Integración Energética de Regasificación de GNL en Ciclos Kapitza Mejorados Para la Licuefacción de Aire. Análisis Termodinámico

Abstract

Debido a la abundancia de una materia prima como es el aire, se puede suponer un coste nulo en su uso a nivel industrial. Su composición es, aproximadamente, de un 79% de nitrógeno, un 20% de oxígeno y un 1% de otros elementos, entre los que se destaca el argón. Para la obtención de dichos elementos, se utiliza la destilación fraccionada tras una previa licuefacción parcial del aire. Para licuar el aire, se debe enfriar hasta los -150 ºC, lo que la convierte en un proceso industrial de gran coste. Las plantas de licuefacción de aire presentan gran valor debido a los importantes usos que se pueden hacer tanto del oxígeno, del nitrógeno o del argón a nivel industrial. El nitrógeno se utiliza en aquellos procesos donde se requieren bajas temperaturas y una baja reactividad de la atmósfera; el oxígeno tiene una gran utilidad en la industria metalúrgica en procesos como el oxicorte; y el argón se utiliza también en procesos metalúrgicos, pero su función es la de actuar como atmósfera protectora. Por otro lado, actualmente, alrededor del 80% de la energía consumida en el mundo es de origen fósil. De esa energía, el 30% proviene del gas natural, siendo la tercera fuente de energía más empleada a nivel mundial, por detrás de otros dos combustibles fósiles: el carbón y el petróleo. Lo que distingue al gas natural de las otras opciones fósiles es su limpieza. En comparación, se trata de un combustible que genera menos residuos y emisiones a la atmósfera, debido a que su extracción, elaboración y transporte no produce tantos residuos contaminantes como sus competidores. Además, su poder calorífico por unidad de masa es mayor, convirtiéndolo, a priori, en la mejor alternativa de entre las fuentes de energía de origen fósil. Sin embargo, presenta como inconveniente su estado gaseoso en condiciones ambientales. Mientras el petróleo y el carbón están presentes en estado líquido y sólido respectivamente, el gas natural tiene una densidad mucho menor, lo que permite almacenar en un recipiente determinado mucha menor cantidad de materia. La solución pasa por aumentar su densidad a valores similares a los de sus competidores. Actualmente, existen dos vías para conseguirlo: incrementar su presión a valores próximos a 200 bar para obtener gas natural comprimido (GNC), o reducir considerablemente su temperatura para lograr transformarlo en estado líquido, denominado gas natural licuado (GNL). La segunda de las opciones es claramente la más interesante económicamente para transportar el gas a grandes distancias, ya que el GNL presenta una densidad 600 veces mayor que en estado gaseoso, ampliando en igual medida la capacidad de almacenamiento, pero para obtenerlo es preciso reducir la temperatura del mismo hasta los -160 ºC. Cuando el gas natural se reintroduce en la red de distribución y consumo, esto debe hacerse en condiciones de temperatura ambiente y por lo tanto debe regasificarse. En la mayoría de las plantas de regasificación esto se hace mediante un intercambio de calor directo con el ambiente, por lo que el ‘frío’ almacenado en el mismo se desperdicia. Es decir, toda la energía que hubo de invertirse en el momento de la licuefacción del GNL se pierde definitivamente. Una posibilidad de gran interés sería integrar ambos procesos industriales para de este modo incrementar la eficiencia energética global. Es por este motivo por lo que parte de este proyecto se centra en la implementación de una planta de licuefacción de aire junto a otra de regasificación de gas natural, con el fin de aprovechar la gran cantidad de ‘frío’ almacenado en el GNL para mejorar el funcionamiento del ciclo criogénico de producción de aire líquido. La idea de implementar simultáneamente una planta de licuefacción de aire con una de gas natural presenta como, principal incógnita, qué cantidad de gas natural por unidad de masa de aire es necesaria para obtener un rendimiento y una eficiencia máxima en el ciclo. Por ello, parte del estudio de este trabajo consistirá en analizar el rendimiento másico y exergético de la planta en función de la cantidad de gas natural entrante.