Análisis exergético del proceso de licuación de gas natural AP-X

Se ha observado un aumento significativo de la demanda de energía provocada por un aumento sustancial de la población mundial. Teniendo en cuenta los escenarios energéticos futuros, se estima que habrá un aumento del 18% de la demanda de energía para 2035 [1]. Pese a que hay una abundancia de reservas naturales de combustibles fósiles, la quema en masa de ellos ha comprometido el estado de la situación climática mundial. La economía energética mundial depende principalmente de los combustibles fósiles, y casi el 85% de la demanda energética se cubre con este tipo de combustibles [2,3]. En este escenario, el GN ha surgido como una fuente de energía limpia y abundante en todo el mundo. Por otro lado, la emisión de contaminantes atmosféricos de GN es muy inferior a la de otros combustibles fósiles como el petróleo o el carbón [4] haciendo de este combustible una fuente de energía popular y ecológica. Según Energy-Outlook 2018, en lo que respecta a reservas mundiales de GN, Rusia, Irán y Qatar han superado en número a todos los demás países que aportan el 58% de las reservas naturales de GN. [4] Sin embargo, también hay que tener en cuenta que la volatilidad del mercado es un factor clave en las preocupaciones sobre la estabilidad energética. Tiene el potencial de alterar el suministro de recursos energéticos, lo que provoca aumentos de precios y desequilibrios en el mercado. La pandemia del COVID-19 también ha contribuido sustancialmente a la volatilidad del mercado en el sector energético a medida que la desaceleración de la economía mundial ha reducido la demanda de petróleo y gas, lo que ha provocado una caída de precios. Shell LNG Outlook 2023 predice una importante volatilidad del mercado en la industria energética mundial. Esta volatilidad desencadenará intervenciones para mejorar la seguridad energética, pero tendrá consecuencias económicas duraderas. Se espera que Europa se beneficie de la flexibilidad de la industria del LNG a medida que el continente aumenta sus importaciones de LNG en un 60% a 121 millones de toneladas para compensar el descenso de las importaciones de Rusia por oleoductos. Se espera que Estado Unidos lidere el crecimiento de la oferta mundial con 6 millones adicionales de toneladas. De cara al futuro, una visión general completa del mercado de LNG muestra que la continuidad de la volatilidad del mercado y la incertidumbre sobre el crecimiento de la demanda energética mundial impulsarán a las autoridades a centrarse en mejorar la estabilidad energética y fomentar alternativas de energía sostenible. A medida que el mundo cambia hacia un escenario con bajas emisiones en carbono, el LNG seguirá desempeñando un papel importante para satisfacer las necesidades mundiales de energía. Sin embargo la industria debe adaptarse a la dinámica cambiante del mercado e invertir en alternativas energéticas competitivas y sostenibles. Por otro lado, las turbinas de gas, se han abierto camino en un gran número de aplicaciones. Este tipo de máquina térmica se propuso por primera vez a finales del siglo XVIII. Después de un duro periodo de aprendizaje, ya que no fue hasta 1903 que la primera turbina de gas con potencia neta fue montada Aegidius Elling, fue cuando comenzó a ocupar dos aplicaciones industriales importantes: el sector de la movilidad y el sector de generación eléctrica, siendo una de sus aplicaciones la criogenia en licuación de GN. La potencia de salida de las turbinas de gas varía desde unos pocos kilovatios (10-100 para usos de turismos [5]) hasta varios megavatios como motores de propulsión en barcos. [6,7] Para el presente proyecto, se analizan 4 diseños de instalaciones de licuefacción de gas natural, en función del tipo de tecnología y de refrigeración, analizando las destrucciones exergéticas de sus componentes y de sus nodos. El primer capítulo se reserva para el objetivo y alcance del proyecto. En un segundo capítulo, se detalla la cadena de valor del gas natural, que es el combustible que compete a la instalación del presente proyecto, así como los diferentes procesos aplicables en la licuefacción del gas natural; ahondando en fundamentos teóricos en el capítulo 3, e imponiendo unas bases de diseño para la simulación del proyecto en el capítulo 4. Estas bases de diseño son las que se tendrán en cuenta para llevar a cabo el proceso de simulación que vendrá detallado en el séptimo capítulo, donde se comparan diversos ratios en función de si la tecnología empleada son turbinas de gas industriales o aeroderivadas