητα σε σχέση µε τους κλασσικούς εξατµιστήρες. 4.7 Θέµατα Ασφαλείας Το υγροποιηµένο φυσικό αέριο µπορεί να αντιµετωπισθεί ως µια δηµιουργία της σύγχρονης εποχής, και υπό αυτήν τη µορφή, έχει υποβληθεί σε πιο λεπτοµερή διερεύνηση από τα παραδοσιακά καύσιµα όπως η βενζίνη και το πετρέλαιο. Οι κίνδυνοι που συνδέονται µε το LNG είναι ότι είναι ένα ρευστό χαµηλής θερµοκρασίας, είναι εύφλεκτο, και µπορεί να δηµιουργήσει νέφη ατµών αρκετά πυκνά που να προκαλέσουν ασφυξία. Επειδή κανένα από αυτά δεν είναι πρόβληµα όταν το LNG περιέχεται σε κατάλληλα σχεδιασµένες δεξαµενές αποθήκευσης ή σωληνώσεις και εξοπλισµό, οι µελέτες ασφάλειας έχουν εστιάσει γενικά στις διαρροές LNG. Στις εγκαταστάσεις LNG, υπάρχουν εκτενή συστήµατα ασφάλειας για να ανιχνεύσουν διαρροές αερίου, να ανιχνεύσουν και να αντιµετωπίσουν πυρκαγιές, και να ανιχνεύσουν καπνό. Πρόληψη και συγκράτηση διαρροών είµαι αυτονόητη κατά το σχεδιασµό εγκαταστάσεων, ιδιαίτερα δεξαµενών αποθήκευσης επειδή αυτές περιέχουν τη µεγαλύτερη ποσότητα LNG. Εάν µια διαρροή LNG αναφλεγεί σύντοµα αφότου εµφανιστεί, εµφανίζεται φωτιά δεξαµενής. Αυτή η πυρκαγιά είναι βεβαίως ένα πρόβληµα, αλλά εγκλωβίζεται σε µια εγκατάσταση επανδρωµένη και εξοπλισµένη να αντιµετωπίσει τέτοιες έκτακτες ανάγκες. Μια µεγαλύτερη ανησυχία είναι ότι στην ίδια διαρροή µπορεί να δοθεί αρκετός χρόνος ώστε να εξατµιστεί και να διαµορφώσει ένα νέφος ατµών που µπορεί να µεταφερθεί σε κάποια απόσταση πριν την ανάφλεξη. ιάφορες µεταβλητές όπως η φύση της επιφάνειας κάτω από η διαρροή, η ταχύτητα αέρα, και η παρουσία εµποδίων στην νέφος συµβάλλουν στη µορφή και την κατεύθυνσή του. Μηχανικά, το σύννεφο σχηµατίζεται καθώς το LNG βράζει πάνω από την επιφάνεια της διαρροής. Οι προκύπτοντες ατµοί είναι πολύ πιο κρύοι από τον αέρα και διαµορφώνουν αρχικά ένα πυκνό, νέφος που παραµένει σε χαµηλό ύψος. εδοµένου ότι το νέφος αναµιγνύεται µε τον αέρα και θερµαίνεται από το περιβάλλον του, αρχίζει να ανυψώνεται. Ο αέρας χρησιµεύει στο να προσθέσει την οριζόντια συνιστώσα στην κίνηση του νέφους. εδοµένου ότι ο αέρας αναµιγνύεται µε το φυσικό αέριο, το µίγµα γίνεται εύφλεκτο (δηλαδή, η σύσταση τοπικά είναι µεταξύ του άνω και του κάτω ορίου αναφλεξιµότητας του LNG). Τα όρια αναφλεξιµότητας ποικίλλουν µε τη σύσταση του LNG, ιδιαίτερα µε το ποσοστό του προπανίου. Αυτό το νέφος είναι έπειτα ενδεχοµένως επικίνδυνο σε περιοχές πέρα από τα όρια των εγκαταστάσεων LNG. ιάφορες δοκιµές µεγάλης κλίµακας έχουν καταδείξει ορισµένα χαρακτηριστικά των πυρκαγιών νεφών ατµών LNG. Αυτές οι πυρκαγιές είναι πολύ γρήγορες καύσεις στις οποίες το µέτωπο φλόγας που κινείται µέσω του νέφους προηγείται ενός αδύνατου, αποζευγµένου ωστικού κύµατος. Υπάρχει ένας συνοδευτικός κίνδυνος ακτινοβολίας, αλλά όχι η πιεστική δύναµη ενός ωστικού κύµατος που εµφανίζεται όταν εκτονώνονται µίγµατα άλλων υδρογονανθράκων µε αέρα

12 Δ. Καρώνης, Ε. Λόης, Φ. Ζαννίκος Τεχνολογία Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου Κεφάλαιο 5 Μεταφορά, Αποθήκευση, και ιανοµή 5.1 Εισαγωγή Περισσότερο από 50% των παγκοσµίων αποθεµάτων αερίου βρίσκονται σε αποµακρυσµένες περιοχές. Παραδείγµατος χάριν, το µεγαλύτερο µέρος του αερίου που χρησιµοποιείται στη υτική Ευρώπη παράγεται στο σκληρό περιβάλλον της Σιβηρίας ή στη Βόρεια Θάλασσα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι παραγωγοί αποστέλλουν το αέριο από τα πεδία παραγωγής ως τα σύνορα των χωρών στις οποίες χρησιµοποιείται. Οι