Stechiometria, GNL, GPL e Gas Naturale: Caratteristiche e Applicazioni

La Stechiometria

In chimica, la stechiometria è il calcolo delle relazioni quantitative tra reagenti e prodotti nel corso di una reazione chimica. Queste relazioni si possono dedurre dalla teoria atomica, anche se storicamente sono state definite senza riferimento alla composizione della materia, secondo varie leggi e principi.

Il primo a definire i principi di stechiometria è stato Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) nel 1792. Ha scritto:

La stechiometria è la scienza di misurare le proporzioni quantitative o i rapporti di massa in cui sono coinvolti gli elementi chimici.

Miscela, Rapporti Stechiometrici e Condizioni

Quando i reagenti di una reazione sono in quantità proporzionale ai loro coefficienti stechiometrici si dice che:

• La miscela è stechiometrica;
• I reagenti sono in proporzioni stechiometriche;
• La reazione avviene in condizioni stechiometriche;

Le tre espressioni hanno lo stesso significato.

In queste condizioni, se la reazione è completa, tutti i reagenti vengono consumati dando la quantità stechiometrica dei prodotti in questione. Se non è così, ci sarà un reagente limitante, che è quello in percentuale inferiore, e su cui si basano tutti i calcoli.

Esempio:

• Quale quantità di ossigeno è necessaria per reagire con 100 grammi di carbone per la produzione di biossido di carbonio?
• Massa atomica dell'ossigeno = 15,9994.
• Massa atomica del carbonio = 12,0107.

La reazione è:

Per formare una molecola di anidride carbonica, ci vuole un atomo di carbonio e due di ossigeno, o, che è lo stesso, una mole di carbonio e due moli di ossigeno.

Risolvendo per x:

Eseguite le operazioni:

GNL: Gas Naturale Liquefatto

Il gas naturale liquefatto (GNL) è il gas naturale che è stato elaborato per essere trasportato in forma liquida. È la migliore alternativa per monetizzare riserve in luoghi remoti dove non è conveniente portare il gas al mercato direttamente o mediante gasdotto o generazione di energia. Il gas naturale viene trasportato in forma liquida a pressione atmosferica e -161 °C, e la liquefazione riduce di 600 volte il volume del gas trasportato.

Motivi per Liquefare il Gas Naturale (GNL)

Il gas naturale è di solito trasportato utilizzando gasdotti, ma per lunghe distanze, è più economico spedirlo. È necessario liquefarlo per il trasporto, poiché a temperatura ambiente e pressione atmosferica occupa un volume considerevole. Il processo di liquefazione riduce il volume del gas naturale di oltre 600 volte rispetto al suo volume originario. Circa la metà delle riserve di petrolio conosciute oggi sono giacimenti di gas naturale. Spesso sono situate in regioni con scarsa domanda di gas. Tuttavia, con la liquefazione, il gas può essere trasportato in modo sicuro al suo mercato di destinazione utilizzando navi, in modo simile al petrolio greggio.

Impatto Ambientale del GNL

Il GNL ha il più basso impatto ambientale di tutti i combustibili per il suo alto contenuto di idrogeno. Le fuoriuscite di GNL si dissipano nell'aria e non contaminano il suolo o l'acqua. Come combustibile per veicoli, riduce le emissioni di ossidi di azoto (NO_x) del 70% e non produce composti di zolfo e particolato. Per la generazione di energia elettrica, le emissioni di biossido di zolfo (SO₂) sono praticamente eliminate e le emissioni di CO₂ sono ridotte del 40%.

Tutti i sistemi di produzione e trasporto, così come l'impianto di trasformazione, sono progettati per la prevenzione delle perdite e degli incendi, come nel caso dei sistemi di trasferimento del GNL da e per le navi, la navigazione o la ri-vaporizzazione (o gassificazione) del GNL. Ci sono alcune differenze nel design rispetto agli impianti a gas, ma le considerazioni di carattere ambientale, di sicurezza e di salute sono le stesse o più rigorose. I rischi principali sono la bassa temperatura (rischio criogenico) e l'infiammabilità.

