مقدمه:

کنتورهای هوشمند گاز یکی از مهم‌ترین ارکان تحول دیجیتال در صنعت گاز هستند. کشور ژاپن، به‌عنوان یکی از پیشگامان فناوری، از دهه ۱۹۸۰ توسعه این نوع کنتورها را آغاز کرده و در سال‌های اخیر با سرعت بیشتری در مسیر هوشمندسازی گام برداشته است. در این مقاله، با وضعیت فعلی، تاریخچه، فناوری‌ها، مزایا و انواع کنتورهای هوشمند گاز در ژاپن آشنا می‌شویم.

[ez-toc]

خلاصه مقاله:

1. تاریخچه هوشمندسازی کنتورهای گاز در ژاپن

ژاپن از سال 1983 با افزودن میکروکنترلرها به کنتورها، مسیر هوشمندسازی را آغاز کرد. در ادامه، پروتکل‌های ارتباطی (1988) و کنتورهای اولتراسونیک (2005) معرفی شدند. انتظار می‌رود تا سال 2024، بیش از 37٪ کنتورها در ژاپن هوشمند باشند.

 2. نقش گاز طبیعی در سیاست انرژی ژاپن

پس از بحران فوکوشیما در سال 2011، ژاپن استفاده از انرژی هسته‌ای را کاهش داده و گاز طبیعی را جایگزین کرده است.

• گاز طبیعی بزرگ‌ترین منبع انرژی کشور است.

• شرکت‌های Tokyo Gas و Osaka Gas جزو بزرگ‌ترین عرضه‌کنندگان گاز در آسیا هستند.

• هدف ژاپن: کاهش 46٪ انتشار گازهای گلخانه‌ای تا سال 2030 و کاهش سهم گاز طبیعی به 20٪.

 3. تفاوت گاز شهری و LPG در ژاپن

 4. کنتورهای هوشمند گاز: فناوری‌ها و مزایا

کنتورهای هوشمند گاز ژاپن دارای قابلیت‌هایی هستند مانند:

• پایش لحظه‌ای فشار و جریان گاز

• سنسور لرزه‌نگار داخلی (زلزله‌یاب)

• شیر خودکار قطع گاز در شرایط غیرعادی

• ارتباط با سرور یا سنسور نشت گاز جهت خاموشی فوری

• ارسال داده‌ها بدون نیاز به مراجعه حضوری

 5. انواع کنتورهای گاز هوشمند در ژاپن

🔸 کنتورهای سری NB

• دارای دریچه قطع گاز داخلی (Shut-off Valve)

• دارای سنسور فشار و ضربه

• عملکرد ایمنی بالا در برابر:

  • جریان بیش از حد

  • نشتی طولانی

  • فشار کم

  • زلزله

  • درخواست قطع توسط آشکارساز گاز

🔸 کنتور STK25MTICp

• بیش از 20 سال تجربه

• مجهز به پورت‌های ارتباطی

• عملکرد امنیتی هوشمند

• کنترل از طریق سرور یا حسگر خارجی

🔸 کنتورهای اولتراسونیک سری ETK

• بدون بخش مکانیکی متحرک

• عمر باتری بالا

• بسیار سبک و مقاوم

• دارای سنسور شوک، فشار، شیر قطع و MCU داخلی

 6. واحد کنترل شبکه (NCU) در ارتقاء کنتورها

از سال 2017، ژاپن به منظور دیجیتال‌سازی سریع، از واحد NCU برای ارتقاء کنتورهای قدیمی به کنتورهای هوشمند استفاده کرده است.
این واحد:

• بدون نیاز به تعویض کامل کنتور

• طی چند دقیقه نصب می‌شود

• قابلیت اتصال به شبکه و ارسال اطلاعات را فراهم می‌کند

وضعیت کنتورهای هوشمند گاز در کشور ژاپن

تاریخچه کنتورهای هوشمند گاز ژاپن: پس از حادثه هسته ­ای فوکوشیما در سال 2011، ژاپن انرژی هسته ­ای را با سوخت­های فسیلی جایگزین کرد. سوخت‌های فسیلی با سهمی نزدیک به 75 درصد در تولید انرژی، مهم‌ترین منبع انرژی در ژاپن هستند و گاز طبیعی با اختلاف زیاد از سایر منابع تولید انرژی، بزرگترین منبع مورد استفاده در تولید برق است.

