ES2301500T3 - Metodo que no daña el medio ambiente para generar energia a partir de gas natural. - Google Patents

Abstract

Un método para producir energía a partir de gas natural, que comprende las etapas de: a) convertir el gas natural que se origina a partir de un depósito de gas natural, en presencia de una mezcla de gases, sustancialmente de oxígeno y CO2, mezcla de gases que tiene un contenido de nitrógeno que es sustancialmente inferior al del aire, en una corriente que comprende CO2 y agua, por lo que se genera energía; b) separar de la corriente que comprende CO2 y agua, al menos una parte del agua, de forma que se obtiene una corriente de productos; e c) inyectar al menos una parte de dicha corriente de productos en un depósito de gas natural del que se ha extraído el gas natural.

Description

Método que no daña el medio ambiente para generar energía a partir de gas natural.

La invención se refiere a un método para producir energía a partir del gas natural que procede de un depósito de gas natural. La invención se refiere además al uso de CO_{2} procedente de gases de combustión, como medio de inyección en los depósitos de gas natural.

La extracción, y la posterior combustión del gas natural para generar energía, tienen una serie de efectos no deseados sobre el medio ambiente.

La extracción del gas natural tiene como resultado que la presión en el depósito de gas natural disminuye. Esto puede conducir a la denominada compactación de la roca del depósito, que puede dar lugar al asentamiento del terreno. El grado de compactación y el posterior asentamiento del terreno son muy dependientes de las condiciones del terreno entre el depósito y la superficie, las propiedades de la roca del depósito y la disminución de presión originada por la extracción del gas. Dependiendo de la localización del depósito de gas natural, un menor asentamiento puede, sin embar-
go, tener ya como resultado un mayor daño en el medio ambiente, incluyendo algunas construcciones allí presentes.

Además, en la combustión del gas natural se forman productos de desechos, en particular agua, CO_{2} y óxidos de nitrógeno (NO_{x}). El dióxido de carbono es un producto no deseado, ya que se considera que este gas es uno de los principales agentes causantes del denominado efecto invernadero. Los NO_{x} son nocivos porque pueden dar lugar a la formación de lluvia ácida y de niebla densa de contaminación.

Además, la disminución de la presión en el depósito de gas natural tiene como resultado que, durante la explotación, con el tiempo, la presión cae hasta el punto en que ya no es rentable explotar más el depósito. Aunque en algunos casos la afluencia natural del agua es tal que la disminución de la presión originada por la extracción del gas natural se compensa en alguna medida, esta compensación, con frecuencia, no es suficiente. En el estado actual de la técnica, por esta razón entre otras, se hace uso de la inyección de gases o de agua para mantener la presión en el depósito de gas natural. Se ha propuesto usar, por ejemplo, un gas inerte, tal como el nitrógeno, como un sustituto del gas natural extraído. Un inconveniente del uso de nitrógeno es que es caro y, por lo tanto, este método, con frecuencia, no es económicamente rentable. En la extracción de gas natural, la inyección de aire no es atractiva debido a la reactividad del oxígeno con el gas natural. Como alternativa, algunas veces se hace uso de la inyección de agua. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que con este método el gas natural es sustituido por agua líquida. El depósito puede entonces llenarse con agua, de forma que la distribución de la presión en el depósito cambia, lo que puede conducir a rupturas en la superficie del terreno.

Otro resultado de la caída de la presión junto con la afluencia, y/o la inyección, de agua es que una parte del gas natural queda atrapado en la roca subterránea. Si esta roca llega a quedar sumergida en agua, la extracción del gas allí atrapado se hace entonces más difícil. También, la vida económica del depósito se acorta debido a que el contenido de agua en el gas natural extraído, aumenta como resultado del agua inyectada. Si el contenido de agua es demasiado alto, la explotación posterior del depósito de gas natural ya no es atractiva.

El documento US-A-4528811 describe un procesador químico de turbina de gas, de ciclo cerrado, en el que las funciones del aire de combustión y del fluido de dilución en la cámara de combustión de la turbina de gas, están separadas. La salida de la turbina de gas se enfría y se recicla a su compresor. Una porción se introduce en un sistema de recuperación química en el que al menos se recupera de ella CO_{2}. El CO_{2} se puede vender o usar en la recuperación terciaria del petróleo. Este documento no se refiere a los depósitos de gas natural.

El objeto de la presente invención es proporcionar un método para generar energía a partir de gas natural, método que elimina, al menos parcialmente, los inconvenientes anteriormente mencionados.

