Il Gas naturale liquefatto - GNL Relatore: Andrea Curti Centro di Sviluppo Politico e Sociale - CSPS
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INDICE 1. UTILIZZI DEL METANO... 4 Biogas... 4 Gas naturale... 4 Impieghi domestici... 5 Energia... 5 Carburante... 5 Reforming... 7 2. LIMITI DEL METANO... 8 Idratazione del Metano... 8 Pro e contro dei veicoli con impianto a metano... 8 Inquinamento... 9 2
Ultimamente si è parlato della svolta verde dell'autorità portuale, nell'ambito della realizzazione di una stazione di bunkeraggio per navi in sosta, alimentata da gas naturale liquefatto (GNL). Vogliamo dunque fare il punto proprio sul metano, risorsa energetica che viene ostentata come il carburante del futuro, ma che in realtà non lo è affatto. Il metano è un alcano ed è un combustibile fossile formato da un solo atomo di carbonio e 4 di idrogeno; è l'idrocarburo con la molecola più piccola e si trova in natura allo stato gassoso. Si attribuisce la scoperta ad Alessandro Volta che, a fine 700, sentendo delle storie su delle strane fiammelle di colore azzurro presso il fiume Lambro, decise di indagare su tale fenomeno, scoprendo appunto quello che è il più semplice degli idrocarburi della famiglia degli alcani. La combustione del metano (CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O) produce vapor d'acqua e anidride carbonica, in misura inferiori agli altri combustibili fossili. Il metano è il principale componente del gas naturale ed è un eccellente carburante poiché produce il maggior quantitativo di calore per unità di massa; è inodore, incolore, estremamente infiammabile ed insapore, quindi per la distribuzione nelle reti domestiche viene "odorizzato". Il metano è uno dei responsabili dell'incremento dell'effetto serra: la sua concentrazione in atmosfera è aumentata del 150% negli ultimi 250 anni. E' d'uso indicare il gas naturale come metano anche se in realtà il metano ne costituisce dal 90 al 60% e il restante è costituito principalmente da etano, propano, butano, pentano. La maggior parte del metano è di origini biologiche: ha particolare importanza quello di natura fossile che generalmente troviamo insieme al petrolio: è più potente e duraturo. Il metano inoltre si può formare anche dalla putrefazione delle sostanze organiche presenti nelle acque stagnanti o può essere ricavato dalle miniere di carbone (metano che depura il carbone); può inoltre derivare da produzioni artificiali (come fonte rinnovabile derivante da fermentazione anaerobica di sostanze inorganiche). Dato che tutti i materiali organici possono essere sottoposti al sistema di digestione anaerobica, questa tecnica offre vantaggi dal punto di vista dello smaltimento dei rifiuti organici. Il metano non è una fonte esauribile (in quanto si può anche produrre artificialmente), anche se bisogna preferire altre fonti rinnovabili dato che le attuali tecnologie non hanno rese energetiche competitive. Il gas naturale trova grandissime applicazioni in ogni settore (domestico, industriale, dei trasporti...). Può essere trasportato sotto forma di gas compresso (GNC) o gas liquefatto (GNL). Nel primo caso viene utilizzato per autotrazione e distribuito a circa 200 bar in veicoli dotati di appositi sistemi di trasporto e stoccaggio (bombole). Inizialmente ebbe una notevole diffusione in Italia negli anni 30, per sopperire alla mancanza di petrolio nazionale. Oggi viene promosso in tutto il mondo come combustibile ecologico da utilizzarsi preferibilmente in aree urbane particolarmente inquinate. Il GNL è costituito prevalentemente da metano liquefatto per raffreddamento a - 3
161 C, a pressione atmosferica, allo scopo di renderlo idoneo al trasporto mediante apposite navi cisterna oppure allo stoccaggio. Per essere utilizzato, il prodotto liquido deve essere poi riconvertito allo stato gassoso. I maggiori produttori sono la Russia (608 miliardi di m 3 annui), gli USA (541 miliardi di m 3 annui), Canada (182 miliardi di m 3 annui), Regno Unito (108 miliardi di m 3 annui) e Algeria (87 miliardi di m 3 annui). In Italia la produzione è modesta e va sempre più diminuendo. 