y de si están refrigeradas por agua o por aire; desarrollando los equipos en el capítulo 5. Los ratios más representativos son el ratio de caudales, el rendimiento térmico y el rendimiento exergético. En el capítulo 8 se trata el punto de vista ambiental del proyecto, y finalmente en 9 las conclusiones, dejando para el capítulo 11 la temporalización y el presupuesto del mismo. Abstract: It has been observed a significant increase of the energy demand provoked by a substantial rise of world population. Taking future energy sceneries into account, it is been esteemed energy demand will increased 18% by 2035 [1]. Although there is plenty of natural reserves of fossil fuels, its mass burning has compromised the condition of world climatic situation. World´s energy economy mostly depends on fossil fuels, and almost 85% of energy demand is served with this kind of fuels [2, 3]. In this scenery, GN has appeared as a clean and abundant energy source. On the other side, the emission of atmospheric pollutants of GN is less than other fossil fuels such as petrol or coal [4], making this fuel a source of popular and ecological energy. According to Energy-Outlook 2018, in regards world reserves of GN, Russia, Iran and Qatar has surpassed other countries which contribute with 58% of natural reserves of GN [4]. Nevertheless, it must be taken into account that market volatility is a key factor for the worries of energy stability. It has the potential to alter the supply of energy resources, which provokes price risings and market imbalances. COVID-19 pandemic has also contributed substantially to the market volatility in the energy sector as world economy deceleration has reduced gas and petrol demand, which has caused a price fall. Shell LNG Outlook 2023 foretells an important market volatility in world energy industry. This volatility will trigger interventions to improve energy security, but it will have long-lasting economic consequences too. It is expected that Europe will benefit of the industry flexibility of LNG as the continent increases its imports of LNG in 60% to 121 million tons to compensate the decline of Russia´s imports for pipelines. It is expected that United States will lead world offer growth with 6 additional million tons. Looking to the future, a general vision of LNG market shows that continuity of market volatility and uncertainty over the growth of world energy demand will boost authorities to focus on improving energy stability and promoting sustainable energy alternatives. As world changes to a low-carbon-emission scenery, LNG will keep on playing an important role to satisfy world energy needs. However, industry must adapt to an inconstant dynamic of market, and invest in competitive and sustainable alternative energies. Furthermore, gas turbines has broken through a great number of applications. This type of thermal machine was proposed at the end of XVIII century for first time. After a hard learning process, given that until 1903 the first gas turbine with net power was assembled by Aedigius Elling, this machine begins to perform two important industrial applications: mobility sector and electricity generation sector, cryogenics in GN liquefaction being one of this applications. The output power of the gas turbines varies from a few kilowatts (10-100 for car use [5]) to several megawatts such as propulsion engines in ships [6, 7]. For the present project, four designs of natural gas liquefaction are analyzed, in function of technology and refrigeration type, analyzing exergetic destructions of their components and their nodes. The objective and scope of the project is analyzed in Chapter 1. In a second chapter, it is detailed the value chain of natural gas, which is the fuel that competes this project installation, as well as the different processes applicable in the gas natural liquefaction; deepening in theoretical fundament in Chapter 3, and enforcing design bases for simulation of the project in Chapter 4. These design bases are the ones that will be taken into account to carry out the simulation process that will be detailed in Chapter seven, where various ratios are compared depending on whether the technology used is industrial or aeroderivative gas turbines, and whether they are refrigerated by water or by air; developing equipment in Chapter 5. Most representative ratios are flow rates ratio, thermal efficiency and exergetic efficiency. Chapter 8 is about environmental point of view of the project, and, finally, conclusions in chapter 9, having timing and costs in chapter 11.