Tehnološki procesi utečnjavanja i isparavanja zemnog gasa

u funkciji lanca snabdevanja svetskog tržišta

Technological processes of evaporation and liquefaction of natural gas

in a function of the supply chain of the world market

dr Dragan Radiš

30. Međunarodni kongres o procesnoj tehnici – Procesing, Beograd, 1. i 2. jun 2017

30th International Congress on Process Industry – Procesing, Belgrade, 1st and 2nd

June 2017

1. UVOD1.1. Potrošnja energije u svetu i njeni izvori

- Da bi se lakše definisao energetski potencijal i uporedili različiti izvori energije, često se koristi i

naturalni oblik jedinica za masu ili zapreminu.

- Tako da se, radi lakše konverzije, koriste utvrđene faktorske vrednosti za obračun u uslovno gorivo.

Najčešće, u praksi i literaturi, koristi se jedinica ekvivalentne nafte. Tona ekvivaletne nafte.

- Tako da se drugi energenti svode na vrednost nafte. Na ovaj način se omogućuje međusobno

sagledavanje i upoređivanje vrsta goriva i energije.

- Na osnovu energetske konverzije, 1000 m3 zemnog gasa jednako je 0,849 ten.

- Potrošnja primarne energije ima stalan rast.

- U periodu 1870–1970. godine potrošnja energije se u svetu povećala 32 puta sa prosečnom stopom

rasta od 3,5%.

- Samo u periodu od dvadeset godina (1950–1970) potrošnjaje veća od celokupne potrošnje od 1850.

do 1950. godine. U periodu od 1973. do 2015. godine potrošnja energije je više nego udvostručena.

Slika 1. Potrošnja energije u svetu Tabela 1. Potrošnja energije u svetu prema izvoru

1.2. Ukupne rezerve zemnog gasa u svetu

- U svetu postoji preko 700 basena nafte i gasa, a do sada je istraženo oko 400, od kojih je 160 basena

produktivno. Rezerve ovih energenata su i u okviru njih krajnje neravnomerno raspoređene.

- Zemni gas zauzima značajno mesto u svetskim resursima energentskih sirovina.

- Posmatrano sa aspekta trenutne mogućnosti eksploatacije i proizvodnje zemnog gasa, na postojećem

nivou tehničko-tehnološkog razvoja i ekonomske isplatljivosti, sva ležišta gasa u prirodi mogu se

grupisati u 1). konvencionalna i 2). nekonvencionalna.

1. Konvencionalna ležišta gasa su ona ležišta iz kojih se može, u sadašnjem trenutku, na ekonomski

isplativ način uz konstantan dotok energenta eksploatisati gas.

- Najveće rezerve gasa su u: Persijskom zalivu, Zapadnosibirskom, Permski, Ural-Volga, Alžir, Severno

more... Oko 80% svetskih rezervi konvencionalnog gasa nalazi se u samo 10 basena.

- Procenjeno je 2015. godine da su ukupne konvencionalne rezerve zemnog gasa sto devedeset osam

biliona m3 (198,281 x 1012 m3). Ukupno procenjene rezerve gasa u prvih deset zemalja sveta 2015.

iznose 156,987 x 1012 m3.

- Od ukupnih rezervi gasa, procentualno posmatrano, najveće rezerve imaju: Rusija 25,5%; Iran 16,9%;

Katar 12,3%; Turkmenistan 5,0%; SAD 4,4%; Saudijska Arabija 4,3%...

2. Nekonvencionalnim ležištima zemnog gasa smatraju se ona ležišta iz kojih je trenutno nemoguće

proizvoditi uz konstantan dotok, ili u ekonomski isplatljivim količinama klasičnim tehnologijama, bez

stimulacije ležišta hidrauličkim frakturiranjem, horizontalnim bušenjem, multilateralnim bušenjem ili

drugim tehnikama.

- Izvori nekonvencionalnog metana su u ležištima uglja, slabopropusnog peska, fraktrirani šejlovima, u

gasu otopljenom u dubokim akviferima, u metanskim hidratima.

- Od svih nekonvencionalnih energenata fosilnog porekla, metanski hidrati danas predstavljaju

najinteresantnije i perspektivnije rezerve gasa u svetu.

2.1. Metanski hidrati

- Hidrati su oblik vodenog leda koji u svojoj kristalnoj strukturi od molekula vode sadrži „zarobljeni“ metan.Zaleđeni molekuli vode okružuju molekule metana i na taj način formiraju metanske hidrate.

