Come e perché si liquefa il gas: tecnologia di produzione e ambito di utilizzo del gas liquefatto

Le tecnologie legate all'estrazione, al trasporto e alla lavorazione del gas naturale si stanno sviluppando rapidamente. E oggi molti hanno sentito parlare degli acronimi GNL (LNG) e GPL (LPG). Quasi ogni giorno nelle notizie, in un contesto o nell'altro, viene menzionato il carburante gassoso naturale.

Ma, sarà d'accordo, per avere una chiara comprensione di ciò che sta accadendo, è importante capire innanzitutto come si liquefa il gas, perché lo si fa e quali benefici offre o non offre. E ci sono moltissime sfumature in questa questione.

Per produrre la liquefazione di idrocarburi gassosi, vengono costruiti grandi impianti ad alta tecnologia. Successivamente, analizzeremo attentamente: a cosa serve tutto questo e come avviene.

Perché si liquefa il gas naturale?

Dal sottosuolo, il gas naturale viene estratto come miscela di metano, etano, propano, butano, elio, azoto, acido solfidrico e altri gas, nonché dei loro vari derivati.

Una parte viene utilizzata nell'industria chimica, un'altra viene bruciata in caldaie o turbine per generare energia termica ed elettrica. Inoltre, una parte del gas estratto viene utilizzata come carburante per motori a gas.

I calcoli degli esperti del gas mostrano che se il gas naturale deve essere trasportato per una distanza di 2500 km o più, spesso è più conveniente farlo in forma liquefatta piuttosto che via gasdotto.

La ragione principale della liquefazione del gas naturale è semplificarne il trasporto su lunghe distanze. Se il consumatore e il pozzo di estrazione del combustibile gassoso si trovano sulla terraferma non lontani l'uno dall'altro, è più semplice e conveniente posare un tubo tra di loro. Ma in alcuni casi, costruire una conduttura risulta troppo costoso e problematico a causa di peculiarità geografiche. Pertanto, si ricorre a varie tecnologie per ottenere GNL o GPL allo stato liquido.

Economia e sicurezza dei trasporti

Dopo che il gas è stato liquefatto, viene pompato come liquido in contenitori speciali per il trasporto marittimo, fluviale, stradale e/o ferroviario. Inoltre, dal punto di vista tecnologico, la liquefazione è un processo piuttosto dispendioso dal punto di vista energetico.

In diversi stabilimenti, per questo si consuma fino al 25% del volume iniziale di carburante. Cioè, per produrre l'energia necessaria secondo la tecnologia, si brucia fino a 1 tonnellata di GNL per ogni 3 tonnellate di prodotto finito. Ma il gas naturale è molto richiesto al momento, e tutto si ammortizza.

In forma liquefatta, il metano (propano-butano) occupa un volume da 500 a 600 volte inferiore rispetto allo stato gassoso.

Finché il gas naturale si trova allo stato liquido, non è infiammabile e non esplosivo. Solo dopo l'evaporazione durante la rigassificazione, la miscela gassosa ottenuta è adatta alla combustione in caldaie e piani cottura. Pertanto, se il GNL o il GPL vengono utilizzati come combustibili idrocarburici, è necessario rigassificarli.

Utilizzo in vari settori

Il più delle volte i termini 'gas liquefatto' e 'liquefazione del gas' vengono menzionati nel contesto del trasporto di vettori energetici a base di idrocarburi. Cioè, prima avviene l'estrazione del combustibile blu, poi la sua trasformazione in GPL o GNL. Successivamente, il liquido ottenuto viene trasportato e poi riconvertito allo stato gassoso per un uso specifico.

Il GPL (gas di petrolio liquefatto) è composto per il 95% o più da miscela di propano-butano, mentre il GNL (gas naturale liquefatto) è composto per l'85-95% da metano. Si tratta di combustibili simili ma allo stesso tempo radicalmente diversi.

Il GPL a base di propano-butano viene utilizzato principalmente come:

• carburante per motori a gas;
• combustibile per l'immissione in serbatoi di gas di sistemi di riscaldamento autonomi;
• liquido per il riempimento di accendini e bombole di gas con capacità da 200 ml a 50 l.

Il GNL viene generalmente prodotto esclusivamente per il trasporto a lunga distanza. Mentre per lo stoccaggio del GPL è sufficiente un serbatoio in grado di sopportare una pressione di alcune atmosfere, per il metano liquefatto sono necessari speciali serbatoi criogenici.

