Exergy recovery from LNG-regasification for polygeneration of energy

Author

Atienza Márquez, Antonio

Director

Coronas, Alberto

Bruno, Joan Carles

Date of defense

2020-12-16

Pages

254 p.



Department/Institute

Universitat Rovira i Virgili. Departament d'Enginyeria Mecànica

Abstract

El Gas Natural Liquat (GNL) és una excel·lent font d'exergia física a causa de la seva temperatura criogènica i, habitualment, elevada pressió de regasificació. Encara que aquest potencial exergètic es pot utilitzar, com a un subproducte de la regasificació, en multitud d'aplicacions, són molt poques les vegades que és aprofitat a causa d’alguns problemes com son les baixes eficiències i limitada competitivitat econòmica dels sistemes proposats. A més, les solucions proposades per augmentar l'eficiència normalment requereixen d'estructures molt complexes i elevades inversions. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar nous sistemes de poligeneració sostenibles per aprofitar l'exergia física del GNL (i altres fluids criogènics com el bio-GNL) i basats en un equilibri competitiu entre eficiència i complexitat, tant en terminals a gran escala com en plantes de regasificació satèl·lit. Les diferents configuracions propostes estan basades en sistemes sense combustió que regasifican el GNL i produeixen electricitat i/o refrigeració a diferents nivells de temperatura.Els resultats obtinguts demostren que la poligeneració és una solució tècnica viable per utilitzar la exergia física del GNL eficientment en cascada. Una conclusió destacable de la tesi és que els fluids naturals són adequats per ser utilitzats com fluids de treball o transferència de calor en aquest tipus de sistemes. Les configuracions propostes per a terminals a gran escala aconsegueixen el doble d'eficiència que les actuals plantes de potència criogèniques, i amb una producció equivalent d'electricitat de fins a 150 kWh per cada tona de GNL regasificada. Des del punt de vista econòmic, el temps de retorn de la inversió de referencia, estimat per a la configuració més eficient entre les analitzades, és de cinc anys. Finalment, en certs casos, les plantes satèl·lits constitueixen una atractiva via per integrar biocombustibles criogènics en el mix energètic i per a la recuperació de fred en el seu procés de regasificació.


El Gas Natural Licuado (GNL) es una excelente fuente de exergía física debido a su temperatura criogénica y habitualmente elevada presión de regasificación. Aunque este potencial exergético se puede utilizar como subproducto de la regasificación en multitud de aplicaciones, son muy pocas las veces que es aprovechado debido a algunos problemas como las bajas eficiencias y limitada competitividad económica de los sistemas propuestos. Además, las soluciones propuestas para aumentar la eficiencia normalmente requieren de estructuras muy complejas y elevadas inversiones de capital. El objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar nuevos sistemas de poligeneración sostenibles para aprovechar la exergía física del GNL (y otros fluidos criogénicos como el bio-GNL) y basados en un equilibrio competitivo entre eficiencia y complejidad, tanto en terminales a gran escala como en plantas de regasificación satélite. Las diferentes configuraciones propuestas están basadas en sistemas sin combustión que regasifican el GNL y producen electricidad y/o refrigeración a distintos niveles de temperatura.Los resultados obtenidos demuestran que la poligeneración es una solución técnica viable para utilizar la exergía física del GNL eficientemente en cascada. Una conclusión destacable de la tesis es que los fluidos naturales son adecuados para ser utilizados como fluidos de trabajo o transferencia de calor en este tipo de sistemas. Las configuraciones propuestas para terminales a gran escala consiguen el doble de eficiencia que las actuales plantas de potencia criogénicas, y con una producción equivalente de electricidad de hasta 150 kWh por cada tonelada de GNL regasificada. Desde el punto de vista económico, el tiempo de retorno de inversión de referencia estimado para la configuración más eficiente entre las analizadas es de cinco años. Finalmente, en ciertos casos, las plantas satélites constituyen una atractiva vía para integrar biocombustibles criogénicos en el mix energético y para la recuperación de frío en su proceso de regasificación.


Liquefied Natural Gas (LNG) is a premium-quality physical exergy source because of its cryogenic temperature and usually high regasification pressure. But although this exergetic potential can be utilized as a regasification by-product for multiple applications, it is rarely used because of several barriers such as low efficiencies and limited economic competitiveness of the proposed systems. Additionally, the solutions proposed to boost efficiency generally require very complex structures and huge capital investments. The objective of this doctoral thesis is to develop innovative and sustainable polygeneration systems to harness the physical exergy of LNG (and other cryogenics fluids such as bio-LNG) with a competitive efficiency-complexity ratio both in large-scale and satellite regasification facilities. The different configurations proposed consist of non-combustion systems that regasify LNG and produce electricity and/or refrigeration at different temperatures.The results obtained showcase that polygeneration is an economically feasible technical solution to squeeze the LNG physical exergy efficiently in cascade. Besides, a remarkable finding of the thesis is the suitability of natural fluids as working fluids and heat transfer fluids for such kind of systems. The configurations proposed for large-scale receiving terminals can achieve double the efficiency of current cryogenic power plants, and an equivalent electricity production up to 150 kWh per metric tonne of LNG regasified. As for the economic performance, a base-case payback period of five years is estimated for the polygeneration configuration with the most efficient performance among the investigated in this thesis. Finally, in certain scenarios satellite plants are an attractive gateway to the integration of cryogenic biofuels in the energy mix for the recovery of the low-temperature heat from the regasification.

Keywords

Poligeneració; Regasificació; Combustibles criogènics; Poligeneración; Regasificación; Combustibles criogénicos; Polygeneration; Regasificatión; Cryogenic fuels

Subjects

536 - Calor. Termodinàmica; 62 - Enginyeria. Tecnologia; 621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària

Knowledge Area

Enginyeria i arquitectura

Documents

TESI Antonio Atienza.pdf

10.86Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)