CAPITOLO 2. IL GAS NATURALE LIQUEFATTO
2.4. Il potenziale exergetico del gas naturale liquefatto
Come già precedentemente enunciato, ad oggi la maggior parte dei terminali di rigassificazione utilizza, per la rigassificazione del GNL, l’energia termica disponibile nell’acqua di mare, essendo una fonte facilmente disponibile e a basso costo. Tuttavia, questo processo porta alla dissipazione nell’ambiente dell’energia fredda disponibile nel GNL. Grazie a questa energia, che potrebbe essere recuperata durante tale processo, il GNL può essere considerato una sorgente di energia fredda di alta qualità.
Il termine energia fredda si riferisce al contenuto di energia termica a bassa temperatura disponibile nel GNL nel passaggio dalla temperatura di -162 °C alla temperatura di distribuzione. Questa temperatura, di -162 °C, si raggiunge spendendo una significativa quantità di energia durante il processo di liquefazione. Di conseguenza, dal punto di vista energetico sarebbe positivo recuperare almeno parte di questa energia durante il processo di rigassificazione, poiché permetterebbe di incrementare l’efficienza dell’intera catena del GNL.
Il potenziale energetico recuperabile dal GNL può essere stimato come differenza tra l’entalpia del fluido allo stato criogenico (T= -162 °C; P=1,3 bar) e quella allo stato morto (T=20 °C; P=1 bar) e risulta pari a 901 kJ/kg di GNL. Le tecnologie di rigassificazione, precedentemente esposte, non prevedono nessun tipo di recupero, portando alla dissipazione nell’ambiente di circa 240 kWh di energia per tonnellata di GNL [33].
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Quando si parla di energia termica, non sempre parlare di quantità è sufficiente, molto spesso occorre parlare anche di qualità. Per questo motivo viene introdotto il termine exergia. L’exergia è definita come “il massimo lavoro che può essere svolto da un sottosistema quando si avvicina all'equilibrio termodinamico con l'ambiente circostante, mediante una sequenza di processi reversibili” [34]. Quindi, l’exergia si può vedere anche come il massimo lavoro associato ad un trasferimento di energia. In particolare, si possono distinguere tre diversi tipi di trasferimenti:
− trasferimenti mediante interazioni di lavoro, ai quali è associata un’exergia che è esattamente uguale all’energia meccanica trasferita; essendo questa un’energia organizzata, cioè un’energia che teoricamente si può convertire con rendimento unitario. − trasferimenti mediante interazioni di calore, ai quali viene associata l’exergia termica,
che in termini massici può essere calcolata attraverso l’equazione 2.1. 𝑒𝑥𝑄 = 𝑞 (1 −𝑇𝑜
𝑇𝑟) eq. 2.1
Dove: 𝑞 è l’energia termica che viene trasferita attraverso un determinato confine o superficie di controllo; 𝑇𝑟 è la temperatura della porzione di confine attraversata dal trasferimento di energia; 𝑇𝑜 è la temperatura di riferimento dell’ambiente.
− trasferimenti legati a trasferimenti di materia, ai quali viene associata un’exergia che è data dalla somma di quattro termini e la cui espressione in termini massici è rappresentata dall’equazione 2.2.
𝑒𝑥 = 𝑒𝑥𝑘+ 𝑒𝑥𝑝+ 𝑒𝑥𝑝ℎ+ 𝑒𝑥𝑐ℎ eq. 2.2 In questa relazione 𝑒𝑥𝑘 rappresenta l’exergia cinetica, 𝑒𝑥𝑝 l’exergia potenziale, 𝑒𝑥𝑝ℎ
l’exergia fisica e 𝑒𝑥𝑐ℎ l’exergia chimica. L’exergia cinetica e l’exergia potenziale si calcolano esattamente come le rispettive energie, essendo anch’esse due esempi di energia organizzata. L’exergia fisica e l’exergia chimica, invece, sono energie disorganizzate, come l’energia termica, e sono più complesse da valutare.
In questa trattazione si concentra l’attenzione solo sull’exergia fisica e l’exergia chimica del GNL. L’exergia fisica in termini massici può essere calcolata attraverso l’equazione 2.3.
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Dove: 𝑇𝑜, ℎ𝑜 e 𝑠𝑜 sono rispettivamente la temperatura dell’ambiente di riferimento e l’entalpia e l’entropia del flusso di materia nelle condizioni di riferimento.
Per quanto riguarda l’exergia chimica, nel caso di un combustibile, la sua exergia in termini massici si può determinare tramite l’equazione 2.4, dove attraverso il coefficiente 𝜑 si lega l’exergia chimica di un combustibile al suo potere calorifico inferiore (PCI).
𝑒𝑥𝑐ℎ = 𝜑 𝑃𝐶𝐼 eq. 2.4 Nel caso del GNL il suo PCI può essere ipotizzato pari a 48,8 MJ/kg e il coefficiente 𝜑 pari a 1,06 [27]. Di conseguenza, il GNL è caratterizzato da un’exergia chimica in termini massici pari a 51,73 MJ/kg. Questa exergia entra in gioco solo nel caso in cui sia presente una combustione.
Al fine dell’analisi sul contenuto di exergia disponibile nel GNL, sotto determinate ipotesi semplificative, viene presa in considerazione solo l’exergia fisica del GNL. Per semplificare questo studio, infatti, si può ipotizzare che l’exergia chimica sia trascurabile, poiché può essere sfruttata in fase di combustione solo a seguito della vaporizzazione, e che l’exergia cinetica e potenziale siano molto piccole rispetto dell’exergia fisica e di conseguenza trascurabili [34].