GPL: Gas di Petrolio Liquefatto

Il gas di petrolio liquefatto (GPL) è una miscela di gas condensabili presenti nel gas naturale o disciolti nel petrolio. I componenti del GPL, pur essendo gassosi a temperatura e pressione ambiente, sono facili da condensare, da cui il suo nome. In pratica, si può dire che il GPL è una miscela di propano e butano.

Propano e butano sono presenti nel petrolio greggio e nel gas naturale, anche se una certa quantità si ottiene durante la raffinazione del petrolio, soprattutto come sottoprodotto del cracking catalitico a letto fluido (FCC, Fluid Catalytic Cracking).

Usi del Gas di Petrolio Liquefatto (GPL)

Gli usi principali del GPL sono:

• Raccolta di olefine, utilizzate per la produzione di numerosi prodotti, tra cui la maggior parte delle materie plastiche.
• Carburante per autotrazione.
• Combustibile di raffineria.
• Carburante per uso domestico (bombole o reti di distribuzione).

Gas Naturale (NG)

Il gas naturale è una fonte di energia non rinnovabile che consiste in una miscela di gas che si trovano comunemente nei giacimenti di petrolio, non associati (solo gas), disciolti o associati (accompagnando il petrolio) e nei giacimenti di carbone. Anche se la sua composizione varia a seconda del giacimento da cui è estratto, è composto principalmente da metano in quantità che possono comunemente superare il 90 o 95% (ad esempio, il gas non associato dal pozzo West Sole nel Mare del Nord), e spesso contiene altri gas come azoto, CO₂, H₂S, elio e mercaptani. Esempi di contaminanti sono associati a gas non da Kapuni (Nuova Zelanda) contenenti fino al 49% di CO₂. Come ulteriori fonti di questa risorsa naturale, si stanno studiando i giacimenti di idrati di metano, che, secondo le stime, potrebbero contenere riserve di energia molto superiori a quelle attuali di gas naturale.

Può anche essere ottenuto dalla decomposizione dei rifiuti organici (rifiuti, vegetali - gas di palude) in impianti di trattamento di questi resti (trattamento delle acque reflue, impianti di trattamento dei rifiuti, ecc.). Il gas così ottenuto è chiamato biogas.

Generazione di CO₂ a Confronto con Altri Gas

Il gas naturale produce meno CO₂ rispetto ad altri combustibili come il petrolio e in particolare il carbone. È inoltre un combustibile che brucia in modo più pulito ed efficiente.

La ragione per cui produce poca CO₂ è che il componente principale, il metano, contiene quattro atomi di idrogeno e uno di carbonio, producendo due molecole di acqua per ciascuna molecola di CO₂ emessa, mentre gli idrocarburi a catena lunga (liquidi) producono solo 1 molecola di acqua per ogni molecola di CO₂ (ricordiamo che il calore di formazione dell'acqua è molto elevato).

Come ulteriore vantaggio, è un combustibile versatile che può essere utilizzato in sistemi di generazione più efficienti, come il ciclo combinato o le celle a combustibile, e la sua acquisizione è più facile rispetto ad altri combustibili. Tuttavia, il contenuto energetico per unità di volume è basso rispetto ad altri combustibili.

Liquidi da Gas Naturale (LGN) = GPL + NG

I liquidi da gas naturale (LGN), composti da etano, propano, butano e altri componenti di idrocarburi più pesanti, sono utilizzati nel mercato interno come combustibile e come materia prima (compresi i prodotti petrolchimici).

Per convertire il gas naturale in liquido, il gas trattato viene raffreddato a circa -161 °C, che è la temperatura alla quale il metano, il componente principale, diventa liquido. Il processo di liquefazione è simile al comune raffreddamento: i gas refrigeranti compressi producono liquidi freddi come propano, etano/etilene, metano, azoto o loro miscele, che poi evaporano scambiando calore con il flusso di gas naturale. Così, il gas naturale viene raffreddato fino al punto in cui diventa liquido. Una volta liquefatto, il gas viene sottoposto a un'espansione Joule-Thompson o alla rimozione del lavoro in modo che possa essere conservato a pressione atmosferica. Il GNL prodotto viene accumulato in appositi serbatoi per poi essere trasferito a petroliere per trasporti speciali.

