NL1013804C2 - Milieuvriendelijke werkwijze voor het opwekken van energie uit aardgas. - Google Patents

Description

Λ

Titel: Milieuvriendelijke werkwijze voor het opwekken van energie uit aardgas

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het produceren van energie uit aardgas afkomstig uit een aardgasreservoir. Verder heeft de uitvinding betrekking op de toepassing van C02 uit verbrandingsgassen als 5 injectiemiddel in aardgasreservoirs.

Winning en vervolgens verbranding van aardgas voor energieopwekking heeft een aantal ongewenste effecten voor het milieu.

Het winnen van aardgas heeft tot gevolg dat de druk 10 in het aardgasreservoir daalt. Dit kan leiden tot zgn.

compactie van het reservoirgesteente waardoor ongewenste bodemdaling kan worden veroorzaakt. De mate van compactie en de daaruit volgende bodemdaling is sterk afhankelijk van de bodemcondities tussen het reservoir en het oppervlak, de 15 eigenschappen van het reservoirgesteente en de drukdaling ten gevolge van de gaswinning. Afhankelijk van de locatie van het aardgasreservoir kan echter een geringe bodemdaling reeds grote schade aan milieu, met inbegrip van de eventueel daarin aanwezige bebouwing, tot gevolg hebben.

20 Daarnaast ontstaan bij de verbranding van aardgas afvalproducten, met name water, C02 en stikstofoxiden (NOx). Het kooldioxide is een ongewenst product, aangezien dit gas wordt gezien als een van de hoofdveroorzakers van het zogenaamde broeikaseffect. NOx is schadelijk omdat het 25 kan leiden tot zure regen en smogvorming.

Daarnaast heeft de daling van de druk in het aardgasreservoir tot gevolg dat gedurende de exploitatie na verloop van tijd de druk zo laag wordt dat het niet meer rendabel is om het reservoir verder te exploiteren. Hoewel 30 in sommige gevallen de natuurlijke toestroom van water zodanig is dat in enige mate gecompenseerd wordt voor de daling in de druk ten gevolge van de aardgaswinning, is deze compensatie vaak niet voldoende. In de stand der techniek wordt onder meer om deze reden wel gebruik gemaakt 1013804 2 van injectie van gassen of water om de druk in het aardgasreservoir op peil te houden. Zo is voorgesteld om een inert gas, zoals stikstof te gebruiken ter vervanging van het gewonnen aardgas. Nadeel van het gebruik van 5 stikstof is dat dit duur is en daarmee is deze werkwijze vaak economisch niet rendabel. Injectie van lucht is bij aardgaswinning vanwege de reactiviteit van zuurstof met aardgas niet aantrekkelijk. Als alternatief wordt wel gebruik gemaakt van waterinjectie. Dit heeft echter als 10 nadeel dat bij deze werkwijze het aardgas vervangen wordt door het vloeibare water. Het reservoir raakt dan gevuld met water, waardoor de drukverdeling in het reservoir verandert, hetgeen kan leiden tot verstoringen aan het aardoppervlak.

15 Een ander gevolg van drukdaling in combinatie met toestroom en/of injectie van water is dat een gedeelte van het aardgas in het onderaardse gesteente ingevangen is. Indien dit gesteente onder water komt te staan, wordt winning van het daarin ingesloten gas bemoeilijkt. Ook 20 wordt het economisch leven van het reservoir bekort doordat het watergehalte in het gewonnen aardgas ten gevolge van het geïnjecteerde water stijgt. Als het watergehalte te hoog wordt is verder exploitatie van het aardgasreservoir niet meer aantrekkelijk.

25 Het doel van de onderhavige uitvinding is te voorzien in een werkwijze voor het opwekken van energie uit aardgas, welke werkwijze de bovengenoemde nadelen althans gedeeltelijk opheft.

Gevonden is dat een werkwijze waarin de verbranding 30 van aardgas plaatsvindt in de aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en C02, en waarin het C02 afkomstig uit de verbrandingsgassen van de aardgasverbrandingsinstallatie wordt geïnjecteerd in het aardgasreservoir, de bovengenoemde problemen althans gedeeltelijk oplost.