Se ha descubierto que un método en el que la combustión del gas natural tiene lugar en presencia de, sustancialmente, oxígeno y CO_{2}, y en el que el CO_{2} que se origina a partir de los gases de combustión de la planta de combustión de gas natural se inyecta en el depósito de gas natural resuelve, al menos parcialmente, los problemas anteriormente mencionados.

Por lo tanto, la invención se caracteriza por un método para producir energía a partir de gas natural, que comprende las etapas de: a) convertir el gas natural procedente de un depósito de gas natural en presencia de una mezcla de gases de, sustancialmente, oxígeno y CO_{2}, mezcla de gases que tiene un contenido de nitrógeno que es sustancialmente inferior al del aire, en una corriente que comprende CO_{2} y agua, por lo que se genera energía; b) separar al menos una parte del agua de la corriente que comprende CO_{2} y agua, de forma que se obtiene una corriente de productos; y c) inyectar al menos una parte de la corriente de productos en un depósito de gas natural, del que se ha extraído el gas natural. Semejante método no posee, o posee únicamente hasta una extensión limitada, los inconvenientes vinculados a los métodos conocidos.

Debido al gas natural que se está quemando en presencia de, sustancialmente, oxígeno y CO_{2}, se consigue una reducción sustancial en la producción de NO_{x}. El hecho es que en los procesos normales de combustión, los NO_{x} se forman hasta una considerable extensión a partir del nitrógeno procedente del aire. Aunque según la invención, no se requiere la ausencia absoluta de nitrógeno, estará claro que el uso de una mezcla de gases con un contenido de nitrógeno inferior al del aire conducirá a un inferior producción de NO_{x}. Preferiblemente, el gas natural se quema sin la presencia de, sustancialmente, ningún otro gas distinto al oxígeno y al CO_{2}, y cualquier gas presente como contaminante en el gas natural.

La generación de energía en la etapa a) tiene lugar quemando el gas natural en una unidad de combustión adecuada, conocida per se. En la combustión del gas natural, que comprende principalmente metano y, además, posiblemente otros hidrocarburos ligeros y, según la invención, un contenido variable de CO_{2}, se libera en cualquier caso calor que se puede emplear de forma útil, por ejemplo mediante la aplicación de cambiadores de calor.

Otra ventaja importante de la invención es que inyectando en el depósito de gas natural, al menos una parte de la corriente de productos referida, se puede recuperar energía geotérmica. Esto significa que la corriente de gas inyectada se calienta como resultado del calor terrestre. Esto es una ventaja porque la corriente de gas natural producida no tiene que ser calentada, o hay que hacerlo menos, antes de ser convertida según la invención, lo cual, por ejemplo, se desea o es necesario para algunos motores de gas. También, si no es necesario o no se desea calentar la corriente de gas natural, antes de convertirla en la etapa a), este calor de origen geotérmico se puede recuperar también con un cambiador de calor y emplearse de forma útil. La posibilidad de recuperar energía geotérmica hace al procedimiento incluso más atractivo económicamente. La magnitud del gradiente de temperatura geotérmica es muy dependiente de la localización geográfica, y varía considerablemente a lo largo y ancho del mundo. Por ejemplo en una explotación holandesa de gas natural, éste puede ser de aproximadamente 3ºC por cada 100 metros. La profundidad de la explotación de gas natural también varía considerablemente a lo largo del mundo. Una profundidad típica para los Países Bajos es, por ejemplo, de 3 - 5 km.

Por eso, por ejemplo, para una explotación de una profundidad de 3 km, se puede inyectar un gas que contenga CO_{2}, a 20ºC y a una presión de 6-8 MPa, obteniéndose este gas que contiene CO_{2}, por ejemplo enfriando los gases de combustión de la etapa a) a 20ºC. Dependiendo de la profundidad del depósito y del gradiente geotérmico, se puede obtener entonces gas natural en la actividad de producción de la explotación a, por ejemplo, 100ºC con una presión de 16-20 MPa. Según se ha dicho, estos valores dependen mucho de la profundidad del depósito, del gradiente de temperatura geotérmica que prevalece y de otros factores que difieren mucho geográficamente.

