LNG w pigułce

Technologia i metody skraplania gazu ziemnego

LNG jest produkowany z gazu ziemnego w procesie skraplania. Skraplanie lub kondensacja to zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej/ otoczenia. Kondensacja wiąże się ze zmniejszeniem odległości między cząsteczkami danej substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej.

Siły oddziaływania między nimi wzrastają aż do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Zachodzi przy tym wydzielanie energii w postaci ciepła. Proces skraplania zachodzi inaczej, gdy w gazie znajdują się zanieczyszczenia.

Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan. Oprócz niego także etan, propan i cięższe węglowodory oraz azot, tlen, dwutlenek węgla, siarka. Podczas procesu skraplania gaz ziemny musi zostać oczyszczony, głównie z wody i dwutlenku węgla, aby zapobiec tworzeniu się cząsteczek stałych, kiedy gaz jest schładzany do temperatury ok. -160°C. W efekcie LNG jest bardzo czystym gazem - w 95%. składa się z metanu, a tylko 5% stanowią inne składniki.

Istnieją trzy podstawowe metody skraplania*:

  1. Klasyczny cykl kaskadowy. Oczyszczony z dwutlenku węgla i wody gaz ziemny pod odpowiednim ciśnieniem przepływa przez instalację i jest ochładzany w trzech cyklach chłodniczych, w których czynnikami chłodniczymi są propan, etan i metan. Propan z pierwszego cyklu wykorzystuje się jednocześnie do skroplenia etanu z drugiego cyklu, natomiast etan z drugiego cyklu do schłodzenia metanu w trzecim cyklu. Zaletą tej metody jest to, że jest ona relatywnie energooszczędna. Wadą natomiast duża liczba instalacji potrzebnych do przeprowadzenia procesu, a także spore zapotrzebowanie na czysty etan i propan.
  2. Cykl kaskadowy z mieszanym czynnikiem chłodzącym. Jest to modyfikacja klasycznego cyklu kaskadowego z zastosowaniem tylko jednej sprężarki i jednego czynnika chłodzącego, którym jest mieszanina węglowodorów. Gaz ziemny jest najpierw wstępnie chłodzony za pomocą propanowego cyklu chłodniczego, a następnie chłodzony mieszaniną węglowodorów. Metoda ta jest nieco bardziej energochłonna niż klasyczny cykl kaskadowy, jednakże jej zaletą jest mniejsza liczba instalacji potrzebnych do przeprowadzenia procesu. Ze względu na niższe koszty eksploatacji różne warianty tej metody są stosowane częściej niż klasyczny cykl kaskadowy.
  3. Cykl rozprężenia z zastosowaniem turboekspandera. Instalacje skraplające gaz ziemny metodą opartą na cyklu rozprężenia działają na zasadzie zbliżonej do klasycznej metody Joule'a i Thompsona oraz instalacji produkujących ciekły tlen i azot metodą niskotemperaturowego frakcjonowania powietrza. W procesie tym część gazu ulega rozprężeniu w urządzeniu zwanym turboekspanderem, a następnie ochłodzeniu do bardzo niskiej temperatury. Schłodzony gaz wykorzystuje się następnie do skroplenia kolejnej porcji gazu przepływającej przez instalację. Metoda ta jest stosunkowo prosta i nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych. Jednakże charakteryzuje się dużym zużyciem energii potrzebnej do sprężania gazu. Z tego względu metoda ta jest stosowana w miejscach, gdzie energia potrzebna na sprężanie gazu jest tania. Jest ona najbardziej przydatna w przypadku małych instalacji skraplających gaz dla pokrywania szczytowych zapotrzebowań.

*Źródło: Jacek Molenda „Gaz ziemny. Paliwo i surowiec." Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996

Metody regazyfikacji

Regazyfikacja LNG polega na przywróceniu gazu z postaci skroplonej ponownie do postaci gazowej, poprzez ogrzanie skroplonego surowca. Podstawowymi urządzeniami w instalacji do regazyfikacji LNG są odparowalniki o różnej wydajności oraz różnej konstrukcji i sposobie ogrzewania.

Odparowalniki skroplonego gazu ziemnego dzieli się na następujące grupy:

  • odparowalniki z ogrzewaniem do temperatury równej temperaturze otoczenia
    • odparowalniki ogrzewane wodą morską lub rzeczną (ORV)
    • odparowalniki ogrzewane powietrzem (SPV)
  • odparowalniki z ogrzewaniem do temperatury wyższej od temperatury otoczenia
    • odparowalniki z ogrzewaniem bezpośrednim:
    • ogrzewanie ogniowe – palnikami gazowymi
    • ogrzewanie elektryczne
  • odparowalniki z pośrednim ogrzewaniem za pomocą nośnika ciepła:
    • ogrzewanie parą wodną
    • ogrzewanie wodą, w której zanurzone są płonące palniki gazowe
    • ogrzewanie izopentanem lub innymi ciekłymi nośnikami ciepła.