εισαγωγείς αγοράζουν το αέριο σε αυτά τα σηµεία στο πλαίσιο µακροχρόνιων συµβάσεων και µεταπωλούν το καύσιµο στις τοπικές εταιρίες διανοµής καθώς επίσης και σε βιοµηχανικούς χρήστες και σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που συνδέονται άµεσα µε το σύστηµα διανοµής. Οι οικιακοί και εµπορικοί καταναλωτές εξυπηρετούνται κανονικά από τις τοπικές επιχειρήσεις διανοµής. Το ευρωπαϊκό σύστηµα µεταφοράς φυσικού αερίου φαίνεται στο Σχήµα 5.1. ιασυνδεδεµένοι Αγωγοί στο Ευρωπαϊκό Σύστηµα Υφιστάµενοι Υπό κατασκευή, µελέτη, ή σχεδιασµό Άλλοι Αγωγοί Υφιστάµενοι Υπό κατασκευή, µελέτη, ή σχεδιασµό Κοιτάσµατα Φυσικού Αερίου Τερµατικοί Σταθµοί Παραλαβής LNG Υφιστάµενοι Υπό κατασκευή, ή σχεδιασµό Σχήµα 5.1 Ευρωπαϊκό σύστηµα µεταφοράς και διανοµής φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο χρησιµοποιείται κυρίως για θέρµανση. Εποµένως, η ζήτηση φυσικού αερίου διαφοροποιείται ουσιαστικά µεταξύ χειµώνα και καλοκαιριού, εργάσιµων µερών και Σαββατοκύριακων, ή ηµέρας και νύχτας. Η αναλογία µεταξύ των φορτίων καλοκαιριού και χειµώνα στην Ευρώπη είναι µεταξύ 1: 5 και 1: 10. Η παραγωγή, η µεταφορά, η αποθήκευση, και οι εγκαταστάσεις διανοµής πρέπει να είναι σχεδιασµένες και κατασκευασµένες ώστε να µπορούν χειριστούν αυτές τις µεταβολές φορτίων

13 Από το αέριο που κυκλοφορεί στο εµπόριο στα διεθνή σύνορα, το 75% µεταφέρεται µε αγωγούς, και το 25% µε δεξαµενόπλοια LNG. Η ανάπτυξη πεδίων αερίου και η κατασκευή των συστηµάτων µεταφορά από τα αποµακρυσµένα πεδία παραγωγής στις χώρες εισαγωγείς φυσικού αερίου είναι έργα ιδιαίτερα υψηλής έντασης κεφαλαίου. Κατά συνέπεια, οι παράγοντες φόρτισης µε τους οποίους εισάγεται το αέριο είναι σχεδόν πάντα πολύ υψηλοί. Για την εξίσωση των φορτίων, το αέριο αποθηκεύεται σε υπόγειες εγκαταστάσεις αποθήκευσης κατά τη διάρκεια των εκτός ωρών αιχµής εποχών και µεταφέρεται από την αποθήκευση κατά τη διάρκεια των περιόδων µέγιστης ζήτησης το χειµώνα. Η συµπίεση των ίδιων των αγωγών στα συστήµατα µεταφοράς και διανοµής, καθώς επίσης και οι εγκαταστάσεις κάλυψης αναγκών αιχµής, βοηθούν επίσης στο χειρισµό των αυξοµειώσεων των φορτίων. 5.2 Μεταφορά Αγωγοί Μεταφοράς Η µεταφορά µεγάλων όγκων αερίου επιτυγχάνεται καλύτερα µε µεγάλης διαµέτρου αγωγούς που λειτουργούν σε υψηλή πίεση. Οι αγωγοί µπορεί να είναι διαµέτρου έως 1400 mm και πίεσης λειτουργίας µέχρι 8 MPa. Τέτοιοι αγωγοί µεταφέρουν αέριο σε παροχές έως m 3 /h (ΚΣ) σε αποστάσεις περίπου 1000 km. Όµως, αυτή η δυναµικότητα είναι ανεπαρκής, για να στείλει το αέριο από τα αποµακρυσµένα πεδία στις αγορές. Πρέπει εποµένως να κατασκευαστούν σταθµοί ανασυµπίεσης για να αυξήσουν την πίεση του αερίου στον αγωγό. Οι συµπιεστές αερίου κινούνται από στροβίλους ή κινητήρες που τροφοδοτούνται µε καύσιµο από το αέριο των αγωγών για µεγαλύτερη αξιοπιστία και χαµηλότερο κόστος. Ο αριθµός συµπιεστών που απαιτείται για µια δεδοµένη δυναµικότητα µεταφοράς εξαρτάται από την απόσταση στην οποία πρέπει να σταλεί το αέριο και τη σχέση συµπίεσης, η οποία δίνεται από po π = (1) pi όπου p o η µέγιστη πίεση εξόδου του συµπιεστή (bar) και p i η ελάχιστη πίεση εισόδου του συµπιεστή (bar). Καθώς αυξάνει η σχέση συµπίεσης, µειώνεται ο αριθµός των απαιτούµενων συµπιεστών για τη λειτουργία του αγωγού. Ως εκ τούτου, οι µηχανικοί σχεδιασµού συστηµάτων µεταφοράς πρέπει να επιδιώξουν να βελτιστοποιήσουν το κόστος επένδυσης και τα επακόλουθα έξοδα λειτουργίας του αγωγού και των σταθµών