أنظمة الغاز الطبيعي المضغوط (CNG) هي تقنيات تستخدم لتخزين ونقل الغاز الطبيعي، وذلك في المقام الأول عن طريق ضغط الغاز لتقليل حجمه، مما يسهل تخزينه ونقله في حاويات عالية الضغط. ويستخدم الغاز الطبيعي المضغوط، كمصدر بديل للطاقة، على نطاق واسع في مجالات مثل وقود السيارات وإمدادات الطاقة.
1. المبادئ الأساسية والعملية:
يعتمد مبدأ عمل نظام الغاز الطبيعي المضغوط على ضغط الغاز و تخزين تحت ضغط عالي التكنولوجيا. الغاز الطبيعي هو غاز منخفض الكثافة، وفي ظل درجة الحرارة والضغط العاديين، يكون حجمه كبيرًا، مما يجعل نقله أو تخزينه أمرًا صعبًا. من خلال ضغط الغاز في وحدة ضغط إلى حوالي 200-250 مرة من الضغط الجوي العادي، يتم تقليل حجمه بشكل كبير، مما يجعله أكثر ملاءمة للتخزين والنقل.
تتضمن عملية الضغط بشكل أساسي الخطوات التالية:
- جمع الغاز الطبيعي: يتم جمع الغاز الطبيعي من حقول الغاز أو من مصادر أخرى، مثل شبكة أنابيب الغاز الحضرية.
- عملية الضغط: تُستخدم ضواغط عالية الكفاءة لضغط الغاز الطبيعي إلى حالة ضغط عالية، عادةً ما تكون 200-250 ضعف الضغط الجوي العادي. تشمل طرق الضغط الشائعة ضغط أحادي المرحلة و ضغط متعدد المراحل.
- التخزين والنقل: يتم تخزين الغاز الطبيعي المضغوط في أسطوانات غاز عالية الضغط مصممة خصيصًا، ويمكن استخدامها للنقل (على سبيل المثال، بواسطة شاحنات النقل) أو التوزيع (على سبيل المثال، في محطات التزود بالوقود). عادة ما تكون خزانات التخزين مصنوعة من الفولاذ أو المواد المركبة (مثل ألياف الكربون والمركبات المقواة بالألياف الزجاجية) لتحمل الضغوط العالية.
- إطلاق الغاز واستخدامه: عندما تكون هناك حاجة للغاز الطبيعي، يتم خفض الضغط تدريجيا إلى مستوى قابل للاستخدام من خلال صمامات تخفيض الضغط، مما يوفر الغاز لمحركات الاحتراق الداخلي أو الأجهزة الأخرى.
2. مكونات نظام الغاز الطبيعي المضغوط:
أ نظام الغاز الطبيعي المضغوط الكامل يتضمن عادة المكونات الرئيسية التالية:
2.1 محطات التزود بالوقود بالغاز الطبيعي المضغوط
محطات التزود بالوقود بالغاز الطبيعي المضغوط هي مكون رئيسي، مسؤول عن جمع الغاز الطبيعي من خطوط الأنابيب أو مصادر الغاز وضغطه باستخدام معدات الضغط إلى ضغط مناسب لتوزيعه على المستخدمين. يتضمن تكوين محطة التزود بالوقود ما يلي:
- خط أنابيب إمداد الغاز الطبيعي: يقوم بتوصيل الغاز الطبيعي من شبكة الغاز الرئيسية أو مصدر الغاز إلى محطة التزود بالوقود.
- ضاغط: تستخدم ضواغط من النوع المكبسي أو اللولبي لضغط الغاز إلى ضغط مرتفع. وتعتبر كفاءة الضواغط ومتانتها واستهلاكها للطاقة أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل الاقتصادي للمحطة.
- خزانات التخزين: يتم تخزين الغاز الطبيعي المضغوط في أوعية ذات ضغط مرتفع تتحمل ضغوطًا تتراوح بين 200 و250 بارًا (20-25 ميجا باسكال). ويجب أن تلبي خزانات التخزين معايير السلامة الصارمة مثل مقاومة الضغط العالي والأداء الزلزالي.
- معدات التزود بالوقود: تتكون من مسدسات التزود بالوقود وأنابيب وصمامات، وتوفر خدمات التزود بالوقود بشكل آمن وفعال. تتميز معدات التزود بالوقود عادةً بوظيفة إيقاف التشغيل التلقائي لمنع الإفراط في التعبئة.
2.2 أنظمة تزويد المركبات بالوقود
يتضمن نظام التزود بالوقود في مركبات الغاز الطبيعي المضغوط ما يلي:
- أسطوانات الغاز ذات الضغط العالي: حاويات التخزين المستخدمة في مركبات الغاز الطبيعي المضغوط لتخزين الغاز الطبيعي المضغوط. وعادة ما تكون هذه الأسطوانات مصنوعة من مواد مركبة (مثل البلاستيك المقوى بألياف الكربون)، وهي خفيفة الوزن وآمنة للغاية.
- منظمات الضغط والصمامات: عندما يتم إطلاق الغاز من أسطوانات التخزين في المركبات، يتم خفض الضغط بواسطة منظم إلى مستوى مناسب للمحرك.
- واجهة التزود بالوقود: الاتصال بين المركبة ومحطة التزود بالوقود، والذي يكون مجهزًا عادةً بنظام إرساء أوتوماتيكي لضمان عملية التزود بالوقود بشكل آمن وفعال.