O wyborze rodzaju odparowalników i schemacie instalacji regazyfikacji LNG decyduje jej usytuowanie i przeznaczenie oraz dostępność paliwa (lub czynnika ogrzewającego).

Znaczenie i zalety LNG

Wzrost znaczenia LNG w ostatnich latach związany jest z ogólnym wzrostem zapotrzebowania na gaz ziemny.

Wykorzystaniu skroplonego gazu ziemnego sprzyja rozwój możliwości transportowych LNG, a przede wszystkim rozbudowa floty metanowców, a także duża konkurencyjność cenowa LNG w stosunku do gazu transportowanego rurociągami.

Ogromne znaczenie dla wzrostu zainteresowania LNG ma także lokalizacja złóż gazu w tych rejonach świata, które trudno połączyć rurociągami z krajami będącymi głównymi odbiorcami tego gazu. Wykorzystanie skroplonego gazu ziemnego jest również znakomitą metodą pokrywania szczytowych zapotrzebowań na gaz.

Do podstawowych zalet wykorzystania LNG należą:

  • elastyczność dostaw – LNG sprawdza się zarówno jako sposób na dywersyfikację dostaw gazu dla niektórych krajów oraz pokrycie szczytowych zapotrzebowań na gaz.
  • wydajność – podczas skraplania gazu ziemnego w LNG jego objętość zmniejsza się około 600 razy. Oznacza to, że po regazyfikacji 100 m3 LNG otrzymujemy 60 tys. m3 gazu ziemnego.
  • ekonomia – koszty transportu i magazynowania LNG są niższe niż gazu ziemnego. Wpływa na to m.in. możliwość wyboru dostawców z różnych części świata (optymalizacja kosztów zakupu i transportu).
  • ekologia – gaz ziemny jest ekologicznym paliwem. Podczas spalania emituje do atmosfery znacznie mniej zanieczyszczeń niż węgiel, ropa lub inne paliwa kopalniane. Skroplony gaz ziemny jest dodatkowo oczyszczany – jego skład to 95% metanu przy niewielkim (ok. 5%) udziale innych składników. LNG jest zatem bardzo czystym paliwem bez właściwości toksycznych i korozyjnych.
  • bezpieczeństwo – w przypadku kontaktu z powietrzem, LNG odparowuje i rozrzedza się w powietrzu. Jest więc znacznie mniej szkodliwym i niebezpiecznym paliwem niż np. ropa naftowa czy LPG. Nie ma możliwości skażenia środowiska (wód morskich, gleby) w przypadku wycieku LNG. Nowoczesne technologie konstrukcji zbiorników LNG (typu 'full-containment', "zbiornik w zbiorniku"), specjalne procedury oraz systemy zabezpieczeń, zapewniają wyjątkowo wysoki poziom bezpieczeństwa terminali regazyfikacyjnych.

Zastosowanie LNG

Przykładowe możliwości zastosowania skroplonego gazu ziemnego (ang. LNG - Liquefied Natural Gas):

