I rigassificatori sono impianti industriali che permettono di trasformare il GNL (Gas Naturale Liquefatto) dallo stato liquido, comune nel trasporto marittimo, allo stato gassoso utilizzato per la distribuzione e la fase di consumo finale. Il trasporto marittimo del GNL avviene con speciali navi metaniere in grado di trasportare, nelle lunghe traversate oceaniche, il loro prezioso carico in condizioni di estrema sicurezza.

Dato che il volume, a parità di quantità, di gas in fase liquida è molto minore rispetto alla fase gassosa; il trasporto del gas naturale in fase liquida è molto più vantaggioso. In sostanza una nave metaniera riesce a scoccare, nei suoi serbatoi, una quantità di gas liquido molto superiore rispetto alla quantità di gas che potrebbe stoccare in fase gassosa. Inoltre, il gas naturale in fase liquida, è molto più sicuro da trasportare.

Rigassificatori di GNL, Gas Naturale Liquefatto

Il GNL, acronimo di Gas Naturale Liquefatto, è una miscela d’idrocarburi costituita prevalentemente da Metano, in percentuale variabile tra il 90% e il 99%, e da altri costituenti come Etano, Propano, Butano e Azoto. Le percentuali dei singoli idrocarburi, che formano la miscela, possono variare in base al sito di estrazione del gas naturale e determinano quindi la qualità finale del gas.

Per ottenere il GNL è fondamentale la fase di ricerca e individuazione del giacimento, la multinazionale italiana ENI, con la tecnologia messa a punto con il supercomputer HPC5 per la ricerca e l’individuazione dei giacimenti sotterranei d’idrocarburi, è leader mondiale nella ricerca e gestione d’importanti siti di estrazione.

Sottoponendo il gas naturale, estratto dal sottosuolo, a un processo di Liquefazione a una temperatura di circa – 162°C, si ottiene il passaggio di fase dallo stato gassoso alla fase liquida con conseguente riduzione del volume di circa 600 volte.

Essendo il Metano, l’idrocarburo con percentuale maggiore nella composizione della miscela del gas naturale, le caratteristiche chimiche del gas sono molto prossime a quelle del Metano. Infatti, a pressione atmosferica (1 bar), la temperatura di ebollizione del gas naturale, temperatura alla quale si verifica il passaggio di fase dallo stato liquido allo stato gassoso, è molto prossima alla temperatura di ebollizione del Metano stimata a – 161.6°C.

Per comprendere al meglio lo scopo del processo di Liquefazione del gas naturale estratto, si può immaginare di scattare un’istantanea della struttura molecolare del gas nello stato gassoso. A livello molecolare, la fase gassosa è uno stato della materia con elevata energia, infatti, le molecole che compongono la miscela del gas, hanno una grande mobilità attorno alla loro posizione e occupano, a parità di massa, un volume molto grande. Considerando la nostra istantanea, abbiamo ottenuto una foto della struttura molecolare del gas naturale, dove le molecole sono molto distanti una dall’altra.

Asportando calore, l’energia disponibile da ogni molecola diminuisce; il che si traduce in una minore mobilità di ogni molecola di gas attorno alla sua posizione. Immaginiamo, in questa condizione, di scattare una nuova istantanea della struttura molecolare ottenuta e di confrontarla con la precedente.

Nella fase gassosa le molecole, con elevata energia, hanno un’ampia mobilità il che si traduce, a parità di massa, in un elevato volume occupato. Asportando calore, le molecole di gas hanno perso parte della loro energia, hanno una ridotta mobilità e a parità di massa occupano un volume minore rispetto allo stato gassoso.

Si ottiene in questo modo un liquido incolore e inodore, più facile da trasportare, considerando il suo ridotto volume occupato a parità di massa, con caratteristiche chimiche che variano secondo le percentuali dei singoli idrocarburi presenti nella miscela. Dalla produzione di energia elettrica al riscaldamento domestico, il gas naturale è un combustibile molto versatile e ideale sia in ambito industriale sia nel residenziale. Tra i combustibili fossili, è quello con minore impatto ambientale dato che dalla sua combustione si sprigiona una ridotta quantità di Carbonio.