También es posible generar trabajo, por ejemplo teniendo lugar la combustión en un motor de gas. El trabajo así producido puede, por ejemplo, ser usado para la producción de electricidad. Una diferencia importante entre el método según la invención y los métodos convencionales es que la combustión tiene lugar en presencia de, sustancialmente, CO_{2} y oxígeno en vez de aire. No obstante, se pueden aplicar medios habituales para la combustión del gas natural en presencia de CO_{2} y oxígeno, y generar así energía. Por lo tanto, un motor de gas que se va a usar en el método según la invención, no necesita diferir esencialmente de un motor de gas convencional, es decir, de un motor de gas adecuado para usarlo con gas natural y oxígeno procedente del aire. Generalmente, el gas natural se puede quemar sin muchos problemas en presencia de, sustancialmente, oxígeno y CO_{2} en vez de, como es habitual, en presencia de, sustancialmente, oxígeno y nitrógeno procedente del aire. Cuando se usa en un motor de gas, posiblemente pueden ser suficientes las adaptaciones conocidas per se por parte de las personas expertas, para tener esta función del motor de gas con eficacia óptima. Se obtiene una ventaja concreta generando en la etapa a), a la vez, calor y trabajo, usando una denominada planta de energía total (planta WKK).

Mediante la generación de energía, la corriente de gas natural se convierte, en presencia de oxígeno y de CO_{2}, en una corriente que comprende sustancialmente agua y CO_{2}. Además, pueden estar presentes en menores cantidades productos normales de combustión, tales como monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar. Estos productos adicionales de combustión no constituyen, en principio, ningún impedimento para llevar a cabo el método según la invención. Según la invención, esta corriente de productos de combustión es en primer lugar despojada, al menos en parte, del agua. El calor que, por lo tanto, se extrae de la corriente de gas también se puede emplear con utilidad.

En los métodos habituales para generar energía a partir de gas natural, los gases de descarga de la etapa de combustión se descargan normalmente a la atmósfera. Por esta razón, estos gases necesitan tener una temperatura suficientemente alta para ser capaces de ser descargados por medio de, por ejemplo, una chimenea. Debido a que la corriente de productos formada según el método no tienen que ser descargados a la atmósfera, se pueden enfriar más profundamente, por ejemplo a 20ºC, en la etapa b) y, por lo tanto, se puede recuperar más calor a partir de los gases de descarga de la etapa a) para ser aplicados de forma útil, lo cual ofrece una clara ventaja.

A continuación, la corriente de productos obtenida, o una parte de ella, se inyecta según la invención en la etapa c), en un depósito de gas natural del que se ha extraído el gas natural. Para ese fin se aplican medios habituales. La parte de la corriente de productos que se va a inyectar se lleva a la presión apropiada con la ayuda de un compresor. Este compresor puede, por ejemplo, accionarse con la energía generada en la etapa a). De forma conveniente, sin embargo, este compresor se acopla a una unidad de expansión. Esta unidad de expansión sirve para llevar el gas natural extraído a una presión deseada para un tratamiento posterior. En la unidad de expansión, según esta realización, la energía que se libera cuando se expande el gas natural extraído se usa para accionar el compresor.

Si una parte de la corriente de productos no se inyecta, se puede descargar. Sin embargo, en vista del asunto del CO_{2} anteriormente mencionado, la corriente de productos es para que una parte considerable, preferiblemente en su totalidad, sea inyectada en el depósito de gas natural.

Se prefiere mantener la presión del depósito de gas natural tan constante como sea posible. Como se mencionó anteriormente, de esta manera se puede evitar el asentamiento no deseado. Esto significa que para cada unidad de volumen de gas natural que se extrae del depósito, preferiblemente se inyecta una unidad de volumen, más o menos igual, de gas producto. Para mantener constante la presión en el depósito, puede ser necesario complementar la corriente de productos con CO_{2} u otro gas adecuado, o posiblemente con agua, que se obtenga de otro sitio. Aunque a este respecto, los inconvenientes anteriormente mencionados están asociados con el uso del agua, estos inconvenientes afectan naturalmente en menor medida si no se usa exclusivamente agua como medio de inyección. El agua también se puede originar a partir de la etapa a) de conversión, en cuyo caso, por consiguiente, se necesita que sea extraída menos agua de esta corriente en la etapa b).

La corriente de oxígeno, o la corriente rica en oxígeno, necesaria para obtener la relación apropiada de CO_{2}/oxígeno en la etapa a) se puede obtener a partir de cualquier otro sitio. Se puede, sin embargo, obtener una ventaja concreta cuando este oxígeno se obtenga por separación del aire, por ejemplo, por medio de técnicas conocidas per se, tales como las técnicas de separación criogénica y/o las técnicas de separación con membrana. La energía que es necesaria para esta separación se puede obtener de forma muy ventajosa a partir de la energía que genera la etapa a), por ejemplo en forma de electricidad. Como una ventaja adicional, de esta manera se puede obtener una corriente de gas que, en relación con el aire, tiene un incrementado contenido de nitrógeno. Dependiendo del uso pretendido y de las condiciones de operación del método, se puede ajustar la pureza de esta corriente rica en nitrógeno. Cuando esta corriente rica en nitrógeno se aplica, por ejemplo, como un medio de inyección adicional, según se mencionó aquí anteriormente, debe poseer una concentración de oxígeno lo suficientemente baja como para impedir los riesgos de explosión.