συµπίεσης. Για αγωγούς µεγάλης διαµέτρου, η βέλτιστη αναλογία συµπίεσης είναι γενικά σχετικά χαµηλή είναι µεταξύ π = 1,25 και π = 1,4. Οι υποθαλάσσιοι αγωγοί της Βόρειας Θάλασσας προς την ηπειρωτική Ευρώπη κατασκευάζονται µε διαµέτρους αγωγών µέχρι 1000 mm που τοποθετούνται σε ένα βάθος 150 m. Η Ιταλία και η βόρεια Αφρική συνδέονται µε αγωγούς 500 mm σε θαλάσσια βάθη 600 m. Οι πολύ υψηλές πιέσεις λειτουργίας στις οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν οι υποθαλάσσιοι αγωγοί αντισταθµίζουν εν µέρει την απώλεια δυναµικότητας λόγω των µικρότερων διαµέτρων. Εάν είναι απαραίτητο, τοποθετούνται συστοιχίες αγωγών. Οι υποθαλάσσιοι σταθµοί συµπίεσης είναι εξαιρετικά δαπανηρές εγκαταστάσεις επειδή πρέπει να κατασκευαστούν σε εξέδρες. Για αυτόν τον λόγο, η βέλτιστη σχέση συµπίεσης των υποθαλάσσιων αγωγών είναι υψηλότερη από αυτή των χερσαίων αγωγών. Ανάλογα µε τη ροή, µπορεί να είναι φτάνει την τιµή π =

14 5.2.2 Μεταφορά LNG Αν και η απαιτούµενη ενέργεια για την υγροποίηση του φυσικού αερίου είναι ουσιαστική, το πλεονέκτηµα του όγκου καθιστά οικονοµικά βιώσιµη την υγροποίηση. Το κρυογενικό LNG µεταφέρεται µε δεξαµενόπλοια LNG σε ατµοσφαιρική πίεση. Οι δεξαµενές είναι µονωµένες για να ελαχιστοποιήσουν την εξάτµιση. Εντούτοις, το ποσοστό εξάτµισης είναι µεταξύ 0,2 και 0,25% του φορτίου ανά ηµέρα. Το αέριο που εξατµίζεται χρησιµοποιείται για να τροφοδοτήσει µε καύσιµο τους κινητήρες του πλοίου. Η επανυγροποίηση δεν είναι προς το παρόν βιώσιµη. Η µεταφορά LNG είναι συχνά ο µόνος τρόπος µεταφοράς φυσικού αερίου από αποµακρυσµένα πεδία παραγωγής στις χώρες κατανάλωσης. Οποιαδήποτε σύγκριση κόστους µεταξύ µεταφοράς LNG και µεταφοράς µέσω αγωγών πρέπει, φυσικά, να συνδεθεί µε τις απαιτήσεις του έργου. Γενικά, µια εγκατάσταση LNG είναι η µόνη απάντηση εάν η µεταφορά µε αγωγό δεν είναι εφικτή για τεχνικούς ή άλλους λόγους ή εάν η απόσταση είναι αρκετά µεγάλη. Το κόστος της µεταφοράς LNG είναι χαµηλότερο από αυτό των υποθαλάσσιων αγωγών µεταφοράς ακόµη και για αποστάσεις αρκετών εκατοντάδων χιλιοµέτρων, ενώ η µεταφορά µε χερσαίους αγωγούς είναι σχεδόν πάντα φθηνότερη από τη µεταφορά LNG εκτός αν η απόσταση είναι εξαιρετικά µεγάλη. Μια σύγκριση του κόστους µεταφοράς LNG και της µεταφοράς µέσω αγωγών δίνεται στο Σχήµα Σχετικό Κόστος Μεταφοράς a c b Σχήµα Απόσταση Μεταφοράς (km) Κόστος µεταφοράς LNG και κόστος µεταφοράς µε αγωγούς συναρτήσει της απόστασης µεταφοράς a) Υποθαλάσσιος αγωγός (διαµέτρου 900 mm), b) Μεταφορά LNG µε υγροποίηση επί εδάφους ( m 3 ), c) Χερσαίος αγωγός (διαµέτρου 1000 mm) Σχεδιασµός Αγωγών Μεταφοράς Αερίου Οι σωληνώσεις για τη µεταφορά αερίου πρέπει να σχεδιαστούν έτσι ώστε, υπό συνθήκες µέγιστου φορτίου, το αέριο να µπορεί να ρεύσει από το σηµείο της παράδοσης στην είσοδο του συστήµατος ως την έξοδο του συστήµατος σε µια πίεση µεταξύ της µέγιστης και της ελάχιστης επιτρεπόµενης πίεσης λειτουργίας. Γενικά, η

15 δυναµικότητα των αγωγών είναι κάπως χαµηλότερη το καλοκαίρι απ' ό,τι το χειµώνα λόγω του ακόλουθου λόγου: Η ατµοσφαιρική θερµοκρασία αυξάνει τη θερµοκρασία του εδάφους και ως εκ τούτου τη θερµοκρασία του αερίου, και η παραγωγή ισχύος από το συµπιεστή µειώνεται λόγω της υψηλότερης θερµοκρασίας του αέρα εισαγωγής. Σύµφωνα µε τους Darcy και Weisbach, η πτώση πίεσης σε έναν αγωγό µεταφοράς αερίου δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση: l 2 T p1 p2 = f ρ 2 5 n qn pn K (2) π d Tn όπου p 1 και p 2 οι