- U jednom njegovom volumenskom kubnom metru ima u proseku najčešće 164 m3 metana i oko 0,87 m3 vode.

- Termodinamički su stabilni u nepolarnim područjima, u dobro sortiranim klasičnim sedimentima na rubovima kontinenata širom sveta na dubini vode oko 450 m, a u područjima arktičkog permafrosta, na dubinama od 200 do preko 1000 metara, pri temperaturama nižim od 12ºC.

Slika 2. Grafička ilustracija hidrata, pozicija „zarobljenog“ metana i lokacije ležišta hidrata u svetu

- Nekonvencionalne rezeve gasa. Okvirno, smatra se da bi nekonvencionalni izvori gasa mogli da sadrže dodatnih 60–250% svetskih rezervi, i procenjuje se da gasa ima u: ležištima uglja (coal-bed methane)255 x 1012 m3; vrlo slabo propusnim ležištima (tight gas) 453 x 1012 m3; šejlovima (shale gas) 210 x 1012 m3; metanskim hidratima 1–5 x 1015 m3.

- Ukupne svetske rezeve gasa. Prema podacima IEA (Internacional Energy Agency) od 2011. godine, ukupne procenjene konvencionalne (dokazane + procenjene) zalihe dovoljne su za narednih 120 godina postojeće potrošnje, a sve ukupne (konvencionalne + nekonvecionalne) dovoljne su za narednih 250 godina, pri postojećem stepenu godišnje potrošnje ovog energenta.

Konveniconalne rezerve zemnog gasa u svetu

- Ukupno procenjene rezerve gasa u prvih deset zemalja sveta 2014. iznose 158,123 x 1012 m3, što predstavlja 77,4% ukupnih svetskih rezervi zemnog gasa koje su procenjene na 201,771 x 1012 m3. Procenjene ukupne rezerve u svim drugim zemljama sveta zajedno iznose 43,648 milijardi m3 (22,6% od celokunih rezervi gasa u svetu).

- Procenjuje se da se 65% ukupnih svetskih konvecionalni rezervi gasa nalazi u tri regiona: Ruska Federacija, Srednji istok (prvenstveno Katar i Iran) i Severna Amerika.

- Posmatrano sa aspekta država, 78% procenjenih svetskih rezervi nalazi se u deset zemalja.

- Od svih procenjenih svetskih rezervi, 53,4% se nalazi u tri države (Rusija – 49.541 milijarda m3, Iran –33.948 milijardi m3 i Katar – 24.936 milijarde m3).

- Ukupna proizvodnja (istovremeno i potrošnja) zemnog gasa u svetu 2014. godini bila je 3474,91 x 109 m3, što znači da su, prema tom nivou potrošnje, ukupne svetske dokazane rezerve gasa dovoljne za narednih 60 godina.

- Procenjuje se da se 80% procenjenih konvencionalnih rezervi prirodnog gasa u svetu nalazi na rastojanju do 5000 km od teritorijalnog središta Evropske unije.

Slika 3. Zemlje sa najvećim % rezervi gasa Slika 4. Raspored rezervi u odnosu na EU

1.3. Proizvodnja, potrošnja, izvoz i uvoz zemnog gasa u svetu

Tabela 2. Proizvodnja gasa Tabela 3. Potrošnja gasa

Tabela 4. Izvoznici gasa Tabela 5. Uvoznici gasa

1.4.1. Rezerve nafte u svetu 2015.

1.4.2. Proizvodnja nafte u svetu 2015.

1.5. Tehnologije transformacije zemnog gasa u funkciji transporta

Slika 5. Načini pretvaranja i transport gasa Slika 6. Analiza karakteristika transporta

1.6. Tržiša zemnog gasa i gasni hubovi

- U svetu postoje tri glavna regionalna tržišta zemnog gasa: Severna Amerika, Azija i Evropa (uključujući Rusiju i sever Afrike). Danas se, pored ova tri glavna tržišta gasa u svetu, uspostavljaju i nova tržišta zemnog gasa. Najveća trgovina gasom, na svetskom nivou, odvija se između ova tri regiona, njegovim plasmanom cevovodom i brodovima (LNG)

- U okviru tri glavna regionalna tržišta gasa u svetu, može da postoji više trgovinskih gasnih hubova (čvorišta).