Le attrezzature per lo stoccaggio del GNL sono altamente tecnologiche e occupano molto spazio. Utilizzare tale combustibile nelle autovetture non è conveniente a causa del costo elevato delle bombole. I camion a GNL, come modelli sperimentali isolati, circolano già sulle strade, ma nel segmento delle autovetture è improbabile che questo combustibile 'liquido' trovi ampia applicazione nel prossimo futuro.

Il metano liquefatto come combustibile viene ora utilizzato sempre più spesso per l'esercizio di:

• locomotive ferroviarie diesel;
• navi marittime;
• trasporto fluviale.

Oltre all'utilizzo come vettore energetico, LPG e LNG vengono anche utilizzati direttamente in forma liquida negli impianti gas-petrolchimici. Con essi vengono realizzate varie materie plastiche e altri materiali a base di idrocarburi.

Tecnologie per ottenere GPL e GNL

Per convertire il metano dallo stato gassoso a quello liquido, è necessario raffreddarlo a -163 °C. Il propano-butano, invece, si liquefa già a -40 °C. Di conseguenza, le tecnologie e i costi nei due casi sono molto diversi.

Un litro di GNL equivale approssimativamente a 1,38 metri cubi di gas naturale di partenza (il valore dipende dalla temperatura e dalla pressione), con una riduzione del volume di circa 620 volte.

Per la liquefazione del gas naturale vengono utilizzate le seguenti tecnologie di diverse aziende:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL, ecc.

Alla base di tutte queste tecnologie ci sono processi di compressione e/o scambio termico. L'operazione di liquefazione avviene in un impianto in più fasi, durante le quali il gas viene gradualmente compresso e raffreddato fino alla temperatura di transizione alla fase liquida.

Preparazione della miscela gassosa

Prima di iniziare a liquefare il gas naturale grezzo, è necessario rimuovere da esso acqua, elio, idrogeno, azoto, composti dello zolfo e altre impurità. A questo scopo si utilizza solitamente una tecnologia di adsorbimento per la purificazione profonda della miscela gassosa facendola passare attraverso setacci molecolari.

Successivamente si svolge la seconda fase di preparazione della materia prima, durante la quale vengono rimossi gli idrocarburi pesanti. Alla fine, nel gas rimangono solo etano e metano (oppure propano e butano) con un volume di impurità inferiore al 5%, per poi iniziare a raffreddare e liquefare questa frazione.

La preparazione primaria con la rimozione dal gas naturale di tutto ciò che non serve viene effettuata per proteggere le apparecchiature di refrigerazione dall'azione aggressiva di acqua, anidride carbonica, composti dello zolfo, ecc.

Il frazionamento consente di eliminare le impurità dannose e isolare solo il gas principale per la successiva liquefazione. Alla pressione di 1 atm, la temperatura di transizione allo stato liquido è di -163 °C per il metano, -88 °C per l'etano, -42 °C per il propano e -0,5 °C per il butano.

Sono proprio queste differenze di temperatura a spiegare il motivo per cui si separa in frazioni e solo successivamente si liquefa il gas che arriva all'impianto. Non esiste un'unica tecnologia di liquefazione per tutti i tipi di composti gassosi di idrocarburi. Per ciascuno di essi è necessario costruire e applicare la propria linea tecnologica.

Processo principale di liquefazione

La base per la trasformazione del gas in stato liquido è un ciclo di refrigerazione, durante il quale con un refrigerante il calore viene trasferito da un ambiente a bassa temperatura a uno a temperatura più elevata. Questo processo è a più stadi e richiede potenti compressori per l'espansione/compressione del fluido termovettore e scambiatori di calore.

Le tecnologie di compressione sono altamente tecnologiche, energeticamente intense e costose, tuttavia in un ciclo consentono di comprimere il gas da 5 a 12 volte.

Come refrigeranti nelle diverse fasi di liquefazione vengono utilizzati:

• propano;
• metano;
• etano;
• azoto;
• acqua (marina e purificata);
• aria.

Per esempio, per il raffreddamento primario del gas naturale presso l'impianto Jamal GNL di Novatek, viene utilizzata aria artica fredda, che consente di ridurre la temperatura della materia prima a soli +10 °C con costi minimi. Durante i caldi mesi estivi, invece, è previsto l'uso di acqua di mare proveniente dall'Oceano Artico, che a profondità ha una temperatura costante di 3-4 °C indipendentemente dalla stagione.