Il gas naturale estratto dai giacimenti è un gas incolore, inodore, non tossico e più leggero dell'aria. Deriva dalla decomposizione di materia organica nei sedimenti intrappolati tra gli strati di roccia ed è una miscela di idrocarburi leggeri in cui il metano (CH4) si trova in grandi proporzioni, insieme ad altri componenti del petrolio e del gas la cui concentrazione dipende dalla posizione del giacimento.

Gas Naturale per Veicoli (GNV): Vantaggi e Svantaggi

GPL o GPL.

Il GPL è composto principalmente da butano e propano, e si ottiene sia dal gas naturale che dal processo di raffinazione del petrolio. Il gas è disponibile in grandi quantità in tutto il mondo, quindi in linea di principio non è facilmente esauribile.

Il suo principale vantaggio è che ogni auto a benzina può, con una leggera modifica, utilizzarlo e, successivamente, sarà bi-fuel e potrà funzionare con uno qualsiasi dei due combustibili.

Vantaggi:

• Economia per l'utente: grazie al suo costo di produzione più basso, il gas naturale sarà sempre più economico rispetto ai carburanti tradizionali. Questa economia non è dovuta solo al suo prezzo, ma anche al risparmio sui costi di manutenzione dei veicoli e all'aumento della durata di alcuni elementi, come candele, sistema di scarico, carburatore, nonché del lubrificante.
• Protezione dell'ambiente: poiché il gas naturale è un combustibile pulito, i prodotti della sua combustione producono meno inquinamento ambientale rispetto ad altri carburanti per autotrazione, come benzina e diesel.
• Trasporto e distribuzione: sfruttando l'infrastruttura esistente di gasdotti, linee di trasmissione e reti domestiche di gas naturale, così come le stazioni di servizio esistenti, che possono diventare punti di rifornimento misti benzina/CNG.
• Affidabilità dell'offerta di prodotti: la fornitura di metano è molto più sicura e affidabile rispetto ad altri carburanti per autotrazione, in quanto la ricezione del prodotto viene effettuata direttamente attraverso le reti del gas e non con camion. Inoltre, le caratteristiche del prodotto rendono difficile l'adulterazione.
• Entrate in valuta estera: la sostituzione dei volumi di idrocarburi liquidi immessi sul mercato interno con il gas naturale rappresenta la generazione di ulteriori entrate in valuta estera, grazie all'esportazione di tali volumi.

Svantaggi:

• Peso/volume del cilindro: il cilindro di stoccaggio del gas ha un peso e un volume significativi, il che si traduce in una riduzione del carico utile, aspetto particolarmente critico per le auto di piccole dimensioni. Questo svantaggio non esiste per i veicoli commerciali (minibus, autobus, camioncini, ecc.), in quanto possono sopportare il peso dei serbatoi e hanno anche più spazio a disposizione per posizionare i cilindri di stoccaggio.
• Perdita di accelerazione: per le sue caratteristiche, il gas naturale produce una perdita di potenza del veicolo di circa il 15%, che diventa più evidente nella fase di avviamento. Questo svantaggio è più marcato nei veicoli con motori di piccola cilindrata.

Sicurezza:

Per le loro proprietà, la NGV è un combustibile più sicuri di quelli tradizionali, perché è più leggero dell'aria e si disperde rapidamente, mentre i vapori di benzina sono 5 volte più pesanti e quindi si possono accumulare in luoghi bassi ventilata, creando potenzialmente miscele esplosive.
Il campo di allenamento è più ampia miscele esplosive in benzina nel NGV. Il limite inferiore di infiammabilità è inferiore a benzina rispetto alla NGV, il che significa che è più probabile che forma infiammabile, miscele aria-carburante che Air-GNV. Inoltre, il metano richiede una temperatura superiore a benzina per l'accensione spontanea in aria.