در کنار استفاده از گاز طبیعی برای تولید برق، گاز طبیعی بیشتر برای گرمایش، به عنوان سوخت برای برخی وسایل نقلیه و به عنوان ماده اولیه شیمیایی برای تولید پلاستیک و سایر مواد شیمیایی آلی استفاده می­شود.

اگرچه بازار گاز آزاد شده است، اما تعداد معدودی از شرکت­ها هستند که گاز طبیعی را برای مناطق شهری تهیه می­کنند.

ژاپن تعداد پنج عمده فروش بزرگ گاز دارد که از این تعداد فقط سه شرکت در اسناد رسمی انگلیسی زبان خود، تعداد مشتریان جز خود را اعلام کرده اند.  City Gas با 26 میلیون مشتری، OSAKA GAS با بیشتر از 9 میلیون مشتری،  Tokyo Gas با 12.2 میلیون مشتری می‎باشند.

شرکت توکیو گاز به عنوان بزرگترین شرکت گاز ژاپن بر اساس میزان فروش و پس از آن شرکت اوزاکا گاز قرار دارد. در داخل ژاپن، این دو شرکت، گاز طبیعی و برق را به شهرهای اصلی و استان­های اطراف توکیو و اوزاکا می‌فروشند. تا مارس 2022، شرکت توکیو گاز با مجموع دارایی‌ها به ارزش تقریبی 3.2 تریلیون ین ژاپن در صدر رتبه‌بندی شرکت‌های صنعت گاز در ژاپن قرار دارد.

این شرکت در توکیو در سال 1885 تاسیس شد و تامین­کننده اصلی گاز طبیعی به شهرهای منطقه کانتو-کوشینتسو است. در سال 2021، شرکت گاز اوزاکا، مجموع دارایی‌هایی به ارزش تقریبی 2.6 تریلیون ین ژاپن داشته است. این شرکت گاز ژاپنی در اوزاکا مستقر است و عمدتاً گاز منطقه کانسای را تامین می‌کند. در سال 2021، کل دارایی­های شرکت، حدود 655.6 میلیارد ین ژاپن بوده است.

دولت ژاپن برای اینکه کمتر به واردات سوخت­های فسیلی وابسته باشد و همچنین بتواند تامین برق پایدار در کشور داشته باشد و انتشار گازهای گلخانه­ای را کاهش دهد جایگزینی سوخت­های فسیلی با منابع انرژی کم کربن مانند انرژی­های تجدید­پذیر و انرژی هسته­ای را هدف­گذاری کرده است.

ژاپن اخیراً اعلام کرده است که اهداف اقلیمی خود برای سال 2030 را تعیین کرده است و قصد دارد انتشار گازهای گلخانه­ای را تا 46 درصد نسبت به سطح سال 2013 کاهش دهد؛ همچنین افزایش سهم انرژی­­های تجدیدپذیر به 38 درصد در ژاپن برنامه­ریزی شده است، در حالی­که سهم هدف گاز طبیعی به 20 درصد کاهش یافته است.

خانه­های تازه ساخته در ژاپن به گونه­ای ساخته می­شوند که برای پخت و پز غذا و گرم کردن خانه‌ها کاملاً با برق کار کنند. با این حال، خانه­های قدیمی در ژاپن یا از گاز طبیعی یا LPG استفاده می­کنند. اینها دو نوع گاز موجود برای مصرف خانگی در ژاپن هستند.

در ژاپن، در حالیکه گازها را می­توان برای اهداف مشابه استفاده کرد، تفاوت­ های کمی بین ترکیب، روش­ های تحویل، کارایی، اقدامات احتیاطی ایمنی و نرخ قیمت گازها وجود دارد.

تقریباً 65٪ از کل ژاپن، استفاده­کنندگان گاز طبیعی (گاز شهری) و 34٪ از گاز پروپان (LPG) استفاده می‌کنند. 1 درصد باقیمانده از جمعیت ژاپن به طور کامل توسط برق پوشش داده می­شوند.