-Trgovina zemnim gasom, ne računajući direktnu trgovinu i ugovore, realizuje se na gasnim hubovima. Gasni hubovi jesu mesta gde se: trguje, isporučuje, preuzima i meri (protok i pritisak) zemni gas. Trgovinsko čvorište gasa (hub) jeste utvrđena (ugovorena, određena) tačka (mesto) gde se vrši transakcija zemnog gasa između prodavaca i kupaca.

- Gasna čvorišta mogu biti fizička ili virtuelna.

- Pored toga što međunarodnu trgovinu zemnim gasom u svetu karakteriše stalni rast, koji je 2015. godine iznosio 1036,15 milijarde m3, nju obeležava i pojava novih zemalja na tržištu, kao i promena učešća agregatnog stanja gasa u ukupnoj strukturi trgovine ovim energentom. Učešće gasa koji se isporučuje kupcima u tečnom stanju brodovima ima stalni rast u odnosu na količine koje se dopremaju cevovodom

Slika 7. Tržišta i pravci trgovine gasom u svetu Slika 8. Značajni gasni hubovi u Evropi

1.7. Trgovina zemnim gasom u svetu

- Danas se u svetu u međunarodnoj trgovini gasom, gotovo 70% energenata transportuje cevovodima u

gasovitom stanju, dok se 30% transportuje u tečnom stanju. Najveći izvoznici LNG su: Katar, Malezija,

Australija, Indonezija, Trinidad i Tobago, Rusija.... Među države najveći kupci tečnog zemnog gasa u

svetu 2013. bili su: Japan (122,82 milijarde m3), Severna Koreja (53,16), Kina (24,68), Indija (16,68)...

Tabela 7. Međunarodna trgovina zemnim gasom u svetu

Slika 9. Procentualno učešće država u ukupnom izvozu LNG u svetu 1990-2015.

Slika 9. Trgovina zemnim gasom 2015. u gasovitom i tečnom stanju (LNG) - pravci i količine

Tabela 8. Svetska trgovina zemnim gasom u gasovitom stanju u 2015. – cevovodom

Tabela 9. Svetska trgovina zemnim gasom u tečnom agregatnom stanju LNG - 2015.

Slika 10. Kretanje cena zemnog gasa u svetu na različitim tržištima (1998-2015)

- Cena iskazana u dolarima $ (SAD) za 1 MMBtu. MMBtu – milon British thermal unit (milion britanskih

termalnih [toplotnih] jedinica), jedinica koja se najčešće koristi u trgovini zemnim gasom u svetu.

- 1MMBtu = 28,263 m3

- U Evropi je u upotrebi jedinica zapremine m3, u obračunu najčešće 1000 m3.

- Konverzija 1 MMBtu = 28,02135 m3 (35,38109 MMBtu =1000 m3).

30. Međunarodni kongres o procesnoj tehnici – Procesing, Beograd, 1. i 2. jun 2017

30th International Congress on Process Industry – Procesing, Belgrade, 1st and 2nd June 2017

2. Zemni gas u tečnom agregatnom stanju (LNG)

- Tečni zemni gas jeste prirodni gas koji je posebnim tehnološkim procesom iz gasovitog stanja preveden u

tečno agregatno stanje na temperaturi od –162ºC.

- Zemni (prirodni) gas, prilikom eksploatacije iz klasičnih ležišta, nalazi se u gasovitom agregatnom stanju i

sastoji se u najvećoj meri od metana (uobičajeno je 80–90%) u ukupnom njegovom sastavu, što

individualno zavisi od svakog konkretnog ležišta ovog energenta.

- Pored metana, u zemnom gasu može da se nalazi: voda, etan, propan i teži ugljovodonici, živa, manje

količine azota, ugljen-dioksid, sumpor, helijum...

- U tečnom stanju, metan zauzima 600 puta manji volumen nego u gasovitom obliku. Neke od njegovih

osnovnih karakteristika jesu: da nije korozivan, da je bez boje i mirisa, da njegova relativna gustina u

odnosu na vodu iznosi 0,42%, da mu je kritičan pritisak 46 bara, kritična temperatura –82ºC, temperatura

samozapaljenja 585ºC, gustoća utečnjenog gasa je 425 kg/m3.

- Ova tehnologija je posebno pogodna kod transporta prirodnog gasa brodovima u situacijama kada je reč o

prenosu velikih količina gasa na velika rastojanja i kod eksploatacije gasa iz ležišta koja se nalaze u moru.

