Gran Química: Gas Natural Licuado

May 13, 2023

El tema de la energía ha sido lo más importante para nosotros desde que el primero de nuestros ancestros bajó de los árboles buscando algo para comer que no se los comiera a ellos. Pero en un mundo donde la lucha interminable por la energía se ha abstraído con el movimiento de un dedo en un interruptor de luz o termostato, gracias a las fuerzas geopolíticas, muchos de nosotros ahora enfrentamos la ira del invierno con una perspectiva completamente diferente de lo que se necesita. para mantenerse caliente.

El problema no es necesariamente que no tengamos suficiente energía, es más bien que la que tenemos no se distribuye uniformemente ni se obtiene fácilmente. Mover la energía desde donde se produce hasta donde se necesita rara vez es una cuestión sencilla y, a menudo, plantea importantes e interesantes desafíos de ingeniería. Esto es especialmente cierto para las fuentes de energía que no tienen mucho impacto en un espacio pequeño, como el gas natural. Llevarlo a través de un continente ya es bastante desafiante; cruzar un océano es otra cosa completamente diferente, y ahí es donde el gas natural licuado, o GNL, entra en escena.

Antes de comenzar a ver cómo se produce el GNL, es mejor comenzar preguntando por qué necesitamos GNL en primer lugar. Después de todo, tenemos una infraestructura de gasoductos increíblemente compleja que abarca todo el continente y que está optimizada para el transporte a granel de gas natural a larga distancia. ¿Por qué molestarse en pasar por todo el esfuerzo y gasto de licuar el gas natural?

En una palabra: océanos. Esas vastas redes de tuberías prácticamente se detienen en la orilla del agua, y aunque ciertamente hay algunas tuberías de gas natural submarinas, los eventos recientes nos han demostrado cuán vulnerables pueden ser. Por lo tanto, el envío de gas natural por mar se ha convertido en un medio necesario para mover la energía del punto A al punto B. Y para hacerlo de manera eficiente, debe reducir drásticamente su volumen. Convertir el gas natural en líquido hace exactamente eso: aumenta su densidad 600 veces, lo que hace factible su envío a granel.

La materia prima para el gas natural licuado es, por supuesto, el gas natural. Ya hemos cubierto bastante sobre el proceso de recolección y distribución de gas natural, pero brevemente, el gas natural es una mezcla de hidrocarburos como el metano y el etano producidos a partir de la descomposición de la biomasa antigua en formaciones geológicas. Junto con los hidrocarburos líquidos y contaminantes como nitrógeno, dióxido de carbono, compuestos que contienen azufre y vapor de agua, el gas se acumula en depósitos subterráneos que se extraen mediante perforación.

El gas natural crudo se transporta, bajo su presión natural o con la ayuda de enormes compresores, a través de tuberías a las plantas que limpian el gas. La recuperación del azufre y el helio, ambos elementos químicos valiosos, del gas crudo es especialmente importante, pero también lo es eliminar los contaminantes de bajo valor como el agua y el CO2 del gas natural, ya que ambos pueden causar problemas de congelamiento en el futuro. El agua se elimina burbujeando el gas natural crudo a través de trietilenglicol (TEG), una solución extremadamente higroscópica, mientras que el CO2 se elimina usando un depurador de aminas, que expone el gas crudo ácido a soluciones de aminas que contienen nitrógeno como la dietilamina (DEA), que adsorbe el CO2 Después de una mayor purificación, que elimina cualquier resto de hidrocarburos más pesados ​​y contaminantes como el mercurio, que no se comportarán cuando se expongan al aluminio y al acero inoxidable, la materia prima del gas natural es entre un 85 % y un 90 % de metano (CH4), y el resto es una mezcla de etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10).

