Mer energieffektiv flytendegjøringsprosess av naturgass

Slutten av 2014 nærmer seg og med dette avsluttes også det seksårige KPN-prosjektet Enabling Low-Emission LNG Systems. SINTEF Energi, NTNU, Statoil og GDF SUEZ har slått sammen sine kloke hoder for å bidra til en mer energieffektiv, økonomisk robust og sikker flytendegjøringsprosess av naturgass.

Så, hvorfor startet vi dette prosjektet? Det internasjonale energi byrået IEA gir hvert år ut en rapport som heter «World Energy Outlook» om utviklingen og framtidsscenarier i energinæringen. I følge årets rapport kommer behovet for naturgass til å øke i årene som kommer. I følge noen scenarier vil naturgass overta andreplassen fra kull som det viktigste brenselet etter olje. For transport over lange distanser kjøles naturgassen ned til rundt -160 °C slik at den blir flytende ved atmosfærisk trykk. Flytende naturgass (Liquefied Natural Gas, LNG) har 600 ganger mindre volum enn gass ved romtemperatur, og er derfor det naturlige valget for skipstransport.

Selv om naturgass er et mer miljøvennlig energialternativ enn olje og kull, er flytendegjøringsprosessen energikrevende og økonomisk kostbar. Målet til prosjektet vårt har derfor vært å optimalisere flytendegjøringsprosessen og en av dens mest energikrevende og teknisk avanserte enheter, nemlig varmeveksleren.

Det er i varmevekslerene gassen blir kjølt ned og flytendegjort. Ved å forbedre flytendegjøringsprosessen kan man redusere energibehovet som igjen vil føre til mindre klimaskadelige CO2-utslipp. Samtidig kan naturgass bli et enda mer økonomisk og dermed attraktivt alternativ til mer miljøskadelig fossile brennstoff som kull og olje.

Hva har så prosjektet inneholdt? For å forstå hvordan man skal utforme og drive den komplekse flytendegjøringsprosessen, må man forstå de underliggende fysiske fenomenene. Prosjektet vårt har gått i dybden og har gjennom modellering og eksperimenter skaffet kunnskap om hvordan dråper inne i varmeveksleren vekselvirker med væskefilmer og med veggene i varmeveksleren.

Vi har også studert varme- og massesoverføring , som vist i Figur 1, samt gjort eksperimenter med strømning over geometrier vi finner i varmevekslere. Denne kunnskapen kan generaliseres og brukes direkte i varmevekslermodelleringen. Vi har utviklet en varmevekslermodell som ikke bare inkluderer energiforbruk, men også størrelse og vekt. De siste parameterne er svært viktig for olje- og gass-industrien.

Den utviklede modellen er robust og effektiv, og kan derfor brukes til å redusere energiforbruket. Samtidig er den så detaljert at den kan avdekke eventuelle driftstekniske problemer. Vi vil fortsette å utvikle denne modellen og tilpasse den til ulike applikasjoner.

I prosjektet har vi også utforsket de mange måtene man optimaliserer LNG-prosessen i dag. Det finnes svært mange rutiner og matematiske modeller for hvordan man skal få lavest mulig energibruk i prosessen, men ikke alle metodene er like gode og effektive.

Vi har sammenlignet metoder og gått gjennom hvordan man formulerer problemene sine for å finne beste mulige løsning. Gjennom dette har vi utviklet et unikt optimaliseringsverktøy som gjør det mulig å effektivt finne de beste drifts- og designparametere for kompliserte LNG-prosesser. Prosjektet har vært bygd opp av tre delprosjekter med en struktur som vist i Figur 2.

Low-Emission LNG går mot slutten. Selv om vi har kommet et langt stykke videre er det en del arbeid som gjenstår før vi har dekodet alle relevante fysiske fenomen og lagt grunnlaget for utforming av den optimale flytendegjøringsprosessen.

Vi i SINTEF Energi vil derfor fortsette arbeidet med å ta naturgassen fra utvinning til marked på en mest mulig effektiv og miljøvennlig måte.