35 Derhalve wordt de uitvinding gekenmerkt door een werkwijze voor het produceren van energie uit aardgas 3 omvattende de stappen van: a) omzetten van aardgas afkomstig uit een aardgasreservoir, in aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en C02, in een stroom die C02 en water omvat, waarbij energie wordt opgewekt; b) verwijderen van 5 althans een gedeelte van het water uit de stroom die C02 en water omvat, waardoor een productstroom wordt verkregen; en c) injecteren van althans een gedeelte van genoemde productstroom in een aardgasreservoir waarmee aardgas is gewonnen. Een dergelijke werkwijze bezit de nadelen die de 10 bekende werkwijzen met zich meebrengen niet of in verminderde mate.

Doordat het aardgas verbrand wordt in aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en C02 wordt een aanmerkelijke reductie in de productie van NOx bereikt. NOx wordt in 15 gebruikelijke verbrandingsprocessen namelijk in belangrijke mate gevormd uit stikstof afkomstig uit de lucht. Hoewel het volgens de uitvinding niet vereist is dat stikstof geheel afwezig is, zal het duidelijk zijn dat gebruik van een gasmengsel met een stikstofgehalte dat lager is dan in 20 lucht zal leiden tot een lagere productie van NOx. Bij voorkeur wordt het aardgas verbrand in aanwezigheid van in hoofdzaak geen andere gassen dan zuurstof en C02 en eventuele gassen die als verontreiniging in het aardgas aanwezig zijn.

25 De energieopwekking in stap a) vindt plaats door verbranding van het aardgas in een daartoe geschikte, op zich bekende, verbrandingseenheid. Bij de verbranding van aardgas, dat in hoofdzaak methaan en daarnaast mogelijk andere lichte koolwaterstoffen bevat en volgens de 30 uitvinding een variërend gehalte aan C02, komt in elk geval warmte vrij die nuttig kan worden gebruikt, bijvoorbeeld door toepassing van warmtewisselaars. Ook is het mogelijk om arbeid op te wekken, bijvoorbeeld door de verbranding plaats te laten vinden in een gasmotor. De aldus 35 geproduceerde arbeid kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van elektriciteit. Een belangrijk verschil van ί 3 8 0 4 4 de werkwijze volgens de uitvinding met conventionele werkwijzen, is dat de verbranding plaatsvindt in de aanwezigheid van in hoofdzaak C02 en zuurstof in plaats van lucht. Niettemin kunnen gebruikelijke middelen worden 5 toegepast om aardgas in de aanwezigheid van C02 en zuurstof te verbranden en zo energie op te wekken. Zo hoeft een gasmotor voor toepassing in de werkwijze volgens de uitvinding niet wezenlijk te verschillen van een conventionele gasmotor, dat wil zeggen een gasmotor die 10 geschikt is voor gebruik met aardgas en zuurstof afkomstig uit lucht. In het algemeen kan aardgas zonder veel problemen verbrand worden in de aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en C02 in plaats van in de aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en stikstof afkomstig uit lucht, 15 zoals gebruikelijk is. Bij toepassing in een gasmotor kunnen eventueel bij de vakman op zich bekende aanpassingen volstaan om deze gasmotor met optimaal rendement te laten werken. Bijzonder voordeel wordt verkregen door in stap a) zowel warmte als arbeid op te wekken door toepassing van 20 een installatie met zgn. warmte-krachtkoppeling (WKK-installatie).

Door het opwekken van energie wordt de stroom aardgas in de aanwezigheid van zuurstof en C02 omgezet in een stroom die in hoofdzaak water en C02 bevat. Daarnaast 25 kunnen gebruikelijke verbrandingsproducten, zoals koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen in geringe mate aanwezig zijn. Deze overige verbrandingsproducten vormen in principe geen beletsel voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding. Volgens de uitvinding 30 wordt deze stroom verbrandingsproducten eerst, althans voor een gedeelte, ontdaan van het water. Dit kan voor een belangrijk deel geschieden door de stroom te koelen waardoor het water condenseert en kan worden afgescheiden. De warmte die hierbij aan de gasstroom wordt onttrokken kan 35 eveneens nuttig worden gebruikt.