El gas natural limpio y seco está listo para la licuefacción. Como la mayoría de los gases, el gas natural se condensará en líquido cuando su temperatura caiga por debajo de su punto de ebullición, que es de -161,5 °C para el metano. Entonces, para producir GNL, se requiere un proceso criogénico a escala industrial. La mayor parte del GNL actual se fabrica con un proceso llamado C3MR, que es un sistema de enfriamiento progresivo de doble bucle. El "C3" se refiere al propano, un compuesto de tres carbonos que se utiliza como refrigerante en el circuito de preenfriamiento. Cada mitad del ciclo es esencialmente igual a la que se encuentra en cualquier refrigerador, aunque en una escala muy diferente. En la etapa de preenfriamiento, el propano líquido pasa a través de una válvula de expansión, lo que provoca un cambio de fase y una caída brusca de la temperatura. El propano enfriado elimina el calor del gas natural a través de un intercambiador de calor, el propano se comprime con un compresor de tres etapas y el calor se elimina a través de un condensador para que el ciclo pueda comenzar nuevamente.

Después del preenfriamiento, el gas natural está a aproximadamente -33°C, frío, pero no lo suficientemente frío. El gas enfriado ahora ingresa al circuito "MR" o "refrigerante mixto", con una mezcla de propano, pentano, metano y etileno. Una vez más, el ciclo térmico es familiar, pero la escala es aún más masiva: los intercambiadores de calor tipo espiral que se usan en algunos bucles de RM pueden tener miles de kilómetros de tubería enrollada en su interior, con un área de intercambio de calor de 40 000 metros cuadrados. También hay intercambiadores de calor de placas y aletas, que tienen múltiples capas de aletas corrugadas intercaladas entre placas planas de aluminio. Los intercambiadores de calor de placas y aletas se instalan en recintos rellenos de aislamiento llamados cajas frías. Ambos tipos de intercambiadores de calor generalmente se implementan en conjuntos paralelos llamados trenes para lograr un rendimiento masivo y redundancia.

Después del circuito MR, el gas natural ha descendido a aproximadamente -160°C y ahora es un líquido incoloro, inodoro y no tóxico. La entrada de energía para llegar a este punto ha sido considerable: algo así como 13 kilovatios para producir una sola tonelada de GNL. A partir de 2021, la capacidad de licuefacción global superó los 450 millones de toneladas por año, con más capacidad aún en construcción.

Pero toda esta producción no significa nada sin un lugar donde poner todo este GNL. La naturaleza criogénica del GNL presenta ciertos desafíos de ingeniería. Si bien no es tan frío como el nitrógeno líquido o el oxígeno, el GNL aún puede causar la fragilización del acero, razón por la cual se utilizan aleaciones especiales de acero inoxidable para las tuberías y tanques de GNL. Los tanques de almacenamiento, que se utilizan para contener GNL temporalmente entre la producción y el envío, también deben diseñarse cuidadosamente. Estos tanques a menudo se construyen parcialmente o incluso completamente bajo tierra; mientras que el subsuelo proporciona un aislamiento que reduce la transferencia de calor al GNL, el frío puede congelar el agua subterránea y provocar escarcha debajo de los tanques. Los tanques de almacenamiento también deben permitir la evaporación del GNL, con el gas natural resultante ya sea capturado y vendido a través de canales de distribución regulares, o transportado de vuelta al comienzo del proceso y vuelto a licuar.

Llevar GNL de un lugar a otro es el trabajo de buques cisterna especializados en GNL, buques enormes que están especialmente diseñados para mover de manera segura y eficiente la mayor cantidad de GNL posible. Aunque los diseños de los barcos varían, la mayoría de los aproximadamente 550 barcos de la flota de GNL utilizan lo que se conoce como "tanques de musgo", esferas gigantes que sobresalen por encima de la cubierta. La mayoría de los barcos tienen cuatro o cinco de estos tanques fuertemente aislados; Si bien su forma esférica no es terriblemente eficiente en términos de utilizar todo el volumen del casco del barco, elimina el peligro de que la carga se deslice. Se están diseñando transportadores de GNL "prismáticos" más nuevos, con tanques de carga que llenan más completamente el espacio del casco. Los tanques están revestidos con una membrana aislada hecha de acero inoxidable con alto contenido de níquel o aleación de invar, que reduce la expansión y contracción térmica. Los petroleros más grandes pueden contener más de 250.000 metros cúbicos de GNL.