απόλυτες πιέσεις (Pa), p n η πίεση σε κανονικές συνθήκες, Pa, p1 p2 αναπαριστά την πτώση πίεσης (Pa 2 ), T η απόλυτη θερµοκρασία (K), T n η θερµοκρασία σε κανονικές συνθήκες, K, ρ n η πυκνότητα του αερίου σε κανονικές συνθήκες (kg/m 3 ), f ο συντελεστής τριβής του αγωγού, q n ο ρυθµός ροής σε κανονικές συνθήκες (m 3 /s), l το µήκος του αγωγού (m), d η διάµετρος του αγωγού (m), K ο συντελεστής απόκλισης ροής, ο δείκτης 1 δηλώνει την είσοδο και ο δείκτης 2 την έξοδο του αγωγού. Η εξίσωση (2) µετασχηµατίζεται συνήθως στην ακόλουθη εξίσωση στην οποία η πίεση εκφράζεται σε bar και ο ρυθµός ροής σε m 3 /h: l 2 p p = f ρ Q T K (3) n n d όπου Q n ο ωριαίος ρυθµός ροής σε κανονικές συνθήκες (m 3 /h), p 1 η απόλυτη πίεση στην είσοδο του αγωγού (bar) και p 2 η απόλυτη πίεση στην έξοδο του αγωγού (bar). Η εξίσωση (3) µπορεί να ξαναγραφεί χρησιµοποιώντας τους ακόλουθους όρους: όπου p p = K c Q (4) n 15 l c= f ρ 5 n T (5) d c (bar 2 h 2 /m 6 ) Σύµφωνα µε τον Nikuradse, ο συντελεστής τριβής f για τυρβώδη ροή για αγωγούς τραχείας επιφάνειας δίνεται από: 1 f = (6) d 2 2 log ) k Σύµφωνα µε την εξίσωση Colebrook, ισχύει η ακόλουθη σχέση για το συντελεστή τριβής για τη µεταβατική περιοχή µεταξύ οµαλής και τραχείας επιφάνειας αγωγών: k = 2log + (7) f Re f 3.71 d όπου k ο συντελεστής τραχύτητας επιφανείας. Το όριο µεταξύ υδραυλικής τραχύτητας και µεταβατικής περιοχής δίνεται από: d f1 = (8) Re k όπου ο αριθµός Reynolds, Re, υπολογίζεται από τη σχέση: 2 n n Re Q = ρ (9) d η όπου η το δυναµικό ιξώδες του ρευστού (10 6 Pa s). Εάν ο συντελεστής τριβής είναι f l, τότε η ροή βρίσκεται στη µεταβατική περιοχή

16 Για το σχεδιασµό νέων ευθύγραµµων αγωγών µεγάλης διαµέτρου σωληνώσεων, ο συντελεστής τραχύτητας αγωγών Κ (σε mm) χρησιµοποιούνται οι εξής τιµές στους υπολογισµούς ροής: Τυρβώδης περιοχή (Nikuradse) mm Μεταβατική περιοχή (Colebrook) mm Ο συντελεστής απόκλισης ροής αερίου Κ που περιγράφει τη συµπεριφορά πραγµατικού αερίου των φυσικών αερίων είναι ένας άλλος σηµαντικός όρος στις εξισώσεις ροής. Για τα περισσότερα φυσικά αέρια, ο συντελεστής Κ µπορεί να προσεγγιστεί από K = K( pm, Tm) p1 p (10) 2 pm = p p Αύξηση υναµικότητας Εάν πρέπει να αυξηθεί η δυναµικότητα ενός υφιστάµενου αγωγού, (1) µπορούν να εγκατασταθούν νέοι σταθµοί συµπίεσης ή (2) τµήµατα του αγωγού να ενωθούν σε βρόγχους. Εγκατάσταση Νέων Σταθµών Συµπίεσης. Η αύξηση στη δυναµικότητα που µπορεί να επιτευχθεί από την εγκατάσταση σταθµών συµπίεσης δίνεται από Q n n 1 100% Q = + (11) 0 όπου Q n η δυναµικότητα του συστήµατος µε τους σταθµούς συµπίεσης (m 3 /h), Q 0 η δυναµικότητα χωρίς τους σταθµούς συµπίεσης (m 3 /h) και n ο αριθµός των σταθµών συµπίεσης. Για να µεγιστοποιηθεί η αύξηση στην ικανότητα µεταφοράς που επιτυγχάνεται από την εγκατάσταση των σταθµών συµπίεσης, πρέπει να βελτιστοποιηθούν οι θέσης εγκατάστασης των σταθµών συµπίεσης. Η βέλτιστη περιοχή εξαρτάται από εάν η ροή είναι σταθερή σε όλο το σύστηµα αγωγών, ή ποικίλλει λόγω παροχετεύσεων µεταξύ της εισόδου και της εξόδου του συστήµατος (Πίνακας 5.1). Πίνακας 5.1 Βέλτιστες θέσεις σταθµών συµπίεσης Αριθµός Θέση, % του Συνολικού Μήκους Σταθµών Συµπίεσης Αγωγός χωρίς Παροχετεύσεις Αγωγός µε Παροχετεύσεις Μέγιστη υναµικότητα Μεταφοράς, % / / / 50 / 75 9 / 21 / / 40 / 60 / 80 7 / 16 / 26 / Ένωση Τµηµάτων σε Βρόγχους. Η αύξηση της δυναµικότητας λόγω της εγκατάστασης σταθµών συµπίεσης αυξάνει το κόστος των συστηµάτων σταδιακά. Για αυτόν τον λόγο, η πρόσθετη ισχύς των συµπιεστών δεν είναι µια οικονοµικά αποδοτική µέθοδος αύξησης της δυναµικότητας για όλες τις απαιτήσεις πρόσθετης παροχής. Εναλλακτικά, τµήµατα των αγωγών µπορούν να ενωθούν σε βρόγχους για να επιτευχθεί ακριβώς η πρόσθετη δυναµικότητα που απαιτείται. Η αύξηση στη δυναµικότητα που επιτυγχάνεται από έναν αγωγό µε βρόγχους της ίδιας διαµέτρου

