Gas expanders : a solution for sustainable energy recovery in pressure reducing stations

The aim of this work is to analyse the energy recovery potential obtainable through the installation of turboexpansion plants inside pressure reduction stations in natural gas distribution networks, with particular attention to industrial applications. In order to achieve this aim, with the coordination of Eng. Tommaso Ferrari at Turboden S.p.A. in Brescia, a market analysis of the industrial sector has been carried out, focusing on gas intensive applications, in order to study the natural gas flows and the relative decompression required by the downstream process in order to determine its electrical producibility. For the research, a specific questionnaire was created and submitted to over 500 of the major national industries with the aim of collecting data related to the specific application and being able to build models to estimate the consumption of those not reached by the data collection. The search for contacts was supported by the experience gained over the years by Turboden and two specific IT tools for the growth of business networks: Sales Navigator and Global Database. Following the research, an Excel tool, called CH4Simple, was designed for the preliminary study of the design of the turbo-expansion plant. This tool, with simple input data, is able to simulate the operation of pre-heating and subsequent expansion of natural gas, verifying the power balance of the system and calculating the main operating parameters of the machine and auxiliary components. Thanks to this tool, it is possible to optimize the system and achieve the goal preferred by the operator of the reduction station (maximum electrical power, minimum natural gas consumption, maximum efficiency, etc.). Once the optimal design has been established, the tool allows, once the hourly data of the station has been entered, to carry out an annual simulation of the machine and to determine the total results of electricity production and heat requirements following the installation of the turboexpander. Finally, the tool is able to perform a rapid economic analysis of the investment, also considering the access to the White Certificates incentive system (also Energy Efficiency Certificates) and the possible presence of a Carbon Tax. This work also presents, in the first chapter, the structure of the natural gas transmission and distribution network and introduces the main future challenges for the sector: energy efficiency and decarbonisation. In the second chapter, the current technology that realizes the decompression of natural gas, the lamination valves, is described and the main causes of energy dissipation are analysed. The third chapter is entirely dedicated to the explanation of turboexpansion and the machine that makes it possible, describing the various types of expanders and illustrating the possible plant configurations. Future solutions are also presented with integrations of renewable sources for natural gas pre-heating. The fourth and fifth chapters are dedicated to the presentation of the activities carried out during the internship period and then will be fully illustrated the methods of analysis and calculation used for the market research and for the development of the Excel tool for the study and evaluation of the plant. In the sixth chapter is presented a case study for the technology described above and in particular we present the development of a solution with minimal environmental impact, where the gas boiler is replaced by an electric heat pump powered by the generator connected to the turboexpander. As a result of the activities carried out it has been possible first of all to better understand the Italian industrial sector and the gas intensive applications. With this knowledge it was possible to process the data and determine the method to establish the electrical potential that can be extracted from the decompression stations. The results clarify how in general the potential in industrial cabins is quite low due to the relatively small flow rate, although in certain applications, such as the production of ammonia or in large steel or ceramic production sites, the potential grows a lot and the possibility of replacing the traditional control lines with turboexpansion plants is advantageous both in terms of recovery of lost power and in environmental terms in case of reduction of methane consumption.

Questo lavoro si pone l’obbiettivo di analizzare il potenziale di recupero energetico ottenibile attraverso l’installazione di impianti di turboespansione all’interno delle stazioni di riduzione della pressione nelle reti di distribuzione del gas naturale, con particolare attenzione alle applicazioni industriali. Al fine di raggiungere tale scopo, con il coordinamento dell’Ing. Tommaso Ferrari presso Turboden S.p.A. in Brescia, è stata condotta un’analisi di mercato del settore industriale, concentrandosi sulle applicazioni gasivore, per studiare i flussi di gas naturale e la relativa decompressione richiesta dal processo a valle in modo da poterne determinare la producibilità elettrica. Per la ricerca è stato creato un questionario specifico e sottoposto ad oltre 500 tra le maggiori realtà industriali nazionali con l’obbiettivo di raccogliere dati relativi alla specifica applicazione e poter costruire modelli atti a stimare i consumi dei soggetti non raggiunti dalla raccolta dati. La ricerca dei contatti è stata supportata dall’esperienza maturata negli anni da Turboden e da due strumenti informatici specifici per la crescita dei network aziendali: Sales Navigator e Global Database. A seguito della ricerca è stato ideato un tool Excel, denominato CH4Simple, per lo studio preliminare del design dell’impianto di turboespansione. Questo tool, a fronte di pochi dati in input, è in grado di simulare l’operazione di preriscaldo e successiva espansione del gas naturale, verificando il bilancio delle potenze del sistema e calcolando i principali parametri operativi della macchina e dei componenti ausiliari. Grazie a questo strumento è possibile ottimizzare l’impianto e raggiungere l’obbiettivo preferito dal gestore della stazione di riduzione (massima potenza elettrica, minimo consumo di gas naturale, massima efficienza, etc.). Una volta stabilito il design ottimale, lo strumento permette, una volta inseriti i dati orari della stazione, di effettuare una simulazione annuale della macchina e determinare i risultati totali di produzione elettrica e fabbisogno termico a seguito dell’installazione del turboespansore. Lo strumento è infine in grado di eseguire una rapida analisi economica dell’investimento, considerando anche l’accesso al sistema di incentivi dei Certificati Bianchi (anche Titoli di Efficienza Energetica) e all’eventuale presenza di una Carbon Tax. In questo lavoro viene anche presentata, all’interno del primo capitolo, la struttura della rete di trasmissione e distribuzione del gas naturale e vengono introdotte le principali sfide future per il settore: efficienza energetica e decarbonizzazione. Nel secondo capitolo viene descritta l’attuale tecnologia che realizza la decompressione del gas naturale, le valvole di laminazione, e vengono analizzate le principali cause di dissipazione energetica. Il terzo capitolo è interamente rivolto alla spiegazione della turboespansione e della macchina che la rende possibile, descrivendo le varie tipologie di espansore e illustrando le possibili configurazioni di impianto. Sono inoltre presentate soluzioni future con integrazioni di fonti rinnovabili per il preriscaldo del gas naturale. Il quarto e quinto capitolo sono dedicati alla presentazione delle attività svolte durante il periodo di tirocinio e quindi verranno illustrate a fondo le modalità di analisi e di calcolo utilizzate per la ricerca di mercato e per lo sviluppo del tool Excel per lo studio e la valutazione dell’impianto. Nel sesto capitolo viene presentato un caso studio esemplificativo per la tecnologia descritta sopra e in particolare si presenta lo sviluppo di una soluzione a minimo impatto ambientale, dove la caldaia a gas vinee sostituita da una pompa di calore elettrica alimentata dal generatore connesso al turboespansore. A seguito delle attività svolte è stato possibile innanzitutto capire meglio il settore industriale italiano e le applicazioni gasivore. Con queste conoscenze è stato possibile elaborare i dati e determinare il metodo per stabilire il potenziale elettrico estraibile dalle stazioni di decompressione. I risultati chiariscono come in generale il potenziale nelle cabine industriali sia abbastanza basso a causa della portata relativamente contenuta, anche se in determinate applicazioni, come la produzione di ammoniaca o nei grandi siti produttivi di acciaio o di ceramica, il potenziale cresce molto e le possibilità di sostituire le tradizionali linee di regolazione con impianti di turboespansione risulta vantaggiosa sia in termini di recupero di potenza persa che in termini ambientali in caso di riduzione del consumo di metano.