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La tesi ha come oggetto la valutazione di impianti a refrigerante interno per la micro-liquefazione di metano, dal punto di vista energetico ed economico.
L’interesse verso la micro-liquefazione del gas naturale nasce in seguito alla crescita della domanda di GNL per usi innovativi, come l’impiego di GNL come carburante per trasporti terrestri e marittimi o come fonte energetica per utenze isolate non raggiunte dai metanodotti. La necessità di creare una rete di rifornimento di GNL diffusa sul territorio, potrebbe rendere conveniente la produzione locale di GNL da biogas o da piccoli giacimenti, a causa dell’elevato costo di approvvigionamento del GNL dai grandi centri di stoccaggio localizzati presso i centri di rigassificazione costieri.
Il processo di liquefazione del gas naturale rappresenta un elemento chiave all’interno dell’articolata filiera che va dall’estrazione del gas fino alla distribuzione agli utenti finali. I vari schemi si differenziano molto per efficienza e grado di complessità. Se per impianti di grande taglia la riduzione del consumo specifico giustifica un alto investimento iniziale e un elevato numero di componenti, nel passaggio ad una logica di medio-piccola taglia l’obbiettivo diventa, piuttosto, la ricerca un sistema semplice, sicuro, composto da pochi elementi e di facile gestione. Gli impianti a refrigerante interno, nei quali è il metano stesso a fluire nel circuito di refrigerazione, interessanti grazie alla loro intrinseca semplicità per l’applicazione small-scale.
I modelli dei processi sono stati costruiti e simulati all’interno del software Aspen HYSYS, assumendo un gas composto esclusivamente da metano, in ingresso alla pressione di 1,5 bar, e una produzione di GNL a 1,5 bar. I processi sono stati ottimizzati al fine di minimizzare il consumo specifico di energia richiesta dai compressori e dal sistema di ventilazione. I vincoli imposti all’ottimizzatore sono il minimo pinch point negli scambiatori a 5°C e il titolo unitario in uscita dagli espansori.
A partire dagli schemi di letteratura, si è passati all’elaborazione di nuovi schemi, al fine di trovare soluzioni migliori dal punto di vista del consumo specifico. Tramite l’integrazione di espansori e valvole di laminazione, si è giunti all’elaborazione del processo a doppio espansore e del processo con valvola secondaria. Altre soluzioni trovate vedono l’abbinamento di un chiller ad assorbimento, che viene alimentato grazie al recupero di calore dal gas in uscita dai compressori. In particolare, sono state analizzate tre modalità di integrazione: chiller pre-coldbox, chiller pre-compressori, chiller pre-coldbox&compressori. I principali risultati relativi alla simulazione dei cinque schemi considerati sono stati analizzati e confrontati tra loro.
I processi con chiller presentano consumi specifici più bassi rispetto ai processi con doppio espansore e valvola secondaria. Tra questi, il processo con chiller prima dei compressori e della coldbox risulta il più efficiente. Il confronto tra i diversi impianti è stato svolto anche in un’ottica di secondo principio. L’impiego del chiller permette la riduzione delle irreversibilità introdotte negli air-cooler, che risultano altrimenti preponderanti. Compressori ed espansori introducono irreversibilità elevate, riducibili grazie all’impiego di macchine di maggiore efficienza.
L’analisi dei cinque impianti prosegue indagando la variazione delle prestazioni al variare delle condizioni operative. Gli impianti sono stati adattati a diversi valori di pressione del gas in alimentazione (1,5 bar/ 15 bar/ 40 bar) e di pressione del serbatoio di GNL (1,5 bar/ 4 bar/ 6 bar). La simulazione dei processi in diverse condizioni di pressione in ingresso e uscita permette di valutarne le prestazioni all’interno di diversi contesti di applicazione. Dalle simulazioni effettuate è emerso che i consumi specifici diminuiscono sempre all’aumentare della pressione dal serbatoio e della pressione del gas in ingresso. In alcuni scenari analizzati, si nota che il preraffreddamento del gas in ingresso ai compressori riduce la quantità di calore a disposizione per il recupero, non consentendo il pieno utilizzo del chiller e la massimizzazione dell’efficienza del processo. Il recupero termico da fonti esterne al processo di liquefazione permetterebbe, quindi, un’ulteriore riduzione del consumo specifico di energia.
Gli impianti di liquefazione di gas naturale necessitano di potenza elettrica in ingresso per l’alimentazione dei compressori, che può essere prelevata direttamente dalla rete oppure generata tramite sistemi di autoproduzione. Nel caso vi sia la disponibilità di connettersi alla rete elettrica, una valutazione di tipo economico può indicare quale delle due soluzioni risulta più conveniente in base al contesto considerato e, quindi, al costo di approvvigionamento dell’energia elettrica in una determinata località; se, invece, l’impianto è situato in zone remote, dove non è possibile prelevare l’energia da rete, l’autoproduzione diventa una scelta obbligata. Le soluzioni più adatte all’applicazione a impianti di liquefazione small-scale sono le microturbine e i motori a combustione interna alimentati a gas.
Si è voluto valutare l’effetto sul consumo specifico del recupero termico dai fumi della microturbina per l’alimentazione dei chiller, nel caso del processo con chiller pre-coldbox&compressori all’interno di tre scenari significativi. Si è notato una riduzione del consumo specifico nello scenario intermedio (15 bar – 4 bar), in cui la maggiore quantità di calore a disposizione permette di impiegare a pieno il chiller ad assorbimento e di massimizzare l’efficienza del processo.
Dopo aver confrontato i cinque processi elaborati dal punto di vista energetico, risulta interessante spostare l’analisi sul piano economico e valutare, quindi, la fattibilità e la convenienza degli investimenti. L’indicatore scelto per la valutazione economica è stato mutuato dal Levelised Cost of Electricity (LCOE) ed è nominato in questa trattazione Levelised Cost of Liquefaction (LCOL). Il LCOL rappresenta il prezzo al quale il GNL prodotto dovrebbe essere venduto per poter rientrare nelle spese alla fine della vita dell’investimento. Il LCOL dipende direttamente dal costo del gas naturale da liquefare, il quale varia nel tempo in base all’andamento dei mercati internazionali ed è diverso a seconda del contesto considerato. Dal calcolo dell’LCOL per ogni impianto all’interno di un determinato scenario, è possibile definire il migliore investimento e confrontare il prezzo trovato con quelli di altre fonti di approvvigionamento di GNL.
In linea generale, si osserva che i LCOL dei cinque processi differiscono molto poco tra loro nei casi con costo del gas naturale nullo o molto basso, mentre le differenze diventano più apprezzabili man mano che questo sale. Ciò accade perché, per bassi costi del gas naturale, sull’LCOL incidono principalmente i soli costi iniziali dell’impianto, mentre, al crescere del costo del gas, incidono sempre di più anche i costi operativi e i consumi energetici dei diversi processi. La differenza tra il prezzo del GNL ottenibile da fonti di approvvigionamento tradizionali, incluse le spese di trasporto, e gli LCOL calcolati, suggerisce la fattibilità economica dell’impianto di micro-liquefazione. Tuttavia, per giungere ad un’effettiva conclusione, più o meno a favore dell’investimento, è necessario fissare in maniera precisa e univoca la localizzazione dell’impianto, il tipo di risorsa a cui è applicato e le caratteristiche degli utenti finali.