17 όπως ο κύριος αγωγός δίνεται από τον ακόλουθο τύπο (εάν δεν υπάρχει παραλαβή αερίου µεταξύ της εισόδου και της εξόδου του συστήµατος αγωγών): Q L 1 = 100% (12) Q0 3 L 1 4 L1 όπου Q L η δυναµικότητα µετά από την προσθήκη µιας γραµµής βρόγχου µήκους L 1 (m 3 /h), Q 0 είναι η δυναµικότητα χωρίς βρόγχους (m 3 /h), L είναι το µήκος του αγωγού µεταξύ της εισόδου και της εξόδου (m) και L 1 το µήκος της γραµµής βρόγχων (m). Το µήκος της γραµµής βρόχων που απαιτείται για να παρέχει µια συγκεκριµένη πρόσθετη δυναµικότητα εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από εάν το αποµακρύνεται ή όχι αέριο από το σύστηµα αγωγών µεταξύ των σηµείων εισόδου και εξόδου. Η αύξηση στη δυναµικότητα ως συνάρτηση του µήκους γραµµής βρόγχων φαίνεται στο Σχήµα 5.3. Εάν υποτεθεί µια γραµµή βρόγχων της ίδιας διαµέτρου, το 75% του κύριου αγωγού πρέπει να συνδεθεί σε βρόγχο για να αυξήσει τη δυναµικότητα κατά 50% εάν όλο το αέριο ρέει από την είσοδο έως την έξοδο του συστήµατος µεταφοράς. Εάν αφαιρείται τακτικά αέριο µεταξύ της εισόδου και της εξόδου (όπως στην περίπτωση µιας περιφερειακής γραµµής), πρέπει να συνδεθεί σε βρόγχο µόνο το 40% του αρχικού αγωγού. 100 Σχετικό Μήκος Βρόγχου (%) a b Σχήµα υναµικότητα Μεταφοράς (%) Αύξηση της δυναµικότητας µεταφοράς συναρτήσει του µήκους βρόγχου a) Αγωγός χωρίς ενδιάµεση παροχή, b) Αγωγός µε ενδιάµεση παροχή Μεταβατική Ροή σε Συστήµατα Μεταφοράς Ο ρυθµός ροής και η πίεση στους αγωγούς είναι συνάρτηση όχι µόνο της απόστασης αλλά και του χρόνου. Εποµένως, η επίδραση φαινοµένων συσσώρευσης είναι σηµαντική. Η προσοµοίωση της µεταβατικής ροής, φυσικά, παράγει διαφορετικά αποτελέσµατα από την προσοµοίωση µόνιµης κατάστασης. Σε ένα τυπικό σύστηµα αερίου, παραδείγµατος χάριν, µια ώρα µέγιστης ζήτησης προηγείται συνήθως από µια φάση χαµηλής ζήτησης. εδοµένου ότι η πίεση αυξάνεται όταν η ζήτηση είναι χαµηλή, ένας µεγάλος όγκος αερίου συσσωρεύεται στον αγωγό όταν η ζήτηση είναι

18 χαµηλή. Κατά τη διάρκεια της περιόδου µέγιστων παραδόσεων φορτίων, η πίεση στον αγωγό µειώνεται λόγω της πτώσης πίεσης ως αποτέλεσµα της υψηλότερης ταχύτητας ροής αερίου µέσω του αγωγού. Μέρος του αερίου που συσσωρεύεται στον Αγωγό εποµένως απελευθερώνεται από το σύστηµα, καλύπτοντας ανάγκες της µέγιστης ζήτηση. A Παροχή (10 3 m 3 /h) Q 2 Q 1 = σταθερή Χρόνος (h) Πίεση (bar) p 1 p Χρόνος (h) B Παροχή (10 3 m 3 /h) Q 2 Q Χρόνος (h) Σχήµα 5.4 Πίεση (bar) p 1 = σταθερή p Χρόνος (h) Μεταβατική ροή σε συστήµατα µεταφοράς αερίου A) Σταθερή ροή στην είσοδο του αγωγού, B) Σταθερή πίεση στην είσοδο του αγωγού Το Σχήµα 5.4 παρουσιάζει τις ροές µέσω ενός συστήµατος αγωγών στο οποίο το αέριο παραδίδεται στη θέση 1 και από το οποίο το αέριο εξέρχεται από τη θέση 2 σε συνθήκες διαφορετικού φορτίου. Εάν ο ρυθµός ροής στην είσοδο (θέση 1) είναι σταθερή (Σχήµα 5.4Α), οι πιέσεις εισόδου και εξόδου θα διαφέρουν αρκετά και η συσσώρευση στον αγωγό θα συµβάλει ουσιαστικά στην κάλυψη των φορτίων αιχµής. εδοµένου ότι το αέριο κανονικά παραδίδεται σε ένα σύστηµα αγωγών µε συνεχή ροή, ο αγωγός θα αναπληρώνεται κατά τη διάρκεια των περιόδων χαµηλής ζήτησης, παραδείγµατος χάριν, κατά τη διάρκεια της νύχτας. Εάν η παράδοση στο σύστηµα