' ,mL o f 5

In gebruikelijke werkwijzen voor opwekking van energie uit aardgas worden de afgassen van de verbrandingsstap doorgaans geloosd in de atmosfeer. Hierom dienen deze gassen een voldoende hoge temperatuur te hebben 5 om lozing met behulp van bijvoorbeeld een schoorsteen mogelijk te maken. Doordat de volgens de werkwijze ontstane productstroom niet hoeft te worden geloosd in de atmosfeer, kan deze dieper gekoeld worden in stap b) en kan dus meer warmte uit de afgassen van stap a) worden teruggewonnen om 10 nuttig te worden toegepast, hetgeen duidelijk voordeel biedt.

Vervolgens wordt de verkregen productstroom, of een gedeelte daarvan, volgens de uitvinding in stap c) geïnjecteerd in een aardgasreservoir waaruit aardgas is 15 gewonnen. Hiertoe worden gebruikelijke middelen toegepast. Het te injecteren gedeelte van de productstroom wordt met behulp van een compressor op de juiste druk gebracht. Deze compressor kan bijvoorbeeld worden aangedreven met de energie die in stap a) is opgewekt. Met voordeel echter 20 wordt deze compressor gekoppeld aan een expansie-eenheid. Deze expansie-eenheid dient om het gewonnen aardgas op een druk te brengen die voor verdere verwerking gewenst is. In de expansie-eenheid wordt volgens deze uitvoeringsvorm de energie die vrijkomt bij het expanderen van het gewonnen 25 aardgas gebruikt voor het aandrijven van de compressor.

Indien een gedeelte van de productstroom niet wordt geïnjecteerd, kan dit worden geloosd. Gezien de bovengenoemde C02-problematiek wordt de productstroom echter voor een belangrijk deel en bij voorkeur geheel 30 geïnjecteerd in een aardgasreservoir.

Het verdient de voorkeur om de druk van het aardgasreservoir zo constant mogelijk te houden. Zoals hierboven vermeld, kan hiermee ongewenste bodemdaling worden voorkomen. Dit betekent dat voor elke volume-eenheid 35 aardgas die wordt onttrokken aan het reservoir er bij voorkeur een min of meer gelijke volume-eenheid productgas 1013804 6 voor in de plaats wordt geïnjecteerd. Om de druk in het reservoir constant te houden, kan het nodig zijn om de productstroom aan te vullen met C02 of een ander geschikt gas of eventueel water, dat van elders wordt betrokken.

5 Hoewel in dit verband aan het gebruik van water de hiervoor genoemde nadelen kleven, gelden deze nadelen uiteraard in verminderde mate indien niet uitsluitend water wordt toegepast als injectiemiddel. Het water kan ook afkomstig zijn uit de omzettingsstap a) , in welk geval er dus minder 10 water aan deze stroom hoeft te worden onttrokken in stap b) .

De zuurstofstroom of zuurstofrijke stroom die nodig is voor het verkrijgen van de juiste C02/zuurs tof verhouding in stap a) kan van elders betrokken worden. Bijzonder 15 voordeel kan echter worden verkregen indien deze zuurstof wordt gemaakt door scheiding van lucht, bijvoorbeeld door middel van op zich bekende technieken, zoals cryogene scheidingstechnieken en/of membraanscheidingstechnieken. De energie die voor deze scheiding nodig is kan met groot 20 voordeel worden betrokken uit de energieopwekkingsstap a), bijvoorbeeld in de vorm van elektriciteit. Als bijkomend voordeel kan op deze wijze een gasstroom verkregen worden die een ten opzichte van lucht verhoogd stikstofgehalte bezit. Afhankelijk van de beoogde toepassing en de 25 bedrijfsomstandigheden van de werkwijze kan de zuiverheid van deze stikstofrijke stroom worden aangepast. Indien deze stikstofrijke stroom bijvoorbeeld wordt toegepast als aanvullend injectiemiddel, zoals hierboven genoemd, dient deze een voldoende lage concentratie aan zuurstof te 30 bezitten om explosiegevaar te voorkomen.

De juiste verhouding tussen C02 en zuurstof kan worden bereikt door deze