1. UTILIZZI DEL METANO Biogas È una miscela gassosa ottenuta dalla decomposizione di materiale organico ed è formata per la maggior parte da metano. Essendo il suo rendimento relativamente basso, si può avere un apprezzabile recupero energetico solo da discariche di grossa capacità. Mediante combustione il biogas può essere utilizzato per il riscaldamento e la produzione di acqua calda o vapore. Inoltre può essere utilizzato anche per la propulsione di motori a combustione interna accoppiati ad alternatori elettrici (motori di derivazione navale). Esistono alcuni problemi che riguardano l utilizzo di questo gas come carburante per automobili, tra cui quello dello stoccaggio: il contenuto del metano dovrebbe aumentare e il gas dovrebbe essere compresso in forma liquida. Negli USA è stata sperimentata l'introduzione del biogas nelle reti di distribuzione cittadina. A tal fine sono necessarie però una distanza ravvicinata della rete alla discarica e la disponibilità di una grossa quantità di gas, nonché una buona qualità di quest ultimo; è quindi necessario un pretrattamento sia per la depurazione (desolforazione) che per l'arricchimento (abbassamento del titolo di CO 2 ). Gas naturale Il gas naturale viene utilizzato in svariati ambiti grazie al suo alto potere calorifico. Il suo potere energetico è di circa 40 MJ/m3. Nel 1993 si è registrato che il 23%dell'energia consumata nel mondo è stata prodotta proprio dalla combustione del metano. Tale combustione tra lʼaltro è molto pulita: quando brucia il gas naturale sviluppa prevalentemente CO2 anche se in ogni caso in minor percentuale (a paritá di energia prodotta) rispetto agli altri carburanti. Bruciando metano il presenza di 4
ossigeno, si ottiene CO 2, acqua e calore (891 kj/m). Impieghi domestici Grazie alla sua estrema pulizia, al suo basso costo e allʼalto potere calorifico, questo gas viene utilizzato anche per il riscaldamento delle abitazioni, ma anche nei forni e nelle cucine a gas come per la produzione di acqua calda nelle caldaie. La distribuzione del metano avviene prevalentemente per mezzo di tubazioni sotterranee, e questo comporta notevoli vantaggi a livello economico e a livello ambientale: non bisogna di serbatoi e si può pagare al consumo. Inoltre a differenza del GPL è meno denso dell'aria, quindi in caso di perdite si disperde verso l'alto evitando accumuli di gas al suolo potenzialmente pericolosi. Energia Il gas naturale viene utilizzato anche all'interno delle centrali a turbogas per produrre energia elettrica a minor impatto ambientale. Queste sono impianti costruiti per generare energia elettrica mediante l'utilizzo di un motore a combustione interna turboespansore alimentato a gas o gasolio. Un compressore inietta nella camera di combustione l'ossigeno (aria presa dall'esterno) e qui ha luogo la combustione del gas o del gasolio generando energia termica ad elevata temperatura. Il calore spinge al moto la turbina a gas il cui compito consiste nel trasformare l'energia termica in energia meccanica. Il moto della turbina a gas è infine utilizzato per generare energia elettrica tramite un generatore di corrente e un alternatore. In una normale centrale termoelettrica il calore prodotto dalla combustione è utilizzato per creare la forza vapore necessaria per far girare una turbina a vapore. Nelle centrali turbogas, invece, il calore della combustione si espande dalla camera di combustione direttamente nella turbina a gas spingendola al moto. L'energia chimica della combustione viene immediatamente utilizzata dalla turbina a gas per generare energia meccanica. Carburante Il gas naturale è anche una valida alternativa meno inquinante ad altri carburanti per automobili. Sono molte le case automobilistiche che hanno deciso di investire su questa tecnologia: dal 1995 BMW e Volvo, poi Fiat infine Opel e Volkswagen. Dal punto di vista ambientale è stato già trattato il rapporto più elevato tra energia sviluppata e quantità di anidride carbonica emessa. Un vantaggio ulteriore a quello 5
economico per i possessori di autoveicoli alimentati a metano consiste nel fatto che queste automobili sono in genere esenti dai blocchi e dalle restrizioni di traffico. I motori a metano inoltre solitamente si usurano di meno proprio grazie agli scarsissimi residui carboniosi all'interno dello stesso: insomma la combustione in camera di scoppio è completa e la resa termica è ottima quindi si riduce l'usura delle parti in movimento del motore quali pistoni e cilindri come alberi e bielle allungando così la vita media del motore. La più diffusa tecnologia è la bifuel metano-benzina. Il suo funzionamento è semplice: il gas passa dal serbatoio ad un riduttore di pressione (per