- Utečnjeni zemni gas (LNG) u prvom redu je namenjen i pogodan za transport brodovima, ali može da se

transportuje i u specijalnim namenskim posudama: kamion-cisternama, vagon-cisternama, kontejnerima,

mobilnim posudama i rezervoarima.

- Istorijski posmatrano, sam početak razvoja tehnologije utečnjavanja zemnog gasa u svetu vezuje se za

kraj XIX i početak XX veka.

- Prvi kompresorski rashladni uređaj napravljen je 1873. godine u Minhenu (Nemačka). U Zapadnoj Virdžiniji

(SAD), 1912. godine, izgrađeno je prvo postrojenje za utečnjavanje zemnog gasa, koje je krenulo sa

proizvodnjom 1917. godine.

- Za širu komercijalnu proizvodnju, prvo postrojenje LNG krenulo je sa radom 1941. u Klivlendu (Ohajo,

SAD).

- Prvi brod (tanker) za prevoz LNG izgrađen je 1959. godine, pod nazivom The Methane Pioneer.

- Saradnja između Alžira i Velike Britanije dovela je do početka eksploatacije metana na gasnom polju Hassi

R’ Mel u Alžiru. Početak rada postrojenja za utečnjavanje omogućio je da se od 1964. godine uspostavi

trgovina LNG između ove dve države.

Lanac trgovine zemnim gasom u tečnom stanju (LNG)

- Osnovne aktivnosti klasičnog lanca transporta tečnog zemnog gasa specijalno namenjenim brodovima su:

utečnjavanje (prevođenje iz gasovitog u tečno agregatno stanje) gasa, skladištenje tečnog gasa u

kriogenim skladištima (rezervoarima), utovar tečnog gasa na brodove, prevoz tečnog zemnog gasa

brodom, istovar tečnog gasa sa broda, skladištenje tečnog zemnog u kriogenim skladištima i

isparavanje (prevođenje u gasovito agregatno stanje) gasa

- Sam lanac snabdevanja velikim količinama gasom u tečnom stanju, specijalno konstruisanim brodovima,

uslovno čine tri segmenta, u okviru njega, kao jedinstvene celine lanca dostave: 1. Utečnjavanje sa

skladištenjem; 2. Transport brodom i 3. Skladištenje sa isparavanjem.

Slika 11. Lanac snabdevanja tečnim zemnim gasom (TZG – LNG)

Tabela 10. Aktivnosti u okviru segmenata LNG lanca

3. Pregled procesa utečnjavanja zemnog gasa u funkciji transporta

- Tehnički posmatrano, u postrojenju za utečnjavanje, nakon procesa prečišćavanja, gas se odvodi u deo

postrojenja u kome se odvija sam tehnološki proces prevođenja gasa iz gasovitog u tečno agregatno

stanje. Najčešće se u sklopu postrojenja nalaze dve jedinice ili više jedinica za utečnjavanje. Učinak

postrojenja za utečnjavanje u znatnoj meri zavisi od: rashladnog sredstva, kompresora i izmenjivača

toplote koji učestvuju u procesu

- Način utečnjavanja i oprema koja se pri tome koristi određuju efikasnost, pouzdanost i cenu celog

postrojenja. Uslovno, svi tehnološki procesi za utečnjavanje gasa mogu se svrstati u jednu od tri grupe

koje se danas susreću u praksi: 1). kaskadni procesi, 2). procesi sa mešanim rashladnim sredstvom i 3).

procesi sa ekspanzijom.

- Tehnološki procesi koji se danas najčešće koriste jesu: procesi s mešanim sredstvom uz pothlađivanje

propanom; modifikovani procesi s mešanim rashladnim sredstvom uz pothlađivanje propanom;

optimizirani kaskadni procesi; kaskadni procesi s mešanim fluidima; procesi sa dva mešana sredstva;

Liquefni procesi, PRICO procesi,...

Slika 12. Blok shema postrojenja za

utečnjavanje zemnog gasa

- U svetu najčešće zastupljena tehnološka postrojenja za utečnjavanje gasa jesu ona koja su zasnovana na

procesu s mešanim rashladim sredstvom uz pothlađivanje propanom (C3MR).

- Odlika ovog tehnološkog procesa (C3MR)[1] jesu dva glavna ciklusa hlađenja. Prvi ciklus je

pothlađivanje u kome se kao rashladno sredstvo koristi propan, dok se u drugom ciklusu (objedinjuje

utečnjavanje i dohlađivanje gasa) koristi mešavina[2] rashladnih sredstava.

