Research of methods for improving energy efficiency and emissions reduction in distribution station of natural gas transmission network
Abstract
The global energy crisis, rising energy demand and climate warming make it imperative to find ways to recover energy that is not being put to beneficial use, to reduce primary and final energy consumption, and to reduce emissions. An important part of Lithuania’s energy sector is the natural gas sector and its transmission network, including the gas distribution stations (GDS). It is the GDS that has an unexploited potential for energy recovery, as the gas pressure is reduced through the use of gas pressure regulators, where the potential energy in the highpressure gas is not utilized in a useful way, and the necessary heating of natural gas is carried out through the use of natural gas boilers, with additional environmental pollution. The aim of the study is to analyse the gas distribution station, to find the areas of the station where potential energy is not being used and the environment is being polluted, and to propose reasonable solutions. Following a literature review, alternative technical solutions are selected: turbine-expander, conversion of the gas preheating system from gas boilers to a geothermal heat pump, use of solar collectors, photovoltaic solar cells. In order to assess the potential of technological solutions to improve the efficiency of the DSS and reduce emissions, a multi-criteria analysis of the proposed solutions is carried out, where the measures under evaluation are analysed in energy, economic and environmental terms. The energy assessment analyses the energy consumption, the economic assessment calculates the net present value (NPV) of the investment for each solution and the environmental assessment examines the environmental impact of the proposed measures over their life cycle. Based on the results of the multicriteria analysis, the systems best suited to the object of study (GDS) are recommended.
Article in Lithuanian.
Gamtinių dujų magistralinio dujotiekio skirstymo stoties energijos efektyvumo didinimo bei išmetamųjų teršalų mažinimo būdų tyrimas
Santrauka
Pasaulinė energetikos krizė, didėjantis energijos poreikis bei klimato atšilimas įpareigoja ieškoti būdų, kaip atgauti naudingai nepanaudojamą energiją, sumažinti pirminės ir galutinės energijos suvartojimą bei sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį. Svarbi Lietuvos energetikos sektoriaus dalis yra gamtinių dujų sektorius ir jo perdavimo tinklas, įskaitant ir dujų skirstymo stotis (DSS). DSS yra neišnaudojamas energijos atgavimo galimybių potencialas, nes dujų slėgis yra mažinamas naudojant dujų slėgio reguliatorius, kai potenciali energija, esanti aukšto slėgio dujose, nėra naudingai panaudojama, o būtinas gamtinių dujų pašildymas vykdomas panaudojant gamtinių dujų katilus, kurie papildomai teršia aplinką. Remiantis atlikta literatūros apžvalga, yra pasirenkami alternatyvūs technologiniai sprendiniai: turbina-ekspanderis, dujų pašildymo sistemos keitimas iš dujinių katilų į geoterminį šilumos siurblį, saulės kolektorių, fotovoltinių saulės elementų panaudojimas. Siekiant įvertinti DSS efektyvumo didinimo bei išmetamųjų teršalų mažinimo technologinių sprendinių potencialą, yra atliekama pasiūlytų sprendinių daugiakriterė analizė, kai vertinamos priemonės yra analizuojamos energiniu, ekonominiu ir aplinkosauginiu būdais. Energinio vertinimo metu yra atliekama energijos suvartojimo analizė, ekonominio vertinimo metu kiekvienam sprendimui skaičiuojama investicijų grynoji dabartinė vertė (GDV), o aplinkosauginio vertinimo metu tiriamas pasiūlytų priemonių poveikis aplinkai per savo gyvavimo ciklą. Pagal daugiakriterės analizės metu gautus rezultatus yra rekomenduojamos geriausiai tiriamajam objektui – DSS tinkamos sistemos.
Reikšminiai žodžiai: daugiakriterė analizė, dujų skirstymo stotis, dujų slėgio reguliatorius, fotovoltiniai saulės elementai, gamtinės dujos, perdavimo tinklas, saulės kolektoriai, šilumos siurblys, turbina-ekspanderis.