2.4.1. L’exergia fisica del gas naturale liquefatto
L’exergia fisica è definita come il massimo lavoro, in modulo e segno, che si ha nel passaggio da uno stato generico (𝑇, 𝑃) allo stato ambiente (𝑇𝑜, 𝑃𝑜), mediante processi fisici reversibili e che possono prevedere scambi termici solo con l’ambiente. Lo stato ambiente può essere standard o generico a seconda della scelta effettuata. A sua volta le condizioni di ambiente standard possono variare a seconda del tipo di processo analizzato. Nello studio effettuato da Liu e You [33] il contenuto di exergia fisica del GNL viene valutato considerando il seguente ambiente di riferimento: 𝑇𝑜 = 283,15 𝐾 e 𝑃𝑜 = 101.325 𝑃𝑎.
L’exergia fisica può essere divisa in due componenti: l’exergia fisica di temperatura e l’exergia fisica di pressione, come mostrato dall’equazione 2.5.
𝑒𝑥𝑝ℎ = 𝑒𝑥𝑝ℎ∆𝑇+ 𝑒𝑥𝑝ℎ∆𝑃 eq. 2.5 La componente di temperatura viene calcolata considerando un processo di riscaldamento isobaro che porta il GNL dalla temperatura generica 𝑇 alla temperatura di riferimento 𝑇𝑜. Durante il processo di rigassificazione, a causa della presenza del cambio di fase del GNL, l’exergia può essere vista come la somma dell’exergia associata al calore latente di vaporizzazione e dell’exergia associata al calore sensibile, come mostra l’equazione 2.6 [33].
30 𝑒𝑥𝑝ℎ∆𝑇 = 𝑒𝑥𝑝ℎ,𝑙∆𝑇 + 𝑒𝑥𝑝ℎ,𝑠∆𝑇 = (𝑇𝑜 𝑇𝑠− 1) 𝑟 + ∫ 𝑐𝑃(1 − 𝑇𝑜 𝑇) 𝑑𝑇 𝑇𝑠 𝑇𝑜 eq. 2.6
Dove: 𝑇𝑠 è la temperatura media del GNL durante il cambio di fase; 𝑟 è il calore latente di vaporizzazione; 𝑐𝑃 è il calore specifico a pressione costante del GNL. Se si considera di vaporizzare il GNL alla pressione di 1 bar l’exergia fisica di temperatura dovuta al calore latente è pari a 853,8 kJ/kg, mentre l’exergia fisica totale di temperatura è 1082,6 kJ/kg [34]. Quindi, la componente principale di questa exergia è legata al cambio di fase del GNL.
La componente di pressione dell’exergia fisica può essere determinata attraverso l’equazione 2.7 [33], supponendo un processo isotermo che avviene alla temperatura 𝑇𝑜.
𝑒𝑥𝑝ℎ∆𝑃 = ∫𝑃𝑃,𝑇𝑜𝑣 𝑑𝑃
𝑜,𝑇𝑜 eq. 2.7
Questo contributo dipende dalla pressione alla quale viene rigassificato il GNL e aumenta con essa. In particolare, prima del vaporizzatore il GNL viene portato alla pressione richiesta dal sistema grazie alla presenza di una pompa, come mostrato in figura 2.6.
Figura 2.6: Schema di un processo di rigassificazione [35].
Supponendo che nel punto (1) il GNL si trovi alla pressione di riferimento, con il passaggio dal punto (1) al punto (2) si otterrebbe un incremento dell’exergia fisica di pressione a costo di una spesa di lavoro limitata, poiché il GNL si trova nello stato di liquido sottoraffreddato [35]. Nel punto (2) il GNL è caratterizzato sia da una exergia fisica di temperatura che da una exergia fisica di pressione, le quali potrebbero essere successivamente recuperate.
Liu e You [33] hanno studiato l’exergia fisica e le sue componenti al variare della temperatura dell’ambiente e della pressione di rigassificazione, verificando che la quantità di exergia recuperabile dal GNL dipende fortemente da queste due variabili. I risultati sono mostrati in figura2.7.
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Figura 2.7: Andamento dell’exergia fisica del GNL al variare della temperatura ambiente e della pressione di rigassificazione [33].
Si può notare che all'aumentare della temperatura ambiente si ha un incremento sia dell'exergia fisica di temperatura che dell'exergia fisica di pressione e, di conseguenza, anche dell'exergia fisica totale. Nel caso dell’exergia fisica di temperatura, questo è dovuto al fatto che la componente aumenta allontanandosi dalla temperatura di riferimento, mentre l’aumento della componente di pressione è legato all’allontanamento tra loro delle isobare all’aumentare della temperatura ambiente. Quando la pressione di rigassificazione cresce, invece, si ha un aumento dell’exergia fisica di pressione e una diminuzione dell’exergia fisica di temperatura. Questo andamento della componente di temperatura è dovuto sia all’aumento della temperatura di vaporizzazione, che avvicinandosi alla temperatura ambiente porta ad una diminuzione del contributo di exergia legato al calore latente, sia alla riduzione del calore latente di vaporizzazione [33]. Mentre l’incremento della componente di pressione, all’aumentare della pressione di rigassificazione, è concorde con la definizione di exergia fisica.
In conclusione, da questa analisi si capisce come il GNL sia caratterizzato non solo da una elevata exergia chimica, ma anche da una quantità di exergia fisica non trascurabile. Infatti, è stato stimato che, grazie all’elevato volume di GNL movimentato, dal recupero della sua energia fredda sarebbe possibile ottenere una potenza a livello globale pari a 12 GW [36]. Di conseguenza, visto l’aumento del commercio di GNL, nel prossimo futuro diventerà sempre più importante il recupero dell’energia disponibile nel GNL durante il processo di rigassificazione.
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