جزء اصلی گاز شهری متان یا گاز طبیعی است. در ژاپن، گاز شهری از طریق لوله‌های زیرزمینی با انشعاباتی که به خانه شما متصل می‌شوند، مانند لوله‌های برق و آب، تامین می‌شود. چنین زیرساختی برای ساخت و نگهداری بسیار گران است، بنابراین، تنها شهرهای بزرگ به گاز شهری متصل هستند.

LPG گاز مایع است. این گاز از طریق فرآوری گاز طبیعی ایجاد می‌شود که در این فرایند گاز تحت فشار زیاد قرار می‌گیرد و به مایع تبدیل می‌شود. سپس گاز مایع در داخل مخازن گاز قرار می‌گیرد که به این ترتیب قابل حمل می‌شود. این گاز مایع زمانی که به آرامی از شیر مخزن آزاد می‌شود به گاز تبدیل می‌شود. این روش یک منبع تامین مقرون به صرفه گاز برای خانه‎ها در مناطق بسیار دورافتاده و کم جمعیت است.

گاز شهری در مناطق پرجمعیت موجود است و از طریق لوله­های زیرزمینی در دسترس این مناطق قرار می­گیرد. LPG در مخازن ذخیره می‌شود و نیاز به تعویض و پرکردن دوره­ای دارد. اندازه مخازن می­تواند متفاوت باشد و برخی می­توانند قابل حمل باشند. این امر استفاده از این نوع گاز را برای کسانی که در مناطق دور افتاده زندگی می­کنند ایده­آل می­کند.

یک نکته منفی در استفاده از LPG این است که مصرف­کننده باید منتظر بماند تا مخزن خالی توسط یک تکنسین خاص دوباره پر شود. گاز شهری در درجه اول متان است، اگرچه می‌تواند حاوی اتان، پروپان، بوتان و پنتان نیز باشد. LPG مخلوطی از بوتان و پروپان است.

اصلاح لوله‌های گاز شهری یا ساخت لوله‌ها می‌تواند زمان­بر باشد، بنابراین در صورت وقوع بلایای طبیعی، خانه‌های متصل به گاز شهری ممکن است برای مدتی دچار مشکل شده و منبع تغذیه آنها قطع شود. این باعث می‌شود گاز LPG در مواقع اضطراری کارآمدتر باشد.

یکی دیگر از مزایای LPG این است که در مقایسه با گاز شهری برای تولید همان گرمایش به میزان کمتری مورد نیاز است زیرا متراکم­تر و متمرکزتر است. اما چون غلیظ­تر است، برای سوختن صحیح به اکسیژن بیشتری نیاز دارد، بنابر این مخازن LPG اغلب حاوی اکسیژن بیشتری نسبت به پروپان هستند.

استفاده از گاز شهری ارزان‌تر از گاز LPG باشد، زیرا هزینه گاز LPG شامل هزینه تعویض و پرکردن مکرر مخازن در مکان‌های دور افتاده در اطراف ژاپن می‌باشد.

تجهیزات صنعت گاز خانگی در کنتورهای هوشمند گاز ژاپن

صنعت گاز شهری ژاپن با معرفی کنتورهای گاز هوشمند دارای میکروکامپیوتر داخلی در سال 1983، شروع به توسعه کنتورهای گاز پیشرفته با ویژگی­های ایمنی اضافی کرده است؛ این روند ادامه یافت تا بازار ژاپن از پروتکل­های ارتباطی در کنتورها در سال  1988 رونمایی کرد و سپس  با معرفی کنتورهای گاز اولتراسونیک مسکونی در سال 2005 به نقطه عطفی رسید.

انتظار می‌رود تا سال  2024 درصد هوشمندسازی کنتورهای گاز در ژاپن به بیش از 37 درصد برسد. کنتورهای هوشمند گاز دارای ویژگی‌های ایمنی مختلفی از جمله پایش جریان، پایش فشار و سنجش لرزه هستند که با تشخیص یک حالت غیرطبیعی خاموش می‌شوند.

برخلاف 62 میلیون کنتور برق خانگی ژاپن که همگی کنتورهای هوشمند هستند، تعداد زیادی از کنتورهای خانگی گاز شهری در سراسر کشور ژاپن آفلاین باقی ماندند. عوامل شرکت گاز، کنتورهای موجود آفلاین را ماهی یک بار به صورت دستی می­خوانند. در سال 2017، 850000 کنتور گاز شهری در ژاپن با نصب واحد کنترل شبکه (NCU) بر روی آنها هوشمند شدند؛ این اقدام در ژاپن باعث شد تا کنتور گاز سنتی به کنتور هوشمند تبدیل شود.

