Paliwa ciekłe z gazu ziemnego. Technologia czystych paliw

Autor: Jerzy Mnich

(Nafta & Gaz Biznes – grudzień 2004)

Konwersja gazu ziemnego do produktów ciekłych stwarza możliwość ultraczystych paliw,
pozbawionych nie tylko siarki, ale także innych zanieczyszczeń, m.in. węglowodorów
aromatycznych. Ciekłe paliwa węglowodorowe mogą być wykorzystywane do napędu silników
mechanicznych i do wytwarzania poszukiwanych produktów chemicznych.

Gaz ziemny jest powszechnie stosowany jako paliwo gazowe. Znajduje jednak coraz szersze
obszary zastosowań, co sprawia, że światowy popyt na ten surowiec stale wzrasta. Dzięki
rozwojowi techniki zwiększają się także możliwości różnorodnego zagospodarowania gazu,
którego bogate złoża występują w słabo rozwiniętych częściach świata, oddalonych od
potencjalnych odbiorców. Zasobne w gaz kraje, takie jak Trynidad i Tobago, Indonezja, Brunei,
Katar czy Wenezuela stoją obecnie przed problemem wyboru optymalnego sposobu
wykorzystania swych wielkich bogactw naturalnych.

Głównym zastosowaniem metanu z gazu ziemnego jest otrzymywanie gazu syntezowego, tj.
mieszaniny tlenku węgla i wodoru. Gaz syntezowy stanowi półprodukt niezbędny do
otrzymywania metanolu oraz wodoru, potrzebnego do produkcji amoniaku.

Metanol jest cennym produktem wykorzystywanym jako paliwo silnikowe, surowiec do
produkcji benzyn, olefin (polietylenu i polipropylenu), eteru metylo-tetr-butylowego (MTBE,
wysokooktanowego komponentu benzyn), eteru dimetylowego (DME) stanowiącego substytut
oleju napędowego. Ponieważ eter dimetylowy ma zbliżone własności do gazu płynnego (LPG),
może być stosowany w zastępstwie oleju napędowego w silnikach spalinowych oraz do
wytwarzania energii elektrycznej.

Do wytwarzania gazu syntetycznego, który jest zamieniany na ciecz, stosuje się proces syntezy
Fischera-Tropscha. Swą nazwę wziął od nazwisk niemieckich chemików, Franza Fischera i
Hansa Tropscha, którzy w 1920 r. opracowali technologię konwersji gazu ziemnego do
produktów ciekłych. Pierwsza instalacja przemysłowa powstała na przełomie lat 1930/40 w
Niemczech, a kolejna w latach 50. w USA oraz Południowej Afryce.

Światowym potentatem w zakresie stosowania technologii przeróbki gazu ziemnego do paliw
ciekłych (w skrócie GTL, czyli Gas to Liquids), jest dziś Trynidad z dzienną produkcją ok. 8500
t. Chociaż na razie zapotrzebowanie na to ekologiczne paliwo nie jest wysokie, to sytuacja będzie

się zmieniać wraz z rozwojem technologii ogniw paliwowych. Właściwym paliwem dla ogniw
jest bowiem wodór, zaś najtańszym źródłem pozyskania wodoru jest gaz ziemny (przez
reforming metanu).

Również w innych krajach bogatych w gaz – w Malezji i Katarze, zbudowano wielkie wytwórnie
czystych paliw dla motoryzacji. Zapotrzebowanie na nie, mimo wyższej ceny, ciągle wzrasta w
krajach azjatyckich, gdzie coraz więcej uwagi poświęca się staraniom o czyste powietrze w
zatłoczonych aglomeracjach miejskich. Specjaliści rozpatrują także możliwości lokalizacji fabryk
chemicznych produkujących z gazu ziemnego inne produkty, takie jak parafiny, a na ich bazie
kwasy, formaldehyd, olefiny, glikol itd. Oczekuje się, że jeszcze w obecnej dekadzie nastąpią
przełomowe osiągnięcia w technologiach chemicznych, które zapewnią opłacalne wykorzystanie
gazu ziemnego w tej gałęzi gospodarki.

Rozwój technologii

Opracowaniem ekonomicznie opłacalnych technologii produkcji paliw ciekłych z gazu zajmują
się największe światowe firmy naftowe i gazownicze. Tylko amerykański koncern Exxon od
1981 r. zainwestował w prace badawczo-rozwojowe ok. 400 mln USD.

Bezpośrednią przyczyną zintensyfikowania tempa prac jest wzrost wymagań dotyczących
czystości paliw do silników samochodowych. Uważa się nawet, iż produkty GTL właśnie ze
względu na swą czystość i praktyczny brak siarki, mogą stanowić o przyszłości paliw
stosowanych w pojazdach mechanicznych. Wysokiej jakości syntetyki GTL mogłyby również
skutecznie konkurować z takimi produktami naftowymi, jak oleje i smary, rozpuszczalniki lub
detergenty. Drugim powodem zainteresowania procesami GTL jest istnienie olbrzymich
udokumentowanych zasobów gazu, które nie są obecnie użytkowane z powodu zbyt dużej
odległości dzielącej złoża od odbiorców.

Na przestrzeni ostatnich kilku lat opracowano ok. 20 nowych technologii GTL, niektóre na skalę
przemysłową. Należą do nich m.in. proces Chevron/Sasol (przeróbka gazu ziemnego
towarzyszącego ropie naftowej), proces Syntroleum Corporation (zastosowany w Australii),
proces Sasol (w Katarze).