19 του αγωγού γίνεται σε σταθερή πίεση (Σχήµα 5.4Β), Η ροή παράδοσης θα ποικίλει. Εντούτοις, η απόκριση στο σηµείο όπου παραλαµβάνεται το αέριο στο σύστηµα αγωγών υστερεί πάντα σε σχέση µε τη συµπεριφορά του συστήµατος στο σηµείο όπου το αέριο παραδίδεται από το σύστηµα. Για αυτόν τον λόγο, η παράδοση στο σύστηµα και η παράδοση από το σύστηµα δεν συµπίπτουν ποτέ ακριβώς. 5.3 Αποθήκευση Οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης αερίου είναι ενσωµατωµένες στο σύστηµα αγωγών για να ανταποκριθούν στους υψηλούς συντελεστές φορτίων µε τους οποίους το αέριο παράγεται και παραδίδεται από τους προµηθευτές στις απαιτήσεις των τελικών χρηστών, το οποίο ποικίλλει µεταξύ χειµώνα και καλοκαιριού, κατά τη διάρκεια της εβδοµάδας, και από ώρα σε ώρα Προσδιορισµός των Απαιτήσεων Αποθήκευσης Η ζήτηση φυσικού αερίου επηρεάζεται από πολλές διαφορετικές φυσικές και οικονοµικές παραµέτρους. Επειδή οι µεγαλύτερες ποσότητες αερίου χρησιµοποιούνται για τη θέρµανση χώρων, η θερµοκρασία περιβάλλοντος είναι η κρισιµότερη. Οι τυπικές µέσες καθηµερινές παραδόσεις Q d i στη βορειοδυτική Ευρώπη ως συνάρτηση της θερµοκρασίας παρουσιάζονται στο Σχήµα 5.5. Η ζήτηση φυσικού αερίου αυξάνεται ως γραµµική συνάρτηση της µείωσης θερµοκρασίας και είναι σταθερή επάνω από ένα ορισµένο όριο θερµοκρασίας. Ο συσχετισµός αντιπροσωπεύεται από την ακόλουθη εξίσωση: Q = Q + m ( t t ) (13) di dg 1 i όπου Q d i η ηµερήσια απαίτηση σε αέριο στη µέση ηµερήσια θερµοκρασία t i (kw h/d), Q d g η µέση ηµερήσια τιµή βάσης απαίτησης σε αέριο (kw h/d), t l η οριακή θερµοκρασία για θέρµανση χώρων ( C), t i η µέση ηµερήσια θερµοκρασία για δεδοµένη ηµέρα ( C) και m η αύξηση των παραδόσεων ανά C µείωση της θερµοκρασίας (kw h/d C). Η εξίσωση επιτρέπει επαρκείς προβλέψεις για τις ηµερήσιες παραδόσεις αερίου. Οι εγκαταστάσεις µεταφοράς, αποθήκευση και διανοµής πρέπει, φυσικά, να είναι διαστασιολογηµένες για το µέγιστο ηµερήσιο φορτίο σχεδιασµού του συστήµατος, που καθορίζεται από την εξίσωση (13). Ο λόγος µεταξύ της δυναµικότητας του συστήµατος που προσδιορίζονται για συνθήκες µέγιστης φόρτισης και της χρησιµοποιούµενης δυναµικότητας είναι ένας κρίσιµος παράγοντας εµπορικής και οικονοµικής σηµασίας. Ο χρόνος χρησιµοποίησης ή το φορτίο συστηµάτων εκφράζεται διαφορετικά σε διάφορες χώρες. Στην Κεντρική Ευρώπη, υιοθετείται συχνά η έννοια του χρόνου χρησιµοποίησης που εκφράζεται στις ετήσιες ώρες χρησιµοποίησης ή τις ετήσιες ηµέρες χρησιµοποίησης. Ο χρόνος χρησιµοποίησης δίνεται από τις εξισώσεις (14) και (15): Ώρες χρησιµοποίησης ανά έτος Ετήσιος όγκος αερίου Ωριαίος όγκος αιχµής Ετήσιος όγκος αερίου Ώρες χρησιµοποίσης ανά έτος = (14) Ωριαίος όγκος αιχµής Ετήσιος όγκος αερίου Ηµέρες χρησιµοποίσης ανά έτος = (15) Ηµερήσιος όγκος αιχµής Στις Ηνωµένες Πολιτείες και τη Μεγάλη Βρετανία υπολογίζεται µε την ίδια σχέση ο συντελεστής φορτίου. Σχετίζει τις ποσότητες που δίνονται στις σχέσεις (14) και (15) ως εξής:

20 Ετήσιος όγκος Συντελεστή ς φορτίου = 8760 Ωριαία ροή αιχµής Ετήσιες ώρες χρησιµοποίησης Συντελεστή ς φορτίου = (16) Ηµερήσια Απαίτηση Q d (kw h/d) m 10 Q dg Σχήµα Θερµοκρασία ( C) Μέσες ηµερήσιες παραδόσεις αερίου συναρτήσει της θερµοκρασίας 10 m (κλίση) = αύξηση στις παραδόσεις ανά βαθµό µείωσης θερµοκρασίας Ανεξάρτητα από το πραγµατικό φορτίο του συστήµατος, η µεταφορά η αποθήκευση, και οι εγκαταστάσεις διανοµής πρέπει να σχεδιαστούν για επαρκείς προµήθειες αερίου ανεξάρτητα από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος ή άλλες συνθήκες. Όσον αφορά τις εγκαταστάσεις αποθήκευσης, οι παραδόσεις αερίου από την αποθήκευση πρέπει πάντα να είναι επαρκείς για να ικανοποιήσουν οποιαδήποτε ζήτηση σε περίσσεια των δυνατοτήτων του συστήµατος µεταφοράς. Ο όγκος του αερίου που αποθηκεύεται πρέπει να είναι επαρκής να διατηρήσει αυτήν την παράδοση καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου για την οποία η απαίτηση υπερβαίνει τη δυνατότητα του συστήµατος µεταφοράς. Έτσι, η απαραίτητη δυναµικότητα αποθήκευσης καθορίζεται από τη διαφορά µεταξύ της δυναµικότητας σχεδιασµού τροφοδοσίας και των απαιτήσεων παραδόσεων, καθώς επίσης και από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια της περιόδου στην οποία ο ανεφοδιασµός είναι χαµηλότερος από τη ζήτηση. Ο όγκος του αερίου που απαιτείται για να ικανοποιήσει τη µέγιστη ζήτηση πρέπει να αποθηκευτεί από το πλεόνασµα των πεδίων τροφοδοσίας τοµέων κατά τη

21 διάρκεια περιόδων και ωρών εκτός αιχµής. Μια τυπική ηµερήσια καµπύλη φορτίων για περίοδο ενός έτους (για τη βορειοδυτική Ευρώπη) παρουσιάζεται στο Σχήµα 5.6. Ηµερήσια Κατανάλωση Παραλαβή από Αποθήκευση Προσθήκη στην Αποθήκευση Σχήµα Μήνας Ηµερήσια καµπύλη φορτίων που παρουσιάζει το αέριο που παραδόθηκε από την αποθήκευση και το αέριο που προστέθηκε στην αποθήκευση Συστήµατα Αποθήκευσης Η βιοµηχανία αερίου χρησιµοποιεί διάφορα συστήµατα για την αποθήκευση αερίου κατά τη διάρκεια περιόδων εκτός ωρών αιχµής και για να παραδώσουν το αέριο από την αποθήκευση για την εξυπηρέτηση αναγκών αιχµής. Χρησιµοποιούνται διαφορετικά συστήµατα για την εξυπηρέτηση διαφορετικών αναγκών αιχµής (Πίνακας 5.2). Η αποθήκευση αερίου σε δεξαµενές χαµηλής πίεσης έχει µειωθεί ουσιαστικά, επειδή η ποσότητα αερίου που αποθηκεύεται σε µια τέτοια εγκατάσταση είναι ανεπαρκής. Πίνακας 5.2 Καταλληλότητα των διάφορων συστηµάτων αποθήκευσης για διαφορετικές ανάγκες αιχµής Αιχµές Ζήτησης ιαχειριστής Ηµερήσια Εβδοµαδιαία Εποχιακή συστήµατος εξαµενές χαµηλής Τοπικές εταιρίες πίεσης διανοµής εξαµενές υψηλής πίεσης Συσσώρευση στον Περιφερειακές εταιρίες Περιορισµένη αγωγό µεταφοράς Σπήλαια, Υπερτοπικές εταιρίες Περιορισµένη κοιτάσµατα µεταφοράς Συστοιχίες αγωγών αποθήκευσης ή σφαιρικές δεξαµενές αερίου στις οποίες το αέριο

22 αποθηκεύεται σε υψηλή πίεση παρέχουν κάλυψη αναγκών αιχµής για ηµερήσιες διακυµάνσεις και τις σύντοµης διάρκειας αιχµές µέσα σε µια εβδοµάδα. Οι σφαιρικές δεξαµενές αερίου λειτουργούν µεταξύ 0,6 και 1,6 MPa και µπορούν να έχουν διάµετρο ως 30 m. Αγωγοί που χρησιµοποιούνται για αποθήκευση µπορούν να αποθηκεύσουν αέριο σε πίεση ως 8 MPa. Η συσσώρευση αερίου µέσα σε αγωγούς σε υψηλή πίεση, είναι µέθοδος για κάλυψη ηµερησίων αιχµών. Για συσσώρευση σε αγωγό, ο αγωγός πρέπει να έχει µεγάλη διάµετρο και πρέπει να σχεδιαστεί για την υψηλή πίεση εργασίας. Η συσσώρευση σε αγωγούς είναι εφικτή µόνο εάν είναι διαθέσιµη στο σύστηµα τουλάχιστον προσωρινή επιπλέον δυναµικότητα. Κανονικά, ο µηχανικός που σχεδιάζει συστήµατα µεταφοράς υπολογίζει µια δυναµικότητα συσσώρευσης περίπου οκτώ φορές τη διαφορά µεταξύ της ωριαίας ροής παραδόσεων και της ωριαίας τροφοδοσίας αιχµής στο σύστηµα. Αυτή η δυναµικότητα αντιστοιχεί σε περίπου σε 6 7% της ηµερήσιας τροφοδοσίας. Οποιεσδήποτε απαίτησης αιχµές που δεν