Debido a la naturaleza peligrosa de su carga, los buques tanque de GNL deben construirse teniendo en cuenta la seguridad. No importa qué tan bueno sea el aislamiento del tanque, inevitablemente habrá algo de evaporación de la carga durante el tránsito. Muchos petroleros aprovechan este gas y lo utilizan como combustible. Los barcos también cuentan con extensos sistemas de monitoreo para detectar fugas; a diferencia del gas natural que se canaliza a los hogares y las empresas, el GNL no contiene olor a metilmercaptano. Por lo tanto, los sensores de metano están ubicados en casi todos los espacios de un buque cisterna de GNL.

Una vez que un cargamento de GNL llega a su destino, debe volver a convertirse en gas antes de ser utilizado. El proceso de regasificación es básicamente lo opuesto a la licuefacción, ya que el GNL se calienta suavemente por encima del punto de ebullición. Dado que el GNL se transporta justo por debajo de su punto de ebullición, no se necesita un gran cambio de temperatura para forzar la transición de fase. Pero eso no significa que sea un proceso simple.

La regasificación puede ocurrir en plantas ubicadas adyacentes a las instalaciones portuarias especialmente diseñadas para acomodar buques tanque de GNL, o puede realizarse mediante unidades flotantes de almacenamiento y regasificación, o FSRU. Las FSRU se parecen mucho a los buques cisterna de GNL y tienen muchos de los mismos equipos, incluidos los tanques de almacenamiento esféricos tipo ether Moss o los tanques prismáticos. Las FSRU también están equipadas con una planta de regasificación, que toma el GNL de sus tanques de almacenamiento, lo pasa a través de intercambiadores de calor y canaliza el gas natural hervido a la costa a través de tuberías sumergidas. La ventaja que tienen las FSRU frente a las plantas de regasificación en tierra es la versatilidad: no hay necesidad de esperar mareas favorables para que atraque un buque cisterna de GNL, por lo que la descarga puede ocurrir cada vez que llega el barco.

Ya sea en tierra o flotante, el calor para la regasificación se deriva de una variedad de fuentes. Muchas plantas usan vaporizadores, que calientan el GNL soplando aire a temperatura ambiente sobre intercambiadores de calor con ventiladores gigantes. A veces, se utiliza agua de mar como medio de transferencia de calor, con agua a temperatura ambiente rociada sobre los serpentines del intercambiador de calor. Cuando la temperatura ambiente es más baja, algunos regasificadores utilizan vaporizadores de combustión sumergida (SCV), que tienen quemadores sumergidos en grandes cubas de agua. Los gases de escape de los quemadores calientan el agua, que a su vez calienta el GNL a medida que pasa por los serpentines del tanque. Los SCV generalmente funcionan con gas natural que se extrae de la salida.

Una vez que el gas natural vuelve a su fase gaseosa, está listo para ingresar al sistema de distribución local. Los operadores de tuberías generalmente ejecutan sus sistemas de distribución a 30-80 bar (3000-8000 kPa), por lo que la producción de la planta de regasificación debe coincidir con esa especificación. En lugar de comprimir el gas de salida del regasificador, resulta más fácil y eficiente presurizar la entrada de GNL mediante bombas. El operador de la tubería generalmente realizará pruebas de control de calidad en un lote de GNL antes de entregarlo a sus clientes y, por supuesto, agregará el odorante de metilmercaptano requerido.

La cadena de suministro de GNL es bastante compleja, pero sorprendentemente eficiente desde el punto de vista energético. La mayor parte de la energía se destina a la licuefacción y el transporte, y solo se necesita una pequeña energía para empujar el líquido criogénico de nuevo a gas. En términos de infraestructura, definitivamente hay mucho de eso en ambos extremos de la cadena de suministro. Pero en la mayoría de los casos, el sistema de GNL es la forma más eficiente de transportar energía química a grandes distancias.

[Imágenes destacadas: buque cisterna de GNL tipo Moss Arctic Princess. Fuente: JoachimKohlerBremen, CC BY-SA 4.0.]