Analisi tecno-economica di soluzioni di processo a bassa temperatura per la produzione di LNG

In the last decades, two main aspects have driven technological research and development in the energy field, namely the uncertainty regarding the prediction and availability of fossil fuels resources and the environmental issues linked to the release of pollutants into the atmosphere, particularly CO2. In this scenario, natural gas is a strategic source: it is a wide available fossil fuel in nature and its combustion produces the lowest pollutants amount in comparison with other fuels, like oil or coal. Fossil natural gas can be produced from conventional and unconventional reserves (i.e. sour gas, acid gas, tight gas, shale gas, coal bed-methane gas, methane hydrates), however natural gas is available also as biogas. The aim of this work is to increase the actual knowledge on gas purification and liquefaction processes, particularly for the production of LNG (Liquefied Natural Gas). The potential exploitation of low-quality (i.e. with high CO2 and/or H2S content) and unconventional gas reserves represents an interesting solution: these sources have been considered non-economical and unsuitable for the commercialization up to some years ago, but nowadays new process technologies are available to allow their profitable exploitation. Different process solutions have been simulated in order to enhance the actual state-of-the-art for cryogenic technologies in natural gas sweetening in combination with underground geosequestration, like storage (CCS - Carbon Capture and Storage) or enhanced oil recovery (EOR). The synergy between the low temperature purification process and LNG production makes cryogenic technologies competitive respect to traditional methods (i.e. chemical amines scrubbing). First, the energy efficiency has been used in process layouts evaluation and comparison: the net equivalent methane necessary to satisfy both power and energy requirements has been estimated. The results have been checked performing a thermodynamically consistent method, namely exergetic analysis. A LCA (Life Cycle Assessment) analysis has been carried out for the less energy-intensive scheme, using the Exergy Input-Output accounting method (ExIO): it has been assumed to realize the plant in different countries, characterized by their own economy. Different methods to account imports and exports have been used to estimate the overall primary resources cost needed to support the construction and operation phases, which represents the output of the analysis.

La situazione energetica attuale si contraddistingue per due aspetti chiave, i quali hanno indirizzato lo sviluppo tecnologico e la ricerca negli ultimi decenni: essi si concretizzano nell’aleatorietà delle previsioni inerenti la disponibilità di fonti fossili e nella problematica dell’impatto ambientale, legata al rilascio di inquinanti in atmosfera ed in particolare alla CO2. In questo scenario, il gas naturale rappresenta una fonte strategica: esso si connota come un combustibile naturale largamente disponibile in natura, la cui combustione comporta il minor rilascio di inquinanti, se confrontato con le altre fonti minerarie. Esso può esser estratto sia da riserve di origine fossile, convenzionali e non (i.e. sour gas, acid gas, tight gas, shale gas, coal-bed methane gas, idrati di metano), sia da risorse alternative, quale il biogas. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di incrementare la conoscenza inerente i processi di purificazione e liquefazione del gas naturale, volti in particolare alla produzione di LNG (Liquefied Natural Gas). Le riserve non convenzionali, caratterizzate da gas ad elevato tenore di impurità (i.e. CO2 ed H2S), rappresentano oggigiorno una risorsa dalle elevate potenzialità: si connotano come il motore per l’evoluzione tecnologica volta ad un loro sfruttamento proficuo, in un’ottica sia energetica che economica. Diverse configurazioni di processo sono state simulate allo scopo, con l’obiettivo di incrementare l’attuale stato dell’arte circa l’impiego di processi criogenici per l’addolcimento del gas naturale e proporre soluzioni adatte all’implementazione di logiche EOR (Enhanced Oil Recovery) o CCS (Carbon Capture and Storage): si vuole dimostrare che la sinergia tra la purificazione a bassa temperatura e il raggiungimento delle condizioni richieste per la produzione di LNG, rende le tecnologie criogeniche competitive rispetto ai metodi classici (i.e. assorbimento chimico con ammine). Gli schemi proposti sono stati confrontati inizialmente da un punto di vista dell’efficienza energetica: la spesa netta di metano equivalente, necessaria a soddisfare le richieste termiche e meccaniche di ogni layout, è stata valutata. I risultati sono stati successivamente validati impostando un’analisi exergetica, indi impiegando un metodo di misura termodinamicamente consistente. Per lo schema risultato meno energy intensive, uno studio LCA (Life Cycle Assessment) è stato condotto, basandosi sull’analisi exergetica Input-Output (ExIO): la spesa complessiva di fonti fossili necessaria a supportare la fase di costruzione e di esercizio dell’impianto è stata valutata, ipotizzando di realizzare lo stesso in diverse aree geografiche del mondo e impiegando metodi diversi per il trattamento dei flussi di import ed export delle corrispettive economie.