Techno-economic analysis of MDEA and low temperature processes for LNG production

The world energy outlook is characterized by two main issues. On one side there is the uncertainty about fossil fuel reserves. On the other one, the need to minimize the environmental impact by reducing the pollution and the release of carbon dioxide in the atmosphere. In this context, natural gas is a strategic resource due to its availability and to the fact that it is cleaner than other fossil fuels. Moreover, it can be produced from unconventional gas fields, such as tight gas, hydrates, coal-bed methane gas and shale gas, but also from alternative sources such as biogas. In addition, liquefied natural gas (LNG) allows the exploitation of remote fields which are located far away from the market. This thesis work aims at increasing the knowledge in the field of gas purification and LNG production. New cryogenic technologies have been recently developed and a positive synergy between cryogenic sweetening processes and natural gas liquefaction has been theorized. However, a formal and structured comparison between these new technologies and traditional amine absorption has not been performed, also because of the differences in technological limits. The purpose of this thesis work is verifying the existence of this synergy and begin the research of the break-even point represented by the CO2 content at which amine absorption and cryogenic technologies have similar performances. The research of this break-even point has been performed by considering different natural gas compositions when simulating and analyzing different technologies for gas sweetening. A particular attention has been dedicated to the optimization of the absorption process, through a parametric analysis. Also the liquefaction process has been studied in great detail, since its performances are crucial for the overall efficiency of a LNG plant. Different possible configurations based on MDEA absorption have been then simulated and analysed, using tools charachterized by different levels of accuracy and of required details. For what concerns cryogenic technologies, the simulations and analysis have been limited to the Dual Pressure sweetening process, shown by recent studies as one of the most efficient among cryogenic processes. First, an energy analysis has been performed in order to estimate the consumptions of different layouts. Then, an exergy analysis has been formalized in order to evaluate the performances of these schemes. Finally, a LCA analysis based on an Exergy Input-Output model has been performed for the LNG plant based on MDEA absorption that showed a higher exergy efficiency. In this way, it has been possible to compare MDEA and cryogenic technologies, also considering the different efficiencies of their respective value chains.

Fra le sfide che il settore energetico deve affrontare al giorno d’oggi, vi è la necessità di far fronte ad una rapida crescita demografica ed economica che aumenta i consumi energetici mondiali. Allo stesso tempo, politiche ambientali sempre più restrittive vengono adottate da diversi stati. In questo contesto, il gas naturale si qualifica come una fonte energetica ampiamente disponibile e sfruttabile con tecnologie già sviluppate. Al contempo, la sua combustione comporta un minor rilascio di inquinanti rispetto ad altre fonti fossili. Infine può anche venir prodotto a partire da materiale organico (biogas). Per questi motivi, un aumento dei consumi di gas naturale è previsto nei prossimi decenni, al fine di soddisfare i consumi energetici mondiali riducendo al contempo le emissioni in atmosfera. Lo sviluppo di tecnologie per la produzione di gas naturale liquefatto (LNG) permette inoltre lo sfruttamento di quelle riserve che si trovano in aree remote. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di incrementare la conoscenza dei processi di purificazione e liquefazione del gas naturale. L’aumento dei consumi di gas naturale potrebbe aumentare l’interesse verso giacimenti ad alto tenore di impurità (i.e. CO2, H2S), il cui sfruttamento è ad oggi considerato anti-economico. Nuove tecnologie criogeniche sono state recentemente sviluppate per l’addolcimento di correnti di gas naturale ad alto contenuto di CO2, tuttavia un confronto rigoroso con tecniche di addolcimento classiche (i.e. assorbimento chimico con ammine) non è ancora stato effettuato. Lo scopo di questo lavoro di tesi è dimostrare la competitività, per correnti ad alto contenuto di CO2, di soluzioni di processo criogeniche rispetto ai metodi classici, oltre alla sinergia tra purificazione a bassa temperatura, produzione di LNG e implementazione di logiche di EOR (Enhanced Oil Recovery). Obiettivo di questo lavoro di tesi è inoltre effettuare un’analisi preliminare per la ricerca del break-even point, ovvero del tenore di gas acidi per il quale tecnologie criogeniche e classiche hanno efficienze confrontabili. Questa ricerca è stata condotta considerando due diverse composizioni del gas naturale da addolcire: una rappresentativa di giacimenti ad alto tenore di CO2, l’altra di riserve convenzionali. Diversi schemi di processo e condizioni operative sono state simulate, al fine di incrementare lo stato dell’arte circa la produzione di LNG. Per quanto concerne soluzioni a bassa temperatura, il processo Dual Pressure Distillation è stato selezionato in quanto indicato da recenti studi come uno tra i più efficienti fra quelli criogenici. Per quanto concerne l’absorbimento con ammine, MDEA è stata selezionata per la sua modesta volatilità e ridotta corrosività. Uno studio parametrico è stato effettuato al fine di identificare le condizioni operative in grado di massimizzare l’efficienza del processo di addolcimento ad absorbimento per la produzione di LNG. Una particolare attenzione è stata anche dedicata al processo di liquefazione, essendo esso molto energy intensive. Diversi treni di liquefazione per la produzione di LNG a valle di processi di absorbimento sono stati simulati e confrontati con treni commerciali proposti in letteratura. Treni di liquefazione a valle di soluzioni a bassa temperatura sono stati simulati e confrontati tra loro. Il confronto tra diverse soluzioni di processo è stato effettuato prima sulla base di un’analisi energetica, valutando la spesa netta di metano equivalente necessaria a soddisfare le richieste termiche e meccaniche di ogni layout. I risultati sono stati quindi convalidati con un’analisi exergetica, indi impiegando un metro di misura termodinamicamente più consistente. Per la configurazione di processo ad absorbimento risultata più efficiente, 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 le fasi di costruzione e di esercizio dell’impianto è stata valutata, ipotizzando di realizzare l’impianto in diverse aree geografiche del mondo ed impiegando metodi diversi per il trattamento dei flussi di import ed export delle corrispettive economie. I risultati dello studio LCA sono stati confrontati con quelli condotti per il processo Dual Pressure Distillation, al fine di confrontare l’efficienza di diverse soluzioni di processo considerando anche le diverse efficienze delle corrispettive value chains.