  • Zaopatrywanie odbiorców końcowych w gaz ziemny. LNG jest wykorzystywany jako alternatywa dla gazu dostarczanego tradycyjnymi rurociągami. W przypadku niektórych krajów jest to sposób na zróżnicowanie źródeł dostaw gazu i zapewnienie niezależności energetycznej.
  • Pokrywanie krótkoterminowych szczytowych zapotrzebowań na gaz w czasie od 3 do 4 tygodni w ciągu roku przy pomocy instalacji skraplających gaz ziemny z rurociągów lub instalacji zaopatrywanych ze źródeł zewnętrznych, np.: z instalacji do odazotowni lub z przewoźnych instalacji złożonych. Kraje europejskie, które stosują takie rozwiązanie to Niemcy, Wielka Brytania, Holandia i Belgia. Rozwiązanie to jest również powszechnie stosowane w USA, gdzie pracuje kilkadziesiąt instalacji służących do skraplania gazu ziemnego i regazyfikacji, a także magazynowania LNG. 
  • Zaopatrywanie w gaz odbiorców nieprzyłączonych dotychczas do sieci przesyłowej (dystrybucyjnej) gazu (tzw. białe plamy). Najczęściej do stacji LNG przyłączony jest jeden lub kilku dużych odbiorców przemysłowych, a resztę stanowią stosunkowo mniejsi odbiorcy komunalni. 
  • Zaopatrywanie w gaz małych i średnich miejscowości, do których paliwo dostarczane jest z tzw. instalacji satelitarnych LNG, które z kolei uzyskują skroplony gaz ziemny z większych instalacji skraplających. Przykłady takich rozwiązań można znaleźć w Niemczech oraz Wielkiej Brytanii.
  • Paliwo do napędu pojazdów mechanicznych: autobusów, lokomotyw, helikopterów i samolotów ponaddźwiękowych. Zainteresowanie skroplonym gazem ziemnym jako paliwem do silników jest szczególnie duże w krajach o dużej gęstości zaludnienia. Wynika to z potrzeby ochrony atmosfery przed toksycznymi składnikami zawartymi w spalinach samochodów. Rozwiązanie to jest stosowane we Francji, Wielkiej Brytanii, a także w Japonii.
  • Paliwo dla elektrowni. Zasilanie elektrowni za pomocą LNG jest szeroko stosowane w Japonii - elektrownia w Jokohamie jest opalana skroplonym gazem ziemnym dostarczanym tankowcami ze złóż na Alasce.
  • Zaopatrywanie w gaz odbiorców czasowo odciętych od dostaw gazu z rurociągów, na przykład w wyniku konieczności przeprowadzenia remontu lub konserwacji sieci przesyłowej. Zastosowanie LNG umożliwia zaopatrywanie odbiorców w gaz bez przerywania dostaw. Rozwiązanie stosowane m.in. we Francji. 
  • Źródło zimna - LNG bywa wykorzystywany do celów chłodniczych i dla rozdzielania powietrza, na przykład w generatorach magnetogazodynamicznych do chłodzenia magnesów lub w przemyśle rafineryjno-petrochemicznym w instalacjach niskotemperaturowego frakcjonowania gazów węglowodorowych. Często również zimno wydzielane w trakcie regazyfikacji LNG wykorzystywane jest w instalacjach niskotemperaturowych np.: do produkcji tlenu przez rektyfikację skroplonego powietrza. W ten sposób działa m.in. instalacja w Fos-sur-Mer we Francji.
  • Zasilanie ogniw paliwowych wytwarzających energię elektryczną i/lub ciepło. Przykłady takiego zastosowania można znaleźć we Francji.

Historia LNG

Po raz pierwszy skroplenia gazu, czyli zamiany fazy gazowej w ciekłą, dokonał brytyjski fizyk i chemik Michael Faraday (1791–1867).

W 1883 roku profesorom Uniwersytetu Jagiellońskiego - Zygmuntowi Wróblewskiemu i Karolowi Olszewskiemu - udało się skroplić tlen i azot z powietrza atmosferycznego. Jednakże technologię schładzania i skraplania, którą można zastosować w urządzeniach chłodniczych opatentował w 1896 roku niemiecki inżynier i przedsiębiorca Karl Paul Gottfried von Linde, który w 1873 roku zbudował pierwsze urządzenie chłodzące w Europie.

Pierwsza chłodziarka na świecie pojawiła się jednak w Australii, a zaprojektował i skonstruował ją Szkot - James Harrisson, z zawodu drukarz i dziennikarz. Pierwotnie wymyślona technologia służyła schładzaniu powietrza, a po raz pierwszy została zastosowana przez przemysł spożywczy.

Technologia schładzania i skraplania gazu ziemnego została po raz pierwszy zastosowana w Stanach Zjednoczonych. Pierwsza instalacja do skraplania LNG rozpoczęła działanie w Zachodniej Wirginii w 1917 roku, a pierwsza komercyjna instalacja skraplająca została zbudowana w Cleveland w stanie Ohio (USA), w 1941 roku.

Pierwszy transport skroplonego gazu ziemnego (ang. LNG - Liquefied Natural Gas) miał miejsce dopiero po II Wojnie Światowej. W styczniu 1959 roku, przekształcony z używanego w czasie II Wojny Światowej transportowca, statek „The Methane Pioneer" wypłynął z Lake Charles w Luizjanie (USA) z ładunkiem m.in. LNG, aby przybyć do Canvey Island w Wielkiej Brytanii.

Po sukcesie pierwszego i kolejnych siedmiu transportów LNG statkami, The British Gas Council zdecydowała o imporcie LNG z Wenezueli. Jednakże w związku z odkryciem złóż w Libii i Algierii, krajach położonych znacznie bliżej Wielkiej Brytanii niż Wenezuela, ostatecznie zdecydowano o imporcie z Algierii, która tym samym stała się pierwszym na świecie eksporterem LNG.

Pierwsza komercyjna dostawa LNG  z Algierii na rynek brytyjski odbyła się w 1964 roku. Dostawy LNG do Wielkiej Brytanii nie wytrzymały jednak konkurencji ze złożami gazu odkrytymi na Morzu Północnym.

Lata 70. i 80. XX wieku przyniosły wzrost zainteresowania LNG. W krajach azjatyckich, głównie Japonii i Korei, rozpoczęto budowę elektrowni, których paliwem opałowym miał być gaz ziemny. Wydatnie przyczyniło się to do wzrostu koniunktury na wykorzystanie LNG.