W najbliższych latach planowana jest budowa 29 instalacji GTL na całym świecie. Ten
spektakularny rozwój technologii GTL wynika również ze znacznego obniżenia nakładów
inwestycyjnych na budowę instalacji (prawie trzykrotnie od 1990 r.). W celu jeszcze większego
obniżenia kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych oraz dla optymalnego wykorzystania
zasobów gazu realizowane są ostatnio projekty łączące instalacje do skraplania (LNG) z
instalacjami GTL.

Obie technologie mogłyby znaleźć zastosowanie także w Polsce i odegrać ważną rolę w
zagospodarowaniu rodzimych złóż gazu ziemnego. Jeszcze niedawno mówiono o dwóch
możliwych rozwiązaniach. Pierwsze z nich zakłada zaangażowanie się w projekt krajowych
rafinerii. Płocka rafineria, posiadająca doprowadzenie gazu, mogłaby przerabiać go na naftowe
produkty syntetyczne. W przedsięwzięcie mogłyby zostać włączone także rafinerie południowe i
Grupa Lotos. Drugi wariant zakłada zbudowanie większych instalacji GTL, przerabiających
krajowy gaz ziemny ze złóż gazu wysokometanowego lub zaazotowanego w ilościach ok. 1-2
mld m3 rocznie. Można byłoby je zlokalizować w pobliżu istniejącej w Polsce instalacji do
odazotowania gazu ziemnego – powstałego 30 lat temu “Krio” w Odolanowie, co znacznie
obniżyłoby koszty. Wprowadzenie produktów GTL na polski rynek pomogłoby lepiej
wykorzystać istniejące w kraju złoża gazu ziemnego, również zaazotowanego. To, czy
eksploatacja złoża się opłaca nie zależy tylko od jego zawartości. W przypadku procesu GTL
ważna jest cena gazu na wejściu do instalacji, kwestia zagospodarowania wytwarzanej w procesie
w dużych ilościach wody pitnej oraz ciepła odpadowego.

Kryteria opłacalności instalacji

Tylko niewielki procent zużywanego gazu ziemnego jest dziś wykorzystywany jako surowiec do
syntez chemicznych lub petrochemicznych. Wynika to z braku technologii przeróbki gazu
ziemnego, która charakteryzowałaby się niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi.
Wysoki koszt instalacji GTL jest m.in. efektem chemicznego charakteru metanu, który jest
bardzo trwałym związkiem chemicznym.

Mimo że głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan, do syntez chemicznych używane są
obecnie składniki wyższe od metanu – etan oraz węglowodory C3+ (propan i butan), które
wchodzą w skład gazoliny, oddzielanej od gazu surowego. Etan jest surowcem do produkcji
etylenu metodą pirolizy. Z gazoliny wyodrębnia się gaz płynny (propan-butan), albo jest ona
surowcem do syntez chemicznych.

Zdaniem ekspertów, konwersja gazu do produktów ciekłych stanie się ekonomicznie opłacalna
gdy zostaną spełnione trzy podstawowe warunki: gaz ziemny będzie tani i dostępny w
wystarczającej ilości, udoskonalone technologie pozwolą na obniżenie wysokich kosztów
inwestycyjnych produkcji paliw ciekłych z gazu ziemnego, a także będzie istniał popyt na te
ekologiczne produkty, stymulowany przez przepisy ochrony środowiska. Jak dotąd produkcja
benzyny syntetycznej lub syntetycznego oleju napędowego nie jest opłacalna.
Koszt budowy instalacji przeróbki gazu ziemnego do produktów ciekłych wynosi od 20 do 45
tys. USD/baryłkę/dobę.

W przypadku większości procesów GTL opłacalne ekonomicznie są instalacje o wydajności od
30 do 35 tys. baryłek/dobę. Opłacalność ta wzrasta przy wydajności większej niż 70 tys. baryłek
na dobę, co wynika ze zmniejszenia się kosztów inwestycyjnych instalacji separacji powietrza.
Na koszty inwestycyjne instalacji GTL składają się koszty instalacji wytwarzającej gaz
syntezowy, koszty instalacji Fischera-Tropscha oraz koszty instalacji, w której prowadzona jest
rafinacja produktów końcowych. Koszty te mają się do siebie jak 60/30/10%. Wyjątkiem jest
proces Syntroleum, który nie wymaga instalacji separacji powietrza, dlatego nakłady na budowę
instalacji GTL przez tę firmę rozkładają się w proporcjach dla poszczególnych instalacji jak
44/25/31%.

Drugim – po kosztach inwestycyjnych – czynnikiem decydującym o opłacalności procesów GTL
są koszty surowca. Atrakcyjnym dla tych procesów jest gaz spalany bezproduktywnie w
pochodniach.

W ocenie specjalistów, upowszechnienie rozwiązań GTL będzie następować wskutek dalszego
obniżania kosztów inwestycyjnych instalacji, poniżej 30 tys. USD/baryłkę/dobę. Docelowo
powinny być one niższe niż koszty inwestycyjne typowej rafinerii, które wahają się od 12 do 14
tys. USD/baryłkę/dobę. Wydajność instalacji powinna być dostosowana do użytkowania zarówno
dużych, jak i małych złóż gazu ziemnego. Przyszłość przed sobą mają instalacje przenośne,
pozwalające na eksploatację nawet niewielkich złóż. Nad tego typu przenośną instalacją, o
wydajności 2000-2500 baryłek na dobę, pracuje firma Syntroleum. Instalacja miałaby pracować
na platformie wydobywczej.