Keyword : multi-criteria analysis, gas distribution station, gas pressure regulator, photovoltaic solar cells, natural gas, transmission network, solar heat collectors, heat pump, turbine-expander
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
References
Arabkoohsar, A., Farzaneh-Gord, M., Deymi-Dashtebayaz, M., Machado, L., & Koury, R. N. N. (2015). A new design for natural gas pressure reduction points by employing a turbo expander and a solar heating set. Renewable Energy, 81, 239–250. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.03.043
Arabkoohsar, A., Machado, L., & Koury, R. N. N. (2016). Operation analysis of a photovoltaic plant integrated with a compressed air energy storage system and a city gate station. Energy, 98, 78–91. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.01.023
Danieli, P., Carraro, G., & Lazzaretto, A. (2020). Thermodynamic and economic feasibility of energy recovery from pressure reduction stations in natural gas distribution networks. Energies, 13(17), 4453. https://doi.org/10.3390/en13174453
EMD International. (2017). energyPRO - Software for modelling and analysis of complex energy projects. https://www.emd-international.com/energypro/
Energijos skirstymo operatorius. (n. d.). Gaminančių vartotojų atsiskaitymo būdai. https://www.eso.lt/lt/namams/elektra/tarifai-kainos-atsiskaitymas-ir-skolos/gaminanciu-vartotoju-kainos.html#!topic751
European Parliament and the Council. (2012). EUR-Lex - 02012L0027-20210101 - EN - EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A02012L0027-20210101
Farzaneh-Gord, M., Arabkoohsar, A., Deymi Dasht-bayaz, M., Machado, L., & Koury, R. N. N. (2014). Energy and exergy analysis of natural gas pressure reduction points equipped with solar heat and controllable heaters. Renewable Energy, 72, 258–270. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.07.019
Gamtinių dujų perdavimo sistemos operatorius. (2023). https://www.ambergrid.lt/amber-grid-modernizavo-dvi-duju-skirstymo-stotis-planuosenauju-objektu-rekonstrukcija
Ghezelbash, R., Farzaneh-Gord, M., Behi, H., Sadi, M., & Khorramabady, H. S. (2015). Performance assessment of a natural gas expansion plant integrated with a vertical ground-coupled heat pump. Energy, 93, 2503–2517. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2015.10.101
Ignitis. (n. d.-a). Dujų kainos. https://ignitis.lt/lt/duju-kainos
Ignitis. (n. d.-b). Elektros kainos. https://ignitis.lt/lt/elektros-kainos
Ipieca. (2013). Turbo-expanders (2013). https://www.ipieca.org/resources/energy-efficiency-solutions/turbo-expanders-2013
Jedlikowski, A., Englart, S., Cepiński, W., Badura, M., & Ara Sayegh, M. (2020). Reducing energy consumption for electrical gas preheating processes. Thermal Science and Engineering Progress, 19, 100600. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100600
Khanmohammadi, S., & Saadat-Targhi, M. (2019). Thermodynamic modeling and analysis of a novel heat recovery system in a natural gas city gate station. Journal of Cleaner Production, 224, 346–360. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.167
Kostowski, W. (2010). The possibility of energy generation. Strojarstvo, 52(4), 429.
Lietuvos Respublikos Seimas. (2018). Nutarimas „Dėl Nacionalinės energetinės nepriklausomybės strategijos patvirtinimo“ (Nr. XI-2133). https://www.e-tar.lt/portal/lt/legalAct/TAR.E151BC09AE62/asr
Lietuvos Respublikos Seimas. (2020). Lietuvos Respublikos energijos vartojimo efektyvumo didinimo įstatymas (Nr. XII-2702). https://www.e-tar.lt/portal/lt/legalActEditions/946da260a67b11e69ad4c8713b612d0f
Lietuvos Respublikos ūkio ministerija. (2014). Įsakymas „Dėl magistralinių dujotiekių eksploatavimo taisyklių patvirtinimo“. https://e-seimas.lrs.lt/rs/legalact/TAD/TAIS.211960/
Natural Gas Solutions North America. (2022a). Gas measurement. https://dresserutility.com/wp-content/uploads/ActarisGasMeasurementDeltaBrochure.pdf
Natural Gas Solutions North America. (2022b). C&I Gas meters Fluxi 2000/TZ. https://dresserutility.com/wp-content/uploads/ActarisGasMeasurementFluxi2000TZTurbineMeterBrochure.pdf
Osiadacz, A. (2018). Koncepcja zero-energetycznej stacji gazowej dla przemysłu gazowniczego. Gaz, woda i technika sanitarna, 1(4), 4–8. https://doi.org/10.15199/17.2018.4.1
Poživil, J. (2004). Use of expansion turbines in natural gas pressure reduction stations. Acta Montanistica Slovaca, 9, 258–260.
Prieskienis, Š. (2015). Dujų infrastruktūros energijos vartojimo efektyvumo potencialo, ypač susijusio su perdavimu, skirstymu, apkrovos valdymu ir tarpusavio sąveika, taip pat prijungimu prie energijos gamybos įrenginių, be kita ko, prieigos galimybėmis labai mažos galios energijos generatorių atveju, įvertinimas. https://enmin.lrv.lt/uploads/enmin/documents/files/Veikla/Veiklos%20sritys/energijos-naudojimo-efektyvumas/EVE-priemoniu-diegimas-Ekotermija-2015.pdf
Rahman, M. M. (2010). Power generation from pressure reduction in the natural gas supply chain in Bangladesh. Journal of Mechanical Engineering, 41(2), 89–95.
Rahman, M. M. (2011). Power generation from pressure reduction in the natural. Journal of Mechanical Engineering, 41(2), 89–95. https://doi.org/10.3329/jme.v41i2.7472
Taheri Seresht, R., Khodaei Jalalabadi, H., & Rashidian, B. (2010). Retrofit of Tehran City Gate Station (C.G.S.No.2) by using turboexpander. In ASME 2010 Power Conference (pp. 207–212), Chicago, Illinois, USA. https://doi.org/10.1115/POWER2010-27087
Viesmann. (2022). Vitosol 100-F. https://www.viessmann.lt/content/dam/vi-brands/LT/Saules%20Sistemos/Vitosol200F_Projektavimo%20instr.%202013.pdf/_jcr_content/renditions/original./Vitosol200F_Projektavimo%20instr.%202013.pdf