Según otro ejemplo de realización preferida, el oxígeno aplicado en la etapa a) se obtenía convirtiendo agua en hidrógeno y oxígeno, mientras que el agua se puede obtener en otro sitio. Preferiblemente, esta conversión se lleva a cabo por medio de la electrolisis del agua. De esta manera, además de una corriente de oxígeno o de gas rico en oxígeno, se obtiene una corriente de hidrógeno o de gas rico en hidrógeno. El hidrógeno producido se puede emplear en diferentes aplicaciones conocidas por las personas expertas. Por ejemplo, el hidrógeno producido se puede quemar para generar energía, energía que puede, por ejemplo, contribuir a las necesidades de energía de la etapa para producir la corriente de oxígeno.

La relación apropiada entre el CO_{2} y oxígeno se puede conseguir suministrando estos gases a la unidad de combustión, por ejemplo en forma de una mezcla previamente preparada. La proporción de CO_{2} y de oxígeno en una mezcla semejante depende del contenido de CO_{2} en el gas natural. La mezcla CO_{2}/oxígeno se puede obtener mezclando la corriente de oxígeno o la corriente rica en oxígeno con una corriente de CO_{2} o una corriente rica en CO_{2}. Aunque el CO_{2} se puede obtener de otro sitio, la presente invención contempla específicamente el uso del CO_{2} que se origina a partir de la mencionada corriente de productos. Con este fin, es necesario que la corriente de productos esté lo suficientemente desprovista de agua como para posibilitar que la unidad de combustión funcione adecuadamente. La mezcla CO_{2}/oxígeno se suministra a la unidad de combustión como una corriente continua.

Como se estableció, la composición de esta corriente se ajusta a la composición de la corriente de gas natural, especialmente en relación al CO_{2} presente en la corriente de gas natural. Como resultado de la inyección de (parte de) la corriente de productos en el depósito de gas natural, el gas natural extraído, en una ejecución continua del método, tendrá una concentración de CO_{2} que aumenta con el tiempo. Para posibilitar una ejecución continua del método, es necesario que por unidad de tiempo se suministre a la unidad de combustión una corriente molar de metano (y posiblemente otros hidrocarburos ligeros) ajustada en magnitud a la unidad de combustión, y una corriente molar de oxígeno ajustada a ella. La cantidad de CO_{2} que se va a aplicar para obtener una mezcla adecuada de CO_{2}/oxígeno depende, por lo tanto, entre otras cosas, de la composición del gas natural extraído. La corriente de gas natural puede ser muestreada con los medios habituales para determinar el contenido de CO_{2}. Además, con los medios habituales de regulación, el suministro de CO_{2} se puede regular de forma que se obtenga una mezcla adecuada de CO_{2}/oxígeno.

Suponiendo que, para una buena combustión del metano, es adecuada una mezcla con un 80%, en volumen, de CO_{2} y un 20%, en volumen, de oxígeno, esto significa que una corriente de gas natural que contiene aproximadamente 89%, en volumen, de CO_{2}, puede todavía quemarse con técnicas convencionales mezclándose con una corriente que contenga exclusivamente oxígeno. Si se desea una explotación adicional del depósito de gas natural, es decir una explotación en la que el nivel de CO_{2} aumente hasta por encima de aproximadamente el 89%, en volumen, la unidad de combustión se tiene que adaptar a estas mezclas de gas natural.

Cuando en esta memoria descriptiva, y en las reivindicaciones, se hace referencia a un depósito de gas natural, resultará claro para las personas expertas que el método según la invención no se limita a la extracción de, y la inyección en, un único y en el mismo, depósito de gas natural. La extracción puede, por ejemplo, transcurrir de forma ventajosa a partir diferentes depósitos de gas natural, y las respectivas corrientes se pueden combinar de forma que éstas se puedan conducir conjuntamente a la unidad de combustión en la etapa a). La inyección de la corriente de productos puede tener lugar en uno o más de estos depósitos, o en otros depósitos de gas natural.