[1] Ovaj proces razvila je kompanija Air Products & Chemicals Int. (APCI) i postao je dominantan krajem

sedamdesetih godina. Primenjuje se u najvećem broju postrojenja u svetu.

[2] Reč je o mešavini: azota (1%), metana (27–30%), etana (50%), propana (18–20%) i butana (1–2%).

- Danas su u svetu ukupni instalisani kapaciteti za utečnjavanje zemnog gasa iznose 383,9 x 109.

Posmatrano prema regionima: Bliski istok 136,1; Azija–Pacifik 123,2; Afrika 76,2; Amerika 28,7; Rusija i

Centralna Azija 14,1 i Evropa 5,6.

- Prema instaliranim kapacitetima za utečnjavanje zemnog gasa najveća postrojenja u ukupnom iznosu

imaju: Katar (104,8 milijardi m3 na godišnjem nivou), Indonezija (43,2), Australija (35,0), Nigerija (30,1),

Alžir (27,4), Trinidad i Tobago (20,6)...

30. Međunarodni kongres o procesnoj tehnici – Procesing, Beograd, 1. i 2. jun 2017

30th International Congress on Process Industry – Procesing, Belgrade, 1st and 2nd June

2017

4. Savremeni procesi isparavanja tečnog zemnog gasa

- Utečnjeni zemni gas, koji se transportuje specijalno namenjenim brodovima, doprema se u prihvatnu

luku. U prihvatnoj luci se tečni gas pretače iz brodova, skladišti se u specijalne rezervoare i isparava.

- LNG koji se nalazi u prihvatnom skladišnom rezervoaru na temperaturi od -162 C, pre njegovog daljeg

transporta i isporuke tržištu, ako je reč o isporuci cevovodima, prevodi se u gasovito stanje.

- Danas u svetu postoji više različitih tehničko-tehnoloških rešenja postrojenja za prevođenje LNG u

gasovito stanje.

- Reč je u prvom redu o tehničkim rešenjima konstrukcije isparivača u funkciji prilagođavanja korišćenja

toplote iz različitih izvora.

- U literaturi se susreću različite podele i grupisanja postrojenja za isparavanje gasa.

- Prema konstrukcionim rešenjima i principu rada, isparivači se mogu podeliti na: potopljene

isparivače sa dodatnim grejanjem; isparivače otvorenog tipa; vazdušne isparivače i oklopno-cevne

isparivače.

- Sa tehničko-tehnološkog aspekta tehnologije za prevođenje tečnog zemnog gasa u gasovito stanje u

praksi su u primeni: isparavanje pomoću potopljeni komora sa grejanjem; isparavanje pomoću morske

vode bez dodatnog grejanja; isparavanje pomoću sistema izmene vazduha u kombinaciji sa posrednim

vodovima; tornjevi za posredno zagrevanje sa vodom; generatori sa gasnom turbinom koji koriste višak

toplote i kružni proces generatora s parnom turbinom; kombinovano isparavanje grejanjem i mešavinom

fluida voda/etielen-glikol.

- Ukupni kapaciteti za regasifikaciju tečnog zemnog gasa u svetu iznose 904,4 x 109.

- Posmatrano prema regionima: Azija–Pacifik 459; Amerika 231,5; Evropa 199,7: Bliski istok 14,1.

- Zemlje sa najvećim ukupnim kapacitetima za prihvatanje brodova sa tečnim zemnim gasom, i za

njegovo prevođenje (postrojenja za regasifikaciju) u gasovito stanje, imaju: Japan (259,2 milijarde m3),

SAD (174,4), Severna Koreja (100,4)...

Šema procesa za utečnjavanje LNG-a

- Dva tehnološka procesa isparavanja tečnog zemnog gasa LNG-a: a). pomoću morske vode bez grejanja

i b). pomoću uronjene komore u medijum koji se greje

Slika 13. Ilustracija dva tehnološka procesa isparavanja tečnog zemnog gasa LNG-a:

a). Pomoću morske vode bez grejanja b). Pomoću uronjene komore u medijum koji se greje

30. Međunarodni kongres o procesnoj tehnici – Procesing, Beograd, 1. i 2. jun 2017

30th International Congress on Process Industry – Procesing, Belgrade, 1st and 2nd June 2017

HVALA

30. Međunarodni kongres o procesnoj tehnici – Procesing, Beograd, 1. i 2. jun 2017

30th International Congress on Process Industry – Procesing, Belgrade, 1st and 2nd June 2017