Inoltre, come refrigerante finale a Jamal viene utilizzato azoto, prodotto direttamente sul posto dall'aria. Di conseguenza, l'Artico fornisce tutto il necessario per ottenere GNL – dal gas naturale grezzo agli agenti di lavoro utilizzati nel processo di liquefazione.

Il propano si liquefa secondo uno schema simile a quello del metano. Solo che le temperature di raffreddamento richieste sono molto meno basse: meno 42 °C contro meno 163 °C. Pertanto, la liquefazione del gas per serbatoi di gas costa molto meno, ma il GPL propano-butano così ottenuto è meno richiesto sul mercato.

Trasporto e stoccaggio

Quasi tutto il volume di GNL viene trasportato da grandi navi metaniere oceaniche da una sponda all'altra. Il trasporto via terra è limitato dalla necessità di mantenere la temperatura del 'carburante blu liquido' a valori di circa -160 °C, altrimenti il metano inizia a passare allo stato gassoso e diventa esplosivo.

Per il trasporto di GPL vengono utilizzate bombole da 5-50 litri con pressione interna fino a 1,5-2 MPa e contenitori-cisterne più grandi, progettati per 5-17 MPa

La pressione nel contenitore di GNL è vicina a quella atmosferica. Tuttavia, se la temperatura del metano liquido supera i -160 °C, inizierà a trasformarsi da liquido in gas. Di conseguenza, la pressione nel contenitore inizierà ad aumentare, rappresentando un serio pericolo. Pertanto, le navi metaniere per il trasporto di GNL sono dotate di impianti di mantenimento delle basse temperature e di un potente strato di isolante termico.

Il GPL viene rigassificato in gas direttamente nel serbatoio di gas. La rigassificazione del GNL viene effettuata su impianti industriali speciali senza accesso di ossigeno. Fisicamente, il metano liquido a temperatura positiva si trasforma gradualmente in gas. Tuttavia, se ciò avviene all'aria aperta senza condizioni speciali, questo processo porterà a un'esplosione.

Dopo che il gas naturale sotto forma di GNL viene liquefatto in un impianto, viene trasportato e poi di nuovo in un impianto (questa volta di rigassificazione) viene riconvertito allo stato gassoso per l'uso successivo.

Prospettive dell'idrogeno liquefatto

Oltre alla liquefazione diretta e all'uso in questa forma, dal gas naturale si può ottenere anche un altro vettore energetico – l'idrogeno. Il metano è CH₄, il propano C₃H₈ e il butano C₄H₁₀.

Il componente idrogeno è presente in tutti questi combustibili fossili, bisogna solo estrarlo.

I principali vantaggi dell'idrogeno sono l'ecologia e l'ampia diffusione in natura, ma l'alto costo della sua liquefazione e le perdite dovute all'evaporazione costante annullano praticamente questi benefici.

Per trasformare l'idrogeno dallo stato gassoso a liquido, è necessario raffreddarlo fino a -253 °C. A questo scopo vengono utilizzati sistemi di raffreddamento a più stadi e impianti di 'compressione/espansione'. Per ora, queste tecnologie sono troppo costose, ma si sta lavorando per ridurne i costi.

Consigliamo anche di leggere un nostro altro articolo, in cui abbiamo spiegato in dettaglio come realizzare un generatore di idrogeno per la casa fai da te. Per maggiori dettagli – segua il link.

Inoltre, a differenza di LPG e LNG, l'idrogeno liquefatto è molto più esplosivo. La minima perdita, in combinazione con l'ossigeno, crea una miscela gas-aria che si incendia con la più piccola scintilla. E lo stoccaggio dell'idrogeno liquido è possibile solo in appositi contenitori criogenici. Per ora, gli svantaggi del combustibile a idrogeno sono ancora troppi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Come si produce il gas liquefatto e perché lo si liquefa:

Tutto sui gas liquefatti:

Esistono diverse tecnologie per la liquefazione dei gas. Per il metano sono diverse, e per il propano-butano sono altre. Inoltre, il GPL è più economico da ottenere, e più semplice e sicuro da trasportare/immagazzinare. L'ottenimento del GNL metaniero è un processo più costoso e complesso. Inoltre, la sua rigassificazione richiede attrezzature specializzate. Tuttavia, il metano è oggi più richiesto sul mercato, quindi viene liquefatto in volumi molto maggiori.

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