Sistemi per scopi diversi da quelli di potenza

Vista la sempre maggiore diffusione nel mondo dei terminali di rigassificazione di GNL, negli anni sono state studiate un’ampia gamma di applicazioni per l’utilizzo dell’exergia fisica del GNL, oltre a quelle di potenza. Tra queste applicazioni sono presenti:

− la separazione dell’aria;

− la desalinizzazione dell'acqua di mare; − la liquefazione della CO2;

− l’accumulo di energia termica; − la produzione di idrogeno.

52 • Sistema per la separazione dell’aria

Il processo di separazione criogenica dell’aria sfrutta la diversa temperatura di condensazione dei suoi componenti e permette di ottenere ossigeno, argon e azoto di elevata purezza [20]. Durante questo processo l’aria viene raffreddata fino alla sua temperatura criogenica, che alla pressione ambiente è inferiore a -195 °C, per poi essere separata attraverso una colonna di distillazione nei suoi componenti. Vista la bassa temperatura di esercizio a cui è necessario operare, il consumo di energia richiesto dal processo è elevato.

Una soluzione per ridurre tali consumi consiste nell’utilizzo dell’energia fredda del GNL, che può essere impiegata per raffreddare l’aria al posto del ciclo di refrigerazione esterno [37]. Questa soluzione per il recupero dell’exergia fisica dal GNL viene spesso studiata in combinazione con impianti di potenza. Un esempio di tale sistema è stato proposto da Mehrpooya et al. [64], i quali hanno analizzato un’unità di separazione criogenica dell’aria, integrata con un ciclo di generazione di energia. Qui, tale ciclo viene utilizzato sia per recuperare completamente l’exergia fisica di temperatura del GNL, che per compensare i consumi presenti nell’impianto. Nel ciclo di potenza viene scelto come fluido di lavoro ossigeno puro che, insieme all’azoto liquido, costituisce il principale prodotto dell’unità di separazione dell’aria. I risultati hanno dimostrato che, tale processo permette un risparmio sui consumi del 38,5% rispetto ad un processo convenzionale di separazione.

La separazione criogenica dell’aria, con recupero di exergia dal GNL, è una soluzione molto efficiente dal punto di vista exergetico, tuttavia, comporta una maggiore complessità impiantistica e di conseguenza un aumento dei costi di investimento. Inoltre, i prodotti ottenuti dal processo non sono molto richiesti sul mercato. Tutto ciò, rende questo sistema una soluzione poco consigliata per lo sfruttamento del GNL [37].

• Sistema per la desalinizzazione dell’acqua di mare

Oggi il problema della scarsità dell’acqua è sempre più rilevante; di conseguenza, sul processo di desalinizzazione dell’acqua di mare c’è molto interesse a livello globale. Negli ultimi anni, una soluzione molto studiata prevede l'utilizzo dell’energia fredda del GNL per la desalinizzazione per congelamento dell'acqua di mare.

La desalinizzazione per congelamento dell’acqua di mare è un processo alternativo a quelli comunemente utilizzati, come l’osmosi inversa e il processo flash multistadio, che prevede la rimozione dei minerali presenti nell’acqua attraverso la formazione di cristalli di ghiaccio. Grazie a questi cristalli è possibile rigettare quasi tutto il sale presente, poiché per loro natura,

53

sono costituiti principalmente da acqua pura. Successivamente, dallo scioglimento del ghiaccio si ottiene acqua dolce.

Questo procedimento richiede una notevole quantità di energia poiché, durante il funzionamento dell’impianto, è necessario abbassare la temperatura dell’acqua fino al suo punto di cristallizzazione. Per ridurre il consumo di energia del processo si può sfruttare l’exergia fisica di temperatura del GNL [37]. A questo proposito, Cao et al. [65] hanno studiato un processo di desalinizzazione per congelamento, in cui viene utilizzato un fluido intermedio per trasferire il freddo dal GNL all’acqua di mare. Tale processo produce 2 kg di acqua per kg di GNL con un consumo energetico prossimo allo zero, quindi, molto più basso rispetto al processo senza recupero dal GNL.

Sebbene, ad oggi, la desalinizzazione per congelamento sia ancora una tecnologia immatura, molti ricercatori stanno studiando e sviluppando prototipi per una sua futura implementazione nell'industria [28]. Infatti, viste le basse temperature richieste dal processo e la presenza degli impianti di desalinizzazione nei pressi delle zone costiere, dove tipicamente sono situati anche gli impianti di rigassificazione, l’integrazione tra i due sistemi è di notevole interesse.

Riguardo al tema della desalinizzazione dell’acqua di mare, in letteratura sono presenti anche studi riguardanti l’utilizzo del GNL in processi tradizionali di desalinizzazione, come l’osmosi inversa. Un impianto di questo tipo è stato proposto da Xia et al. [66], i quali hanno studiato l’integrazione tra un ciclo ORC transcritico a CO2, alimentato ad energia solare, e il processo

di desalinizzazione ad osmosi inversa. Qui il GNL viene utilizzato come dissipatore di calore nel ciclo ORC, mentre l’energia prodotta dal sistema viene in parte fornita al processo ad osmosi inversa per alimentare le pompe presenti. Questo impianto produce tre effetti utili: la generazione di energia elettrica; la rigassificazione del GNL; la desalinizzazione dell’acqua. Anche se interessante dal punto di vista impiantistico, questo sistema è caratterizzato da un rendimento di secondo principio solo del 4,9%.

• Sistema per la cattura dell’anidride carbonica

L’exegia fisica del GNL può essere utilizzata per ridurre il consumo di energia nei sistemi criogenici per la cattura della CO2. Questi sistemi possono essere utilizzati per liquefare e

separare la CO2 presente nei prodotti di combustione di un impianto o in un qualsiasi altro

flusso contenente anidride carbonica.

Il processo di cattura criogenica consiste nel raffreddare il flusso da trattare fino alla temperatura di liquefazione della CO2, in modo che possa essere separata dagli altri

54

diversi, ad esempio per la produzione di ghiaccio secco. Questo processo è piuttosto dispendioso poiché, per portare il flusso alla temperatura desiderata, è necessario utilizzare un ciclo di refrigerazione esterno. Pertanto, l’utilizzo dell’exergia del GNL può permettere di ridurre i consumi energetici richiesti dal processo [37].

Tipicamente, i processi proposti in letteratura prevedono la separazione e cattura della CO2

dai prodotti di combustione di una centrale elettrica. Se questa centrale utilizza come combustibile il gas naturale, l'integrazione tra il processo di rigassificazione del GNL e quello per la cattura criogenica dell'anidride carbonica può comportare notevoli vantaggi sia dal punto di vista ambientale che energetico. Un esempio di centrale elettrica con cattura della CO2 è stato

precedentemente esposto nella sezione riguardante il ciclo Brayton chiuso [43]. Questo sistema prevede il recupero dell’exergia fisica del GNL, non solo per aumentare l’efficienza del ciclo, ma anche per la liquefazione della CO2 presente nei fumi. Grazie a questa integrazione il

sistema raggiunge un’efficienza termica del 65% e un’emissione di CO2 quasi nulla.

In conclusione, la cattura criogenica della CO2 può ridurre significativamente l’emissione di

gas serra da un determinato impianto. Tuttavia, nella pratica è necessario fare attenzione alla variazione della quantità di CO2 nei fumi, che può portare ad una modifica delle condizioni

operative dell’impianto e ad una riduzione della sua efficienza [37].