این NCU به عنوان یک راه­حل بهینه­سازی در نظر گرفته شد که می­تواند مدیریت مصرف گاز را بدون بازنگری کامل سیستم قدیمی، دیجیتالی کند؛ به این معنی که می­تواند به طور موثر یک کنتور موجود را در عرض چند دقیقه به یک کنتور هوشمند ارتقاء دهد، بدون اینکه کارکرد آن مختل شود. این راه حل اجازه می­دهد تا  اندازه­گیری هوشمند در کنتورهای گاز سرعت بخشیده شود.

در ژاپن دو نوع کنتور خانگی در صنعت گاز استفاده می­شود که کنتورهای گاز دیافراگمی و کنتورهای گاز اولتراسونیک می­باشد.

هر دو نوع کنتور از قاب­ها و کیس-های دای­کست آلومینیومی استفاده می­کنند که در محیط­های سخت مقاوم بوده و از نظر مکانیکی بسیار بادوام هستند. که در شکل‌ زیر نشان داده شده است.

کنتورهای سری NB در ژاپن به دلیل عملکرد امنیتی خوب به طور گسترده استفاده می­شود. عملکردهای امنیتی این کنتورها بر اساس مقادیر کالری گاز طبیعی تنظیم می­شود کنتورها دارای یک دریچه شات آف  (Shut-off) داخلی، یک سنسور فشار و یک سنسور ضربه برای عملکردهای امنیتی مي‎باشند

شش دلیل اصلی برای بسته شدن شیر شات آف شامل موارد زیر می‌باشد:

1. نرخ جریان بیش از حد
2. جریان / استفاده طولانی مدت
3. زلزله سخت
4. فشار گاز غیرطبیعی پایین
5. نشت طولانی مدت گاز
6. درخواست از دستگاه­های جانبی، مانند آشکارساز نشت گاز

STK25MTICp یکی از کنتورهای هوشمند است و بیش از 20 سال است که تولید می­شود. این کنتور دارای شیر قطع­کن داخلی، سنسور فشار گاز و سنسور ضربه می­باشد. همچنین دارای چندین پورت ارتباطی است که برای ارتباط با دستگاه‎های دیگر یا سرورها استفاده می‌شود. این کنتور با عملکرد امنیتی خود یا با درخواست سرور یا دستگاه­هایی مانند سنسور نشت گاز، شیر قطع را می‌بندد.

کنتورهای سری ETK از فناوری پیشرفته اولتراسونیک استفاده می­کنند. این کنتورها هیچ بخش مکانیکی متحرکی برای اندازه­گیری ندارد و از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار است. این سری کنتورها  بسیار سبک هستند. کنتورهای سری ETK دارای سنسور فشار، سنسور شوک، شیر قطع و خطوط ارتباطی هستند. این کنتورها توسط یک میکروکنترلر تعبیه شده در آن کنترل می­شوند و باتری لیتیومی با عمر طولانی در آن قرار داده شده است.

سوالات متداول

چرا ژاپن کنتورهای هوشمند گاز را توسعه داده است؟

برای افزایش ایمنی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و ارتقاء مدیریت مصرف گاز.

تفاوت اصلی بین کنتورهای NB و ETK چیست؟

NB مکانیکی با حسگر ایمنی است؛ ETK کاملاً دیجیتال و بدون بخش متحرک با دقت بیشتر.

 آیا همه مناطق ژاپن به گاز شهری متصل هستند؟

خیر، مناطق شهری به گاز شهری و مناطق روستایی به LPG مجهز هستند.

 واحد NCU چگونه کار می‌کند؟

با افزودن آن به کنتور موجود، آن را به یک کنتور هوشمند با قابلیت اتصال به شبکه تبدیل می‌کند.

 آیا کنتورهای هوشمند با زلزله واکنش نشان می‌دهند؟

بله، در صورت لرزه شدید، شیر گاز را به‌صورت خودکار قطع می‌کنند.