Il Giappone e l’Impianto di Senboku

I primi impianti di rigassificazione integrati con utilizzo dell’exergia del GNL furono sviluppati in Giappone alla fine degli anni 70’, ed esso continua ad essere ancora oggi il paese con la maggiore esperienza tecnologica nel settore. Non è un caso che sia stato il Giappone a concepire per primo questa tecnologia; il paese vanta infatti un lungo primato come leader mondiale nell’importazione di GNL e solo negli ultimi anni il suo ruolo all’interno del mercato globale ed asiatico è stato insidiato dal poderoso sviluppo dei consumi registrato in Cina. La prima applicazione fu sviluppata nel terminale di Senboku nel 1977; questa sfruttava l’exergia del GNL all’interno di un sistema di separazione dell’aria. Successivamente, nel 1979, fu avviato nello stesso impianto un sistema criogenico per la generazione di potenza, sfruttando un ciclo Rankine a propano da 1450 kW. La compagnia giapponese Osaka Gas, proprietaria degli impianti di Senboku I, Senboku II e dei terminali GNL di Himeji, è una delle pioniere nello sfruttamento del GNL durante il processo di rigassificazione. Nel corso dei successivi 30 anni sono stati realizzati diversi altri impianti, principalmente adibiti alla generazione di potenza tramite cicli ad espansione diretta del gas naturale rigassificato e/o cicli Rankine con fluidi refrigeranti. A partire dal 2004 nell’impianto di Senboku si è introdotto progressivamente in entrambi i terminali un gruppo di generazione di potenza a ciclo combinato, in cui il GNL viene sfruttato come fonte fredda per il raffreddamento dell’aria di ingresso nei vari gruppi turbogas; l’impianto a cosi raggiunto una potenza complessiva di 1100 MW, la più grande concentrazione nel suo genere [35].

Tabella 3: Impianti criogenici per la generazione di potenza in Giappone

L’impianto di Senboku, ed in particolare Senboku I, rappresenta la più moderna concezione al mondo di integrazione di vari sistemi energetici con il processo di rigassificazione in quanto, tramite una graduale implementazione dei processi nel corso degli anni, si è giunti ad un utilizzo elevatissimo del potenziale energetico del GNL [41]. L’impianto infatti, a partire dal 2006, prevedeva l’utilizzo di tale fonte in diversi sistemi posti in serie tra cui:

69  Sistema di separazione dell’aria (non più operativo);

 Sistema di liquefazione e separazione dell’olefina prodotta da una vicina raffineria;

 Sistema di liquefazione dell’anidride carbonica ottenuta da un impianto di produzione di idrogeno;

 Sistema di raffreddamento del butano raffinato in un vicino impianto petrolchimico;

 Sistema di raffreddamento dell’acqua utilizzata negli air coolers installati nel gruppo turbogas per la generazione di potenza tramite ciclo combinato.

Figura 60: Schema del processo sviluppato presso il terminale I dell'impianto di Senboku dal 2006 [Fonte Osaka Gas]:

Con questi sistemi si riusciva a sfruttare l’energia del GNL dalla temperatura di -160°C fino alla temperatura ambiente, migliorandone sensibilmente la qualità dell’impiego e garantendo un 23% circa di risparmio sui consumi energetici, se comparato con un sistema di alimentazione singolo per ogni impianto. Il rapporto di utilizzo dell’energia fredda del GNL3 raggiunto dal terminale è stato in quel periodo dell’80%. Non fu possibile raggiungere il 100% a causa delle fluttuazioni stagionali degli approvvigionamenti di gas naturale della compagnia Osaka gas; infatti, nei periodi di picco della domanda, l’energia a disposizione nel GNL era superiore a quella richiesta da vari processi, non essendo questi abbastanza flessibili per potersi adattare a diverse richieste di gas naturale. In questo caso quindi, occorreva utilizzare dei tradizionali vaporizzatori per completare la rigassificazione, con conseguente spreco dell’exergia residua del GNL.

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Con questo termine si intende il rapporto tra il volume di GNL vaporizzato attraverso i processi attivi nell’impianto ed il volume totale vaporizzato all’interno del terminale.

70 Figura 61: Utilizzo dell'energia fredda del GNL nel terminale di Senboku I in funzione della domanda di Gas

Naturale (Fonte Osaka Gas)

Allo scopo di migliorare ulteriormente l’utilizzo energetico del GNL, a partire dal 2011 la Osaka Gas ha realizzato l’integrazione di un ulteriore processo in grado di sfruttare anche l’energia in eccesso durante i periodi di picco della domanda di gas naturale. Integrando il terminale di Senboku I con un vicino impianto chimico per la produzione di etilene, il quale richiede la disponibilità di elevate quantità di energia a bassa temperatura, la compagnia ha finalmente raggiunto l’obiettivo di realizzare uno sfruttamento pari al 100% dell’energia in ingresso in ogni momento dell’anno.

