Gaz ziemny jest drugim po ropie naftowej źródłem energii i jego globalny udział w zużyciu energii pierwotnej wyniósł w 2005 roku 23,5 %, przy równym 36,4 % udziale ropy naftowej, 27,8 % - węgla, 6,3 % - hydro energii oraz 5,9% - energii atomowej. Światowe zasoby gazu ziemnego oszacowane w 2005 roku wynosiły około 180.000 miliardów m3. Roczne światowe wydobycie wynosi około 2800 mld m3 i wzrasta rocznie o około 2,5 %. Gaz ziemny pod względem emisji gazów cieplarnianych jest paliwem najczystszym, ze względu na duży udział wodoru w procesach spalania. W Polsce złoża gazu ziemnego występują na Niżu Polskim oraz na Przedgórzu Karpackim i w Karpatach. Gazy ze złóż na Niżu Polskim są niskiej jakości i zawierają od 35 do 80% metanu. Udział azotu w tych gazach może być bardzo wysoki i są one silnie zasiarczone, przez co wymagają oczyszczania i odazotowania. W niektórych złożach gazu ziemnego udział azotu sięga 97% i są one planowane jako surowiec do produkcji ciekłego azotu. Niektóre ze złóż zawierają domieszkę helu, którego odzysk jest ekonomicznie uzasadniony, jeżeli jego udział objętościowy w gazie przekracza 0,2%. Gaz ziemny ze złóż karpackich i Przedgórza Karpackiego jest lepszej jakości, o udziale metanu wynoszącym 70 - 99% i charakteryzuje się niską zawartością azotu. Zasoby wydobywane gazu ziemnego w Polsce szacuje się na około 150 mld m3, a zasoby prognostyczne na 650 mld m3. Uzupełnieniem zasobów gazu ziemnego są zasoby metanu towarzyszące górnośląskim złożom węgla kamiennego i szacowane na ponad 350 mld m3.
W zależności od składu i przeznaczenia przetwórstwo gazu ziemnego może mieć na celu jego oczyszczenie z CO2, H2S, H2O i innych zanieczyszczeń, wydzielenie cięższych węglowodorów (propanu i butanu), odazotowanie i odzyskanie helu. W szczególności odazotowanie gazu i wydzielenie helu są przeprowadzane metodami kriogenicznymi. Ponadto skroplony gaz ziemny charakteryzuje się objętością mniejszą około 650 razy od objętości gazu w warunkach normalnych, co pozwala na jego transport poza siecią rurociągów statkami oraz środkami transportu lądowego. W postaci skroplonej gaz ziemny jest eksportowany np. z Bliskiego Wschodu do dalekowschodniej Azji oraz z północnej Europy do Stanów Zjednoczonych. Gaz ziemny może być również skraplany w celu zmagazynowania okresowych nadwyżek tego surowca w pobliżu odbiorcy. Instalacje budowane bezpośrednio przy złożu są z reguły dużej wydajności, natomiast charakteryzują się one niewielką infrastrukturą magazynową, podczas gdy instalacje zlokalizowane w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorcy mają stosunkowo niewielkie wydajności skraplania, ale mogą być wyposażane w duże zbiorniki magazynujące.
Wstępna obróbka gazu ziemnego polega na jego odwodnieniu, usunięciu CO2 oraz H2S, ewentualnym usunięciu rtęci i odazotowaniu. Tak przygotowany gaz ziemny może być następnie tłoczony do sieci rurociągów lub skraplany. Skroplony gaz ziemny jest cieczą bez zapachu o temperaturze wynoszącej około 111 K i przechowywaną pod ciśnieniem równym od 0,17 MPa do 1,7 MPa. Gęstość skroplonego gazu ziemnego wynosi około 450 kg/m3. Jest on pozbawiony zapachu, jest nietoksyczny i nie powoduje korozji. W procesie skraplania objętość gazu zmniejsza się około 600 razy co powoduje, że może być transportowany na duże odległości poza siecią rurociągów. Skraplaniu podlega około 10% wydobywanego gazu ziemnego. W tej postaci eksportuje się prawie 30% całego gazu będącego w międzynarodowym obrocie handlowym. Np. 100% gazu ziemnego zużywanego w Japonii jest dostarczane do tego kraju w postaci ciekłej. W postaci skroplonej gaz ziemny charakteryzuje się gęstością energii wynoszącą około 55 TJ/tonę i jest ona o 31% większa od gęstości energii ropy naftowej wynoszącej około 41,9 TJ/tonę.