προβλέπονται σε περιφερειακό ή τοπικό επίπεδο πρέπει να αντιµετωπιστούν σε υπερτοπικό επίπεδο. Οι ποσότητες αερίου που πρέπει να αποθηκευτούν για κάλυψη εποχιακών αναγκών αιχµής είναι σηµαντικές, και ουσιαστικά το µόνο σύστηµα που µπορεί δεχτεί αυτούς τους αρκετά µεγάλους όγκους αερίου είναι οι µεγάλες υπόγειες εγκαταστάσεις αποθήκευσης. Το Σχήµα 5.7 παρουσιάζει τη δυναµικότητα αποθήκευσης που πρέπει να δηµιουργηθεί για να διαχειριστεί τις εποχιακές αιχµές φορτίων θέρµανσης χώρου ως συνάρτηση του συντελεστή φορτίων ανεφοδιασµού. 40 Σχετική υναµικότητα Αποθήκευσης (%) Αποθήκευση Κάλυψης Ηµερησίων Αιχµών Αποθήκευση Κάλυψης Εβδοµαδιαίων Αιχµών Αποθήκευση Κάλυψης Εποχιακών Αιχµών Σχήµα Χρόνος Χρήσης (h/y) Απαιτούµενη αποθηκευτική δυναµικότητα για κάλυψη εποχιακών αναγκών αιχµής συναρτήσει του σχήµατος τροφοδοσίας Το αέριο αποθηκεύεται κάτω από το έδαφος σε κατάλληλους βραχώδεις σχηµατισµούς (Σχήµα 5.8). Οι κατάλληλοι σχηµατισµοί για την υπόγεια αποθήκευση αερίου περιλαµβάνουν πορώδη ή σχισµατοειδή πετρώµατα καθώς επίσης και τα σπήλαια που δηµιουργούνται κατά την εξόρυξη αλατιού για παράδειγµα. Αυτοί οι σχηµατισµοί πρέπει να καλυφθούν µε αδιαπέραστα στρώµατα για να αποτραπεί η διαφυγή του αερίου

23 Αποθήκευση σε πορώδες πέτρωµα Αποθήκευση σε κοιλότητα άλατος Νερό Αέριο Σχήµα 5.8 Αλατούχο Πέτρωµα Υπόγειες εγκαταστάσεις αποθήκευσης φυσικού αερίου Υπάρχουν οι ακόλουθοι τύποι υπόγειων εγκαταστάσεων αποθήκευσης: 1. εξαντληµένα πεδία αερίου, πετρελαιοπηγές, και εγκαταστάσεις αποθήκευσης σε υδροφόρα στρώµατα (αποθήκευση σε πορώδη πετρώµατα) 2. εγκαταστάσεις αποθήκευσης σε σπήλαια άλατος και 3. σπήλαια διανοιγµένα από εγκαταστάσεις εξόρυξης (µόνο δευτερεύουσας σηµασίας). Οι υπόγειες εγκαταστάσεις αποθήκευσης διατηρούν και το αέριο λειτουργίας και το αέριο µαξιλαριού. Το αέριο λειτουργίας είναι το αέριο που µπορεί να παραχθεί από την αποθήκευση για τις λειτουργίας κάλυψης αναγκών αιχµής. Το αέριο µαξιλαριού, που καλείται µερικές φορές και αέριο βάσης, είναι το αέριο που απαιτείται για να εξασφαλίσει ικανοποιητική πίεση αποθήκευσης για την ανάκτηση του αερίου λειτουργίας. Παρέχει την πίεση που απαιτείται για να ανακυκλώσει τον κανονικό όγκο αποθήκευσης αερίου λειτουργίας. Αποθήκευση σε Πορώδη Πετρώµατα. Το αέριο µπορεί να αποθηκευτεί κάτω από το έδαφος σε πορώδη πετρώµατα. Ο βράχος πρέπει να έχει ικανοποιητικό πορώδες και διαπερατότητα, και ο ορίζοντας αποθήκευσης (που πρέπει να βρίσκεται σε ικανοποιητικό βάθος) πρέπει να καλυφθεί µε συµπαγές στεγανοποιητικό και να είναι µια δοµή που παγιδεύει το αέριο που εγχέεται στο βράχο. Οι δοµές που χρησιµοποιούνται για αποθήκευση σε πορώδη πετρώµατα περιλαµβάνουν εξαντληµένα πεδία πετρελαίου και φυσικού αερίου καθώς επίσης και δοµές υδροφόρων στρωµάτων. Η ανάπτυξη µιας εγκατάστασης αποθήκευσης αερίου σε ένα εξαντληµένο πεδίο αερίου δε δηµιουργεί σηµαντικό κίνδυνο επειδή είναι διαθέσιµα τα στοιχεία όσον αφορά τις ιδιότητες του πετρώµατος και οι πληροφορίες για τη στεγανότητα του καλύµµατος. Η δυναµικότητα σε αέριο λειτουργίας, η µέγιστη πίεση αποθήκευσης, και τα ποσοστά παράδοσης ως συνάρτηση της πίεσης της δεξαµενής είναι γνωστές από το ιστορικό παραγωγής του κοιτάσµατος. Για αποθήκευση του αερίου σε εξαντληµένες πετρελαιοπηγές, απαιτούνται διαχωριστές πετρελαίου αερίου. Όµως η δευτερογενής παραγωγή πετρελαίου µε έγχυση αερίου κάνει συχνά τις εξαντληµένες πετρελαιοπηγές µια εµπορικά ελκυστική περιοχή αποθήκευσης