پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر

چکیده کاهش منابع انرژی فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای از مهم‌ترین عوامل توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر است. ذخیره‌سازی هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی، یکی از روش‌های امیدبخش برای بهره‌برداری پایدار از این منابع محسوب می‌شود. در فرایند ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن، بخشی از گاز به‌دلیل عدم تأمین فشار موردنیاز تولید نمی‌شود و به‌عنوان گاز پایه باقی می‌ماند. به‌منظور کاهش اتلاف هیدروژن، پیشنهاد می‌شود از گازهای ارزان‌تر مانند متان، نیتروژن یا دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه جایگزین استفاده شود. این مطالعه به بررسی جامع انواع گازهای پایه و عوامل مؤثر بر ذخیره‌سازی هیدروژن در حضور گاز پایه می‌پردازد، تا راهکاری برای بهینه‌سازی این فرایند ارائه شود. در این پژوهش ابتدا بیش از 300 مقاله علمی جمع‌آوری و بررسی شد. از این میان، 80 مقاله به‌عنوان مقالات اصلی انتخاب شدند که مرتبط با ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن و دیگر گازها در حضور گاز پایه بودند و 82 مقاله دیگر نیز به‌عنوان منابع تکمیل‌کننده مورد ارزیابی قرار گرفتند. مقالات اصلی در سه دسته شامل تأثیر خواص گاز پایه، تأثیر خواص مخزن و تأثیر عوامل عملیاتی طبقه‌بندی شدند. سپس محتوای این مقالات پس از ارزیابی دقیق، به‌صورت خلاصه و منسجم ارائه شد تا مبنایی جامع برای تحلیل فرایند ذخیره‌سازی گاز هیدروژن در حضور گاز پایه فراهم شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که استفاده از گازهای متان، نیتروژن و دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه می‌تواند تا حد بسیار زیادی با کاهش هیدروژن به‌دام‌افتاده درون مخزن، به مباحث اقتصادی پروژه‌های ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن کمک کنند. چگالی و گرانروی گاز پایه نقش مهمی در ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن دارند. گاز نیتروژن به‌دلیل خواص فیزیکی مطلوب، گزینه‌ای برتر برای تزریق است، زیرا خطر وقوع پدیده‌هایی مانند جدایش ثقلی و انگشتی‌شدن را کاهش می‌دهد. در مقابل، گاز دی‌اکسیدکربن به‌دلیل انحلال در آب سازند و تراکم‌پذیری بالا، نیازمند تزریق حجم بیشتری برای رسیدن به فشار مطلوب مخزن است. علاوه بر این، کاهش فشار و افزایش دما، تخلخل و تراوایی منجر به کاهش خلوص هیدروژن می‌شود. همچنین، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تزریق گاز پایه مناسب و افزایش ضریب تخلیه‌ی مخزن پیش از شروع ذخیره‌سازی گاز هیدروژن می‌تواند به افزایش خلوص و بازیافت هیدروژن کمک کند.

چکیده موضوع تحقیق: عدم تعادل میان عرضه و تقاضا یکی از موانع اصلی در فرایند جایگزین کردن انرژی‌های تجدید پذیر به جای سوخت‌های فسیلی است. ذخیره سازی زیرزمینی گاز هیدروژن بدست آمده از منابع تجدید پذیر، روشی مناسب برای ذخیره انرژی حاصل از این منابع است. از طرفی با توجه به آن که در زمان ذخیره زیرزمینی گاز همواره بخشی از آن به عنوان گاز پایه درون مخزن باقی می‌ماند، توصیه می‌شود برای کاهش هزینه‌های عملیاتی این گاز با گازهای ارزان همچون گاز CO₂ و گاز ترش جایگزین شود. اما در این حالت خلوص و ضریب بازیافت هیدروژن برداشت شده از مخزن از جمله عواملی هستند که تحت تاثیر قرار می‌گیرند که امکان کنترل آنها توسط پارامترهای عملیاتی وجود دارد. از این رو در این مطالعه به بررسی آنها پرداخته خواهد شد.

روش تحقیق: در این قسمت ابتدا مدل یک مخزن گازی نیمه تخلیه شده توسط شبیه ساز تجاریCMG ساخته شد و پس از صحت سنجی مدل، از آن به منظور بررسی پارامترهای مورد نظر استفاده شد. برای این امر پس از تخلیه‌ی 50% مخزن، به مدت یک سال گاز پایه تزریق شده و سپس برای مدت 10 سال ذخیره سازی هیدروژن صورت گرفت. در این پژوهش تاثیر پارامترهای مدت زمان و نرخ تزریق و تولید هیدروژن، مدت زمان تزریق و زمان ماند گاز پایه، استفاده از گاز ترش به عنوان گاز پایه و درصد H₂S موجود در آن بر روی خلوص و ضریب بازیافت هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج اصلی: نتایج بدست آمده نشان داد افزایش نرخ تزریق و تولید هیدروژن باعث افزایش خلوص و ضریب بازیافت آن می‌شود. کاهش دوره تزریق و افزایش دوره برداشت موجب کاهش خلوص و افزایش ضریب بازیافت هیدروژن میشود، مشروط بر اینکه دوره برداشت از دوره تزریق بیشتر نشود. افزایش زمان تزریق گاز پایه و فاصله زمانی بین تزریق و ذخیره‌سازی، به خلوص و بازیافت هیدروژن کمک می‌کند. همچنین، در ترکیب گاز پایه، افزایش سهم H₂S به بالای 70% در ترکیب گاز پایه، خلوص و بازیافت هیدروژن را به ترتیب حدود 2 و 3 درصد کاهش می‌دهد که این امر امکان استفاده از H₂S را به‌عنوان گاز پایه تایید می‌کند.