arrivare alla pressione di alimentazione del propulsore). Da qui il metano passa attraverso il dosatore, che ne regola l'immissione grazie alla centralina. L'ultimo componente è il distributore che invia il carburante ai singoli cilindri. All'interno dell'abitacolo viene installato un commutatore che permette di passare da metano a benzina. Solitamente l'avviamento avviene a benzina poiché questa ha un maggiore potere detonante. Il metano viene erogato nella bombola ad una pressione di circa 200 bar nominali. Il suo prezzo è espresso in funzione della massa e non del volume (1kg metano =1,5 l benzina) e ad oggi si aggira intorno a 0.98 euro al litro: tra lʼaltro non essendo un derivato del petrolio, il prezzo di questo gas varia in percentuale minore rispetto ad esempio al GPL (non seguendone l'inflazione). Tra un pieno e l'altro possono esserci variazioni di carica (dipende dal volume del serbatoio, dalla pressione e dalla temperatura). Il rendimento del metano comunque, al contrario della benzina, non dipende dal luogo di rifornimento proprio grazie alla sua proprietà di mantenere inalterate le sue caratteristiche strutturali. Le prestazioni del motore a metano sono, per una macchina di media cilindrata, all'incirca inferiori del 10% rispetto a quando questo è alimentato a benzina. Anche la velocità massima ne risente in minima parte. Il problema del peso delle bombole è stato parzialmente risolto negli ultimi anni grazie a serbatoi in alluminio e in fibra di carbonio. Teoricamente il metano potrebbe dare prestazioni migliori ma ciò richiederebbe motori con un rapporto di compressione maggiore di quello dei motori attuali, predisposti per il rapporto di compressione adatto alla benzina (ρmax = 12). Esiste anche una competizione automobilistica riservata alle autovetture ecologiche: il campionato mondiale FIA Alternative Energies, in cui un team italiano ha ottenuto buoni risultati presentando una 500 Abarth alimentata a metano ribattezzata 500 EcoAbarth. Oggi esiste anche un brevetto italiano Landirenzo diesel dual fuel che permette di utilizzare lʼalimentazione a metano anche allʼinterno di motori diesel. I due combustibili vengono iniettati contemporaneamente nel motore diesel e la composizione percentuale viene gestita dalla centralina in funzione della coppia richiesta (privilegiando comunque l'utilizzo del gas). L'accensione in questo caso è innescata dal gasolio e si estende poi al metano. 6
Reforming Il metano viene utilizzato ampiamente anche in svariati processi produttivi industriali come nel settore meccanico e metallurgico. Inoltre viene impiegato come materia prima per la produzione di materie plastiche, farmaci, coloranti, cloroformio (clorurazione, da reazione diretta con il cloro si ottengono prodotti clorurati), o per la produzione di idrogeno. Dalla metà degli anni settanta infatti, il reforming è il processo al primo posto per la preparazione industriale dell'idrogeno (quasi il 50% dell'idrogeno mondiale). Questo è basato sulla reazione degli idrocarburi contenuti nel gas naturale con il vapor d'acqua: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 La reazione è endotermica e il reforming è condotto a temperatura elevata (equilibrio spostato verso sinistra a temperatura bassa) circa 800 C in presenza di catalizzatori ed a 30 atm. La seconda fase del processo è detta shift reaction: la miscela prodotta (detta gas d'acqua) viene addizionata con vapor d'acqua e fatta passare su catalizzatori a circa 400 C. Si ha così la conversione del gas d'acqua: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Il processo ha un rendimento globale del 65/70% CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 I costi del reforming sono notevolmente inferiori a quelli dell'elettrolisi e competitivi con quelli delle altre tecnologie, ma immette in atmosfera grandi quantità di CO2. Una parziale soluzione a questo problema è l'utilizzo di metano derivato da biomasse. 7