Ritenuto una valida scelta a molti combustibili, il gas naturale è strategico per la transizione energetica e, allo stesso tempo, fondamentale per garantire la sicurezza energetica di una nazione. Non tutti i paesi hanno una produzione di gas naturale idonea a soddisfare le proprie necessità anzi, pochi paesi al mondo hanno ampi giacimenti sotterranei di gas. Per questo motivo, al fine di garantire la sicurezza energetica nazionale, molti paesi devono necessariamente importare la quantità di gas necessaria a coprire la propria richiesta energetica interna.

Trasporto via mare

Il trasposto via mare del GNL consente di importare il gas da paesi esportatori, presenti in tutto mondo, senza i vincoli dei gasdotti realizzati su terraferma.

Le navi metaniere, con stive di carico simili a enormi serbatoi, permettono di caricare il gas naturale liquefatto (GNL) con volume notevolmente ridotto rispetto alla fase gassosa. Le stive criogeniche, delle navi metaniere, permettono di stoccare, lungo tutta la traversata oceanica, il gas alla temperatura di -162°C necessaria a mantenere il gas naturale in fase liquida.

Il gas naturale in fase liquida, permette sia di aumentare il livello di sicurezza ma anche l’efficienza del trasporto. Per quanto riguarda la sicurezza, il gas naturale in fase liquida è più stabile mentre, per quanto riguarda l’efficienza del trasporto, in fase liquida si riesce a caricare, nelle stive delle metaniere, quantità molto superiore di gas.

Ricordando, infatti, che dal processo di liquefazione, a parità di massa, si riduce di circa 600 volte il volume del gas, il trasporto del GNL è palesemente più efficiente rispetto al trasporto del gas naturale in fase gassosa.

       Curiosità:

• La prima nave metaniera fu costruita dal francese Pierre Jean nel 1966.
• Negli anni precedenti, il gas naturale era trasportato in fase gassosa in enormi serbatoi, realizzati in speciali leghe metalliche con spessore variabile tra 8 – 10 cm.
• Con un progetto molto simile alle navi petroliere, adibite al trasporto via mare del petrolio liquido, Pierre Jean concepì un nuovo scafo in grado di trasportare il gas naturale liquido (GNL).
• Lo scafo doveva essere in grado di resistere meccanicamente, garantendo limitatissime dilatazioni e contrazioni, alla temperatura di -163°C necessaria a mantenere il gas in fase liquida. Per questo, lo scafo della nave fu rivestito con un materiale metallico chiamato Invar (64% di Ferro e 36% di Nikel), in grado di resistere alle variazioni di temperatura, senza procurare dilatazioni termiche della struttura che potessero compromettere l’integrità strutturale.
• Nel 1967, la società Gaztransport fondata da Pierre Jean, varava due navi metaniere in grado di trasportare 75000 m³ di GNL dall’Alaska al Giappone.

Processo di rigassificazione

Con il processo di rigassificazione, avviato quando le navi metaniere attraccano nei pressi degli impianti di rigassificazione, si ottiene il gas naturale in fase gassosa.

Il GNL in fase liquida, stivato nelle metaniere, è convogliato attraverso dei bracci di collegamento, ai serbatoi dell’impianto di rigassificazione adibiti a contenere il gas in fase liquida. I bracci di collegamento sono realizzati con tubature in grado di permettere, con elevato indice di sicurezza, il trasferimento del gas dalle stive di carico delle metaniere verso i serbatoi di stoccaggio dell’impianto di rigassificazione.

A questo punto il GNL, trasferito dalle stive delle metaniere verso i serbatoi di stoccaggio degli impianti di rigassificazione, è ancora in fase liquida e non idonea all’immissione nella rete di distribuzione per il consumo industriale e residenziale.