Figura 62: Integrazione del terminale di Senboku I con il vicino impianto di produzione di Etilene (Fonte Osaka Gas)

Paradossalmente l’unico problema incontrato è stato quello opposto, cioè di una carenza di energia fredda per tutti i processi nei periodi di richiesta minima di fornitura di gas naturale da parte della compagnia. Il problema è stato comunque superato mediante una efficace integrazione con il sistema di refrigerazione già presente nell’impianto di produzione dell’etilene e costituito da un compressore guidato da una

71 turbina a vapore. La modulazione della potenza richiesta per la refrigerazione tramite compressore consente di variare, a seconda del periodo dell’anno, la richiesta di energia da fornire tramite GNL, in modo da rendere il sistema flessibile alle fluttuazioni della domanda di gas naturale. Tutto ciò testimonia comunque il difficile raggiungimento di un equilibrio stabile di funzionamento per questa tipologia di impianti, e di una stretta dipendenza tra la domanda di gas naturale richiesta e la conseguente energia disponibile nel GNL in ingresso.

Figura 63: Valutazione del pericolo di carenza di energia fredda nel terminale di Senboku I in funzione della domanda di Gas Naturale (Fonte Osaka Gas)

Figura 64: Confronto tra i rendimenti exergetici dei vari processi nel terminale di Senboku I (Fonte Osaka Gas)

L’integrazione con il vicino impianto chimico ha permesso inoltre di aumentare il rendimento exergetico dell’intero sistema. Nel terminale si presenta infatti la seguente situazione, dopo aver definito il rendimento exergetico del singolo processo come:

𝜂𝐼𝐼𝑖 =

𝛥𝐸𝑥_{𝑢𝑠𝑒𝑟}𝑖 𝛥𝐸𝑥_𝐿𝑁𝐺𝑖

72 Dal grafico si nota come l’exergia del GNL venga utilizzata più efficientemente proprio durante il processo di produzione dell’etilene; questa elevata efficienza, realizzata tramite lo scambio di calore in 6 diversi scambiatori posti in serie tra le temperature di -100°C e 20°C, ha consentito di migliorare il rendimento di secondo principio del terminale di Senboku I dal 44% al 52%4, risultando anch’esso il valore più elevato a livello globale. Il terminale risulta quindi essere ad oggi il punto di riferimento per le tecnologie di applicazione del GNL ai processi industriali tradizionali. E’ doveroso inoltre aggiungere che, oltre ai risparmi energetici ottenuti, la realizzazione di questi sistemi integrati ha permesso la riduzione delle emissioni annuali di CO2 del 29%, passando da 113 kton/anno a 75 kton/anno.

Per assicurare il corretto funzionamento del terminale di Senboku I, si è realizzata una rete pipeline di trasporto del GNL dal terminale di Senboku II, in modo da garantire l’approvvigionamento necessario, e quindi l’energia necessaria, a soddisfare i bisogni di ciascun sistema. La compagnia Osaka gas ha perseguito nel tempo la politica di ricerca del massimo sfruttamento energetico della fonte GNL anche negli altri due terminali di proprietà, ovvero il terminale Senboku II ed il terminale di Himeji. Nonostante le decisamente maggiori quantità di GNL trattato in questi due terminali rispetto a quello di Senboku I, oltre ad una minore disponibilità di processi da implementare tramite exergia del GNL, il rapporto di utilizzo dell’energia fredda ha raggiunto valori comunque superiori al 50%.

Il primato del Giappone in questo settore tecnologico è testimoniato dal fatto che già nel 2007 esso deteneva circa il 90% delle applicazioni mondiali riguardanti lo sfruttamento dell’exergia del GNL (28 su 31), nonché il 100% degli impianti criogenici per la generazione di potenza (14 su 14) [13]. Ad oggi, nonostante lo sviluppo di impianti in altri paesi del Sud-est asiatico, in Europa ed in Australia, il Giappone resta comunque il punto di riferimento mondiale per esperienza e tecnologie applicate; è infatti da notare come in questo paese già da diversi anni siano state sperimentate quasi tutte le modalità di recupero energetico diretto dal GNL, fatto unico nel panorama mondiale.

La potenza installata tramite questa tipologia di impianti, superiore ad 1.1 GW, è tornata molto utile al paese a seguito dell’incidente nucleare nella Centrale di Fukushima, che ha visto la chiusura di tutti gli impianti nucleari ed il bisogno di dover sostituire la loro produzione elettrica. Da lì il Giappone ha visto crescere ancor di più le importazioni di GNL ed ha sfruttato al massimo la grande concentrazione di potenza disponibile soprattutto nei terminali di Senboku I e Senboku II.

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Il rendimento globale di secondo principio è definito come: 𝜂𝐼𝐼=

𝐸𝑥_{𝑡𝑜𝑡,𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎} 𝐸𝑥_{𝑡𝑜𝑡,𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑒}∗ 100

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Paese Applicazione GNL

Giappone  Generazione criogenica di potenza

 Produzione di CO2 liquida e ghiaccio secco

 Separazione e liquefazione dell’aria

 Sistemi di re-liquefazione BOG

 Energia fredda per impianti chimici

 Raffreddamento aria in ingresso TG

 Cold storage e conservazione cibi

 Polverizzazione criogenica dei rifiuti Corea del Sud  Separazione e liquefazione dell’aria

 Liquefazione BOG

Taiwan  Generazione criogenica di potenza

 Separazione e liquefazione dell’aria Australia  Separazione e liquefazione dell’aria Stati Uniti  Desalinizzazione dell’acqua marina Spagna  Generazione criogenica di potenza Francia  Separazione e liquefazione dell’aria India  Raffreddamento aria in ingresso TG

Tabella 4: Tecnologie applicate oggi per l'utilizzo dell'exergia del GNL in differenti paesi (Fonte Science Direct)