Duże instalacje skraplania gazu ziemnego charakteryzują się wydajnościami przekraczającymi 5 mln ton rocznie. Największa z instalacji obecnie budowanych w Katarze będzie skraplała 8 mln ton tego gazu rocznie. Przewiduje się, że w roku 2007 na świecie skroplone zostanie łącznie około 200 mln ton gazu ziemnego. Uruchamiane są również lokalne instalacje skraplania gazu ziemnego, czerpiące surowiec z odwiertów o niewielkich wydajnościach lub rurociągów. Wydajność takich instalacji z reguły nie przekracza 100 ton ciekłego gazu na dobę, a ich celem jest magazynowanie chwilowych nadwyżek gazu ziemnego oraz eksploatacja rozproszonych odwiertów o niewielkich wydajnościach bez konieczności budowania sieci rurociągów przesyłowych. Skroplenie gazu ziemnego wymaga odebrania od niego ciepła w całym zakresie temperatur od temperatury otoczenia do około 100 K. W zależności od składu skraplanego gazu ziemnego ilość odebranego ciepła wynosi od 600 do 650 kJ/m3 (dla czystego metanu wynosi ona 912,7 kJ/kg, co odpowiada 654 kJ/m3). Ponieważ gaz ziemny po oczyszczeniu pozostaje mieszaniną węglowodorów z domieszkami innych gazów, jego skraplanie odbywa się przy zmiennej temperaturze. Zakresy temperatur, w których odbywa się przemiana fazowa gazu ziemnego są tym większe im niższe jest ciśnienie skraplania i mogą dochodzić do kilkudziesięciu K.
Uzmiennienie temperatury skraplania gazu ziemnego powoduje, że przy jego skraplaniu należy rozwijać niewiele zmieniającą się moc chłodniczą w całym zakresie temperatur, od temperatury otoczenia do 111 K, a w przypadku przechłodzenia cieczy do około 100 .Im wyższe jest ciśnienie skraplania, tym mniej wyraźny jest obszar skraplania gazu . Czynnikiem roboczym chłodziarek może być metan lub azot. Gaz ziemny przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie ulega ochłodzeniu od temperatury otoczenia i następnie skropleniu. Wymiennik ciepła jest równocześnie rekuperatorem chłodziarki i stanowi podstawowy element skraplarki gazu. Wadą układu przedstawionego na tym rysunku jest duża różnica temperatur pomiędzy parującym metanem lub azotem, a ochładzanym gazem ziemnym, decydująca o niskiej efektywności termodynamicznej procesu. Poprawę efektywności można uzyskać przez zastąpienie czystego gazu mieszaniną azotu, metanu i etanu.
Skraplanie gazu ziemnego może odbywać się w układach kaskadowych z użyciem trzech czystych czynników: propanu, etylenu i propanu. W układach takich moc chłodnicza jest wytwarzana na trzech poziomach temperatury i występują znacznie mniejsze różnice temperatur pomiędzy skraplanym gazem i parującymi czynnikami chłodniczymi niż w przypadku układu jednostopniowego.Dalszą poprawę efektywności można uzyskać zastępując czyste gazy mieszaninami tak dobranymi, aby różnica temperatur pomiędzy skraplanym gazem ziemnym, a parującymi czynnikami chłodniczymi nie przekroczyła w żadnym punkcie wymiennika ciepła kilku kelwinów. Trójstopniowe układy z mieszaninami i rozprężarkami stanowią obecnie najbardziej efektywne pod względem termodynamicznym systemy skraplania gazu ziemnego.
Poszczególne stopnie są wyposażone w zawory dławiące lub rozprężarki. Wytwarzana w nich moc chłodnicza jest osiągalna w całym zakresie temperatur od temperatury otoczenia do około 100 K. Skraplanie gazu ziemnego w najlepszym energetycznie układzie kaskadowym z mieszaninami odbywa przy pracy przekraczającej pracę minimalną o około 70 % W układzie tym zastosowana została jedna sprężarka, której czynnikiem roboczym jest na przykład mieszanina azotu, metanu, etanu, propanu i izopentanu, natomiast dzięki zastosowaniu separatorów cieczy unika się zamarzania wyżej wrzących czynników w niskich temperaturach, w szczególności przy temperaturze kondensacji metanu.
LITERATURA:
[1] Bilans gospodarki surowcami mineralnymi Polski i Świata, pod redakcją Bolewskiego A, Neya R, Sma-kowskiego T., Polska Akademia Nauk, Kraków 2000
[2] Chorowski M.: Analiza porównawcza chłodziarek Linde -Hampsona zasilanych czynnikami o różnych własnościach, Inst. Techniki Cieplnej mi Mechaniki Płynów, Raport 11/90, Wrocław, 1990
[3] Chorowski M.: Comparative Exergetic Analysis of Jou-le-Thomson Liquefi ers, Adv. in Cryogenic Eng., Vol. 49, AIP Press, 2004, pp. 1568-1575.
[4] Chorowski M., Piotrowska A., Poliński J.: Nitrogen se-paration and liquefaction apparatus for medical applica-tions and its thermodynamic optimization, Advances in Cryogenic Engineering, ed. Weisedn J.G. II, American Inst. ofPhysics, 2006, s. 573-580
Maciej Chorowski