Per rendere il gas naturale idoneo alla distribuzione capillare sul territorio, attraverso la rete di distribuzione del gas metano, bisogna convertire il gas naturale liquefatto (GNL) dalla fase liquida, utilizzata per il trasporto, alla fase gassosa utile per la distribuzione e utilizzo; in altre parole, bisogna eseguire la trasformazione inversa a quella effettuata per caricare le navi metaniere. Il passaggio di fase del gas, dallo stato liquido allo stato gassoso, è una trasformazione esotermica ( trasformazione che necessita il trasferimento di energia sotto forma di calore).

Negli impianti di rigassificazione, delle vasche contengono un’idonea quantità di acqua di mare nella quale, viene immerso uno scambiatore di calore con forma simile a una serpentina. L’acqua di mare, a temperatura notevolmente più elevata rispetto a -163°C del GNL, è utilizzata come fluido termo-vettore per trasferire calore al GNL. All’interno dello scambiatore di calore, immerso nell’acqua contenuta nella vasca, è fatto fluire il GNL. I due fluidi, acqua e GNL, non vengono mai a diretto contatto tra loro perche sono separati dalle pareti dello scambiatore di calore.

Attraverso le pareti dello scambiatore, avviene la trasmissione per conduzione del calore dall’acqua, a temperatura maggiore, verso il GNL, a temperatura notevolmente minore. Lo scambio termodinamico permette al GNL di aumentare la propria temperatura, tornando in fase gassosa sopra i -161 °C, mentre l’acqua contenuta nelle vasche, utilizzata come fluido termo-vettore, è sottoposta a un lieve abbassamento della sua temperatura. Per non raffreddare troppo l’acqua presente nelle vasche, utilizzata durante il processo di rigassificazione, è costantemente prelevata acqua dal mare e sostituita con quella presente nelle vasche. In questo modo, oltre a non creare danni all’ecosistema marino non riversando acqua a temperatura troppo bassa, il mare è utilizzato come un serbatoio di energia termica, in Termodinamica definito un SET, avente capacità termica infinita per scaldare il gas senza subire variazioni di temperatura.

Il gas naturale, nuovamente in fase gassosa, è idoneo alla distribuzione e utilizzazione sul territorio.

Tipologie di rigassificatori

I rigassificatori sono impianti industriali fondamentali per garantire stoccaggi di GNL necessari per la sicurezza energetica di un paese.

Dagli impianti su terraferma a quelli galleggianti a isola, oppure realizzati attraverso navi rigassificatrici, definite navi FSRU (Floating Storage Regasification Units); esistono diverse tipologie di rigassificatori, in grado di rispondere alle svariate esigenze d’istallazione e garantire flussi costanti di gas naturale verso la rete di distribuzione.

• Rigassificatori onshore:

Appartengono a questa categoria gli impianti realizzati su terraferma e in prossimità di zone portuali.

La loro realizzazione prevede la costruzione di grandi serbatoi, di forma cilindrica, con struttura esterna in calcestruzzo e la parte interna realizzata in metallo, per contenere il GNL trasportato dalle navi metaniere.

Condotti, opportunamente realizzati, permettono il collegamento tra i serbatoi dell’impianto di rigassificazione e il molo d’ormeggio delle navi metaniere, per il trasferimento del GNL dalle stive delle navi verso i serbatoi.

 Quando le navi attraccano, attraverso i condotti, sono idraulicamente collegate ai condotti per il trasferimento del GNL. Con il pompaggio, il gas naturale liquefatto, è trasferito ancora in fase liquida alla temperatura di circa -163°C verso i serbatoi dell’impianto.

• Rigassificatori offshore GBS (Gravity Based Structure)

Questa tipologia di rigassificatori sono molto simili a un’isola artificiale.

Realizzati con una struttura in cemento armato, in grado di galleggiare, e dotati di serbatoi per contenere il GNL; sono trainati dai cantieri di costruzione fino al sito d’istallazione attraverso navi rimorchiatrici.

Nel sito d’istallazione, la struttura può essere ancorata al fondale marino o con zavorre, che ne impediscono il movimento, oppure attraverso dei piloni posti sul fondale.