Llevando a cabo el método según la invención, se obtiene una serie de ventajas. A través de la inyección de la corriente de productos, se puede limitar, o incluso eliminar, la emisión de CO_{2}. Además, el uso de una fuente de oxígeno en la que hay presente menos nitrógeno, o no lo hay, conduce a la emisión disminuida de NO_{x} a la atmósfera y puede incluso ser eliminada sin tener que proporcionar medios para separar los NO_{x}, como frecuentemente se requiere en los métodos convencionales comparables. Además, mediante la sustitución subterránea del gas natural con CO_{2}, la caída de presión en el depósito de gas natural se puede controlar de forma que se pueda impedir ese asentamiento. El CO_{2} no tiene que ser separado de la producción de gas natural (hasta una producción total de la explotación de aproximadamente el 89% de CO_{2}). Si el método se usa para operar una central energética, se obtiene una eficacia incrementada en la medida en que el gas combustible se puede enfriar completamente y el calor allí presente se puede emplear con utilidad. El método también ofrece la posibilidad de beneficios extras mediante la producción de una corriente de nitrógeno.

En la Fig. 1 se representa una realización preferida del método según la invención. En él, en una planta de separación de aire, se separa una corriente de aire en una corriente que contiene sustancialmente oxígeno y una corriente que contiene que contiene sustancialmente nitrógeno. La energía necesaria para esta etapa de separación se puede suministrar mediante la etapa de regeneración de energía representada. Se hace pasar la corriente de oxígeno a la etapa de generación de energía junto con el gas natural que contiene CO_{2}. En el ejemplo, el contenido de CO_{2} es del 89% en volumen. Una corriente semejante de gas natural se obtiene, normalmente, al final del periodo de producción de una explotación de gas natural cuando se explota con un método según la invención. En la etapa de separación de energía, se produce calor y, opcionalmente, electricidad. Los gases producto procedentes de la etapa de generación de energía se llevan a un compresor. La energía para operar este compresor se obtiene, preferiblemente, al menos parcialmente a partir de la unidad de expansión acoplada a él. A continuación, el CO_{2} comprimido se inyecta en el depósito de gas natural a través de un pozo de inyección. La corriente de gas natural se extrae de un pozo de producción y se hace pasar a la unidad de expansión.

Se dilucidará ahora la invención en, y mediante, el siguiente ejemplo.

Ejemplo

En la Tabla 1, se comparan las mezclas de gas de alimentación que son adecuadas para la combustión en una turbina convencional de gas.

TABLA 1 Composiciones de las mezclas de gases de alimentación para la combustión en una turbina de gas

1

Haciendo, según la invención, una mezcla de gases de alimentación en la que el nitrógeno es sustituido por CO_{2}, es posible usar gas natural que contenga 8 partes de CO_{2} y 1 parte de metano. Esto corresponde a un contenido del 88,9% de CO_{2}, en volumen, y un 11,1% de metano, en volumen, que pueden estar presentes en el gas natural extraído.

Claims (9)

1. Un método para producir energía a partir de gas natural, que comprende las etapas de:

a)

convertir el gas natural que se origina a partir de un depósito de gas natural, en presencia de una mezcla de gases, sustancialmente de oxígeno y CO_{2}, mezcla de gases que tiene un contenido de nitrógeno que es sustancialmente inferior al del aire, en una corriente que comprende CO_{2} y agua, por lo que se genera energía;

b)

separar de la corriente que comprende CO_{2} y agua, al menos una parte del agua, de forma que se obtiene una corriente de productos; e

c)

inyectar al menos una parte de dicha corriente de productos en un depósito de gas natural del que se ha extraído el gas natural.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la etapa c) se lleva a cabo de forma que la presión en el depósito de gas natural permanezca sustancialmente constante.

3. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la energía en la etapa a) se genera en forma de calor y de electricidad.

4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la energía generada se usa, al menos parcialmente, para obtener una corriente de gas rico en oxígeno.

5. Un método según la reivindicación 4, en el que dicha corriente de gas rico en oxígeno se obtiene convirtiendo agua en una corriente de gas rico en oxígeno y una corriente de gas rico en nitrógeno, preferiblemente por medio de hidrólisis del agua.

6. Un método según la reivindicación 4, en el que dicha corriente de gas rico en oxígeno se obtiene separando una corriente de aire en una corriente de gas rico en nitrógeno y una corriente de gas rico en oxígeno.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 4-6, en el que la corriente de gas rico en oxígeno se usa como fuente de oxígeno en la etapa a).

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de productos se usa, al menos parcialmente, como fuente de CO_{2} en la etapa a).

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que en la etapa a) hay presente aproximadamente un 18% de oxígeno, en volumen.