2.3 معدات الضاغط
الضاغط هو الجهاز الأساسي الذي يضغط الغاز الطبيعي إلى ضغط مرتفع. يتم اختيار الضواغط عادةً بناءً على متطلبات الضغط لعملية الضغط. تشمل الأنواع الشائعة من الضواغط ما يلي:
- ضواغط المكبس: تقوم هذه الضواغط بضغط الغاز من خلال الحركة الترددية للمكابس، وهي مناسبة للتطبيقات ذات معدلات التدفق المنخفضة.
- ضواغط اللولب: تستخدم هذه الضواغط برغيين متداخلين لضغط الغاز، وهي مناسبة للتطبيقات متوسطة إلى عالية التدفق وعالية الكفاءة.
- ضواغط الطرد المركزي: تُستخدم ضواغط الطرد المركزي بشكل أساسي في محطات ضغط الغاز الطبيعي الكبيرة، وهي فعالة للغاية ومناسبة لضغط الغاز ذي التدفق الكبير.
3. مميزات أنظمة الغاز الطبيعي المضغوط:
3.1 الفوائد البيئية
- انخفاض الانبعاثات: بالمقارنة مع البنزين والديزل، ينتج الغاز الطبيعي المضغوط ملوثات أقل عند حرقه، وخاصة من حيث ثاني أكسيد الكربون (CO2) وأكاسيد النيتروجين (NOx) والجسيمات (PM). عادة ما تكون انبعاثات الغاز الطبيعي المضغوط أقل بمقدار 30%-40% من انبعاثات الديزل والبنزين.
- نظافة: لا ينتج الغاز الطبيعي المضغوط أي قدر تقريبًا من الكبريت أو الدخان أثناء الاحتراق، مما يقلل من تلوث الهواء.
3.2 الفوائد الاقتصادية
- انخفاض تكاليف الطاقة: يعتبر الغاز الطبيعي أرخص عمومًا من البنزين أو الديزل، كما أن تكاليف الطاقة لمركبات الغاز الطبيعي المضغوط أكثر استقرارًا، مما يقلل من مخاطر تقلبات الأسعار التي نشهدها في الوقود التقليدي.
- انخفاض تكاليف صيانة المركبات: تتمتع المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط عادة بعمر محرك أطول وتكاليف صيانة أقل مقارنة بالمركبات التي تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي التقليدي.
3.3 أمن الطاقة
- الموارد المحلية الوفيرة: يعد الغاز الطبيعي مصدرًا للطاقة النظيفة نسبيًا ويتوافر بكثرة في العديد من البلدان والمناطق. ويساعد الغاز الطبيعي المضغوط في تقليل الاعتماد على موارد النفط، مما يعزز تنوع إمدادات الطاقة وأمنها.
4. تحديات أنظمة الغاز الطبيعي المضغوط:
4.1 القضايا المتعلقة بالسلامة في التخزين تحت الضغط العالي
نظرًا لأن أنظمة الغاز الطبيعي المضغوط تتضمن تخزين ونقل الغازات ذات الضغط العالي، فمن الضروري التأكد من أن جميع المعدات وأسطوانات التخزين تلبي معايير السلامة الصارمة لمنع التسربات أو الانفجارات أو الحوادث الأخرى. يجب أن تمتثل أسطوانات الغاز ذات الضغط العالي ومحطات التزود بالوقود لقواعد السلامة الصارمة.
4.2 انخفاض كثافة الطاقة
على الرغم من المزايا العديدة للغاز الطبيعي المضغوط، فإن كثافة طاقته أقل مقارنة بالبنزين والديزل. وحتى عند تخزينه تحت ضغط مرتفع، تظل كثافة طاقة الغاز الطبيعي المضغوط أقل من نفس حجم البنزين أو الديزل، مما يؤدي عمومًا إلى تقصير مدى القيادة لمركبات الغاز الطبيعي المضغوط.
4.3 تكاليف الاستثمار في البنية التحتية
يتطلب انتشار استخدام الغاز الطبيعي المضغوط على نطاق واسع استثمارًا كبيرًا في البنية الأساسية، مثل بناء محطات التزود بالوقود وتوسيع شبكات الغاز. وقد تحد التكلفة المرتفعة لتطوير هذه البنية الأساسية من التبني السريع لأنظمة الغاز الطبيعي المضغوط في بعض المناطق.
التطبيقات:
يتم استخدام الغاز الطبيعي المضغوط على نطاق واسع في المجالات التالية:
- مواصلات: يتم استخدام الغاز الطبيعي المضغوط بشكل شائع في مركبات النقل العام (مثل الحافلات وسيارات الأجرة) ومركبات الشحن، وخاصة للنقل الحضري لمسافات قصيرة.
- التطبيقات الصناعية: يتم استخدام الغاز الطبيعي المضغوط كوقود في أفران التدفئة الصناعية والغلايات وتطبيقات توليد الطاقة.
- الطاقة السكنية: في بعض المناطق، يتم استخدام الغاز الطبيعي المضغوط أيضًا للتدفئة والطهي، مما يوفر خيار طاقة أنظف للمنازل.
أنظمة الغاز الطبيعي المضغوط تقدم الغاز الطبيعي المضغوط حلاً اقتصاديًا ونظيفًا للطاقة، ومناسبًا بشكل خاص للنقل والتطبيقات الصناعية. وفي حين توجد بعض التحديات، مثل المخاوف المتعلقة بالسلامة مع التخزين عالي الضغط وكثافة الطاقة المنخفضة، فإن الغاز الطبيعي المضغوط يكتسب اهتمامًا متزايدًا من الحكومات والصناعات كمصدر بديل للطاقة. ومع التقدم في التكنولوجيا والبنية الأساسية، يستمر الغاز الطبيعي المضغوط في النمو في أهميته كخيار مستدام للطاقة.