Le navi metaniere attraccano in prossimità della struttura galleggiante e, attraverso bracci di collegamento idraulico, avviene il trasferimento del GNL dalle navi metaniere verso i serbatoi dell’impianto.

La struttura galleggiante ospita gli impianti necessari alla conversione del gas dalla fase liquida alla fase gassosa inoltre, attraverso un gasdotto sottomarino, il gas in fase gassosa è immesso nella rete di distribuzione su terraferma.

• Rigassificatori offshore FSRU ( Floating Storage Regasification Units)

Sono rigassificatori completamente galleggianti, realizzati con navi metaniere opportunamente adattate non per il trasporto ma per lo stoccaggio del GNL.

Queste unità navali, ormeggiate al fondale marino, sono poste lontano dalle coste e svolgono il ruolo di serbatoi galleggianti.

Le navi metaniere, che trasportano il GNL, attraccano vicino ai rigassificatori FSRU. Con opportuni bracci di collegamento si esegue il trasferimento del GNL dalle stive delle metaniere verso i serbatoi di stoccaggio delle navi rigassificatrici.

A bordo dei rigassificatori galleggianti FSRU, sono istallati gli impianti muniti di scambiatore di calore gas / acqua marina per la conversione del gas dalla fase liquida alla fase gassosa.

Con un gasdotto sottomarino, il gas naturale in fase gassosa è trasferito alla rete di distribuzione su terraferma.

Rigassificatori e ambiente, una corretta analisi

Sia per gli impianti realizzati su terraferma sia per gli impianti offshore, la tutela del patrimonio paesaggistico del sito d’istallazione è un fattore fondamentale da prendere in considerazione durante le fasi di progettazione, realizzazione e messa in servizio di un pianto di rigassificazione.

Per la gestione d’impianti cosi complessi e indispensabili per la sicurezza energetica, devono essere condotti opportuni studi di fattibilità sul sito individuato per l’istallazione. Con opportune valutazioni, di natura tecnica ed economica, è condotta un’analisi costi / benefici per valutare la fattibilità di realizzazione di un’opera ingegneristica cosi complessa.

La tutela ambientale, dell’ecosistema marino e atmosferico, deve essere garantita attraverso opportune analisi.

• Scarichi idrici, tutela dell’ecosistema marino.

Gli impianti di rigassificazione, sia on-shore sia off-shore, utilizzano l’acqua marina come fluido termo-vettore.

Nelle vasche, dove è istallato lo scambiatore di calore gas / acqua marina, il gas è riscaldato dall’acqua di mare, che svolge il ruolo di fluido termo-vettore.

Durante il processo di rigassificazione l’acqua di mare, presente nelle vasche, entrando a contatto con lo scambiatore di calore, tende a raffreddarsi cedendo calore al gas con temperatura notevolmente più bassa.

Per evitare di abbassare troppo la temperatura dell’acqua presente nelle vasche, questa è fatta costantemente circolare con acqua prelevata dal mare.

Come risultato si ottiene un gradiente di temperatura inferiore a 7°C tra l’acqua delle vasche e l’acqua del mare.

Per la tutela del delicato ecosistema marino, è monitorata costantemente sia la temperatura dell’acqua immessa nel mare, per valutare che il gradiente di temperatura non sia superiore a 7°C, ma anche che la concentrazione di Ipoclorito di Sodio, miscelato all’acqua di mare per impedire la formazione di alghe nelle vasche dove sono istallati gli scambiatori di calore, non sia superiore a 0.2 mg/l.

• Emissioni atmosferiche

Impianti cosi complessi, con necessità costante di mantenere in funzione motori per alimentare pompe e generatori, ma anche l’attività navale che si svolge attorno ai siti di rigassificazione, può essere fonte di emissioni inquinanti che contribuiscono al degrado della qualità dell’aria nelle zone limitrofe al sito.

Per tutelare la qualità dell’aria, sono svolte analisi mirate per valutare le concentrazioni di polveri sottili e monossido di Carboni presenti nell’aria.

Gianni Truini