2. LIMITI DEL METANO Idratazione del Metano Quando una molecola non polare come un idrocarburo è posta in acqua, alcuni dei legami idrogeno tra le molecole di acqua devono rompersi per creare lo spazio adatto ad alloggiare le molecole di soluto: nuovi legami idrogeno possono compensare, parzialmente o totalmente, i legami distrutti. Ciascuna molecola di soluto viene intrappolata in una struttura a gabbia rigida e ordinata per l'organizzazione delle molecole di acqua. Tale struttura, chiamata "gabbia a clatrato", consiste di un numero ben definito di molecole d'acqua tenute insieme da legami idrogeno. Negli ultimi 30 anni si sono intensificati gli studi sugli idrati degli idrocarburi, in particolare del metano. Più della metà delle risorse mondiali di metano si trovano in zone remote. In Canada, Alaska, Siberia esistono grossi giacimenti sotto forma di idrati solidi; lo studio di questi ha portato la realizzazione di nuovi metodi di estrazione. Trasportare il metano non è facile poiché si creano formazioni dannose di idrati di metano solidi all'interno delle condutture: si cerca di impedire questo processo attraverso lo studio di inibitori di idratazione da addizionare al gas. Pro e contro dei veicoli con impianto a metano Le auto con impianto a metano non richiedono particolare manutenzione se paragonate con una medesima auto alimentata con altri carburanti, fatta eccezione per la revisione delle bombole ogni 4-5 anni e la necessità di controllare di tanto in tanto l'avviamento e l'impianto elettrico. Infatti, essendo un processo di combustione pulito, non ci sono accumuli carboniosi sulle candele che avranno quindi una vita più lunga. Per lo stesso motivo anche l'olio motore si sporca meno e mantiene più a lungo le sue caratteristiche di densità e viscosità utili ad una buona lubrificazione. Per quanto riguarda la sicurezza i materiali utilizzati nella costruzione dell'impianto sono all'avanguardia: le bombole hanno una vita media di 20 anni e sono progettate per poter resistere ad alte pressioni ed alte temperature. Inoltre rispetto alla benzina il metano ha il vantaggio di non spargersi al suolo e di avere una soglia di infiammabilità più alta ed una temperatura di autoaccensione a contatto con l'aria di 540 C contro i 228 C della benzina. Operativamente si ha difficoltà a far liquefare il metano che rimanendo allo stato gassoso occupa molto spazio: ciò ne consente l'utilizzo solo per il 20% del volume totale del serbatoio. Questa percentuale andrà variando con i fattori climatici in quanto il gas si dilata o si restringe a seconda delle temperature esterne. Tutto ciò 8
comporta una scarsa autonomia che a sua volta richiede serbatoi più grandi o multipli. L'ingombro di questi è notevole anche perché non possono avere una forma qualsiasi (tipo la forma "a ciambella" che si usa per il GPL), ma deve essere necessariamente di forma cilindrica ("a siluro"). La forma e le necessarie dimensioni, fanno si che un impianto a metano utilizzi quasi completamente il vano bagagli riducendo gli spazi utili a disposizione. Oltre ai problemi di spazio vi sono anche problemi riguardanti l'autonomia dei veicoli. Questo rende necessarie soste più frequenti per il rifornimento che inoltre richiede un tempo superiore rispetto agli altri carburanti poiché il gas necessità di appositi dispositivi ermetici. Inquinamento Il metano è un gas serra presente nell'atmosfera terrestre in concentrazioni molto inferiori a quelle della CO 2 ma con un potenziale di riscaldamento globale ben 21 volte superiore. La sua concentrazione in atmosfera è aumentata da 700 ppb (parti per miliardo) nel periodo 1000-1750 a 1.750 ppb nel 2000, con un incremento del 150%. Questo gas è responsabile al 18% dell'incremento dell'effetto serra nonostante ciò non è paragonabile al petrolio e ai suoi derivati (benzina, gasolio, cherosene, GPL). Dato il suo basso contenuto di carbonio (e alto contenuto di idrogeno) produce emissioni di CO 2 inferiori del 25% rispetto alla benzina, del 16% rispetto al GPL, di circa il 30% rispetto al diesel e del 70% nei confronti del carbone. Il gas naturale ha una capacità di formare ozono inferiore del 80% rispetto alla benzina e del 50% rispetto a gasolio e GPL. Il metano è un combustibile classificato a "minimo impatto ambientale" grazie alle emissioni dovuti alla combustione molto ridotte, che non contengono residui carboniosi, benzene e polveri ultrasottili. Non può però essere definito come un'energia pulita, in quanto la combustione dà comunque come prodotto CO 2. Inoltre durante le fasi di estrazione, intubazione e trasporto si hanno perdite di circa il 2-3% di gas. Anche assumendo che le fughe fossero minime, si parlerebbe comunque di almeno 6 milioni di tonnellate di metano l'anno che finiscono in atmosfera: un contributo al disastro climatico pari a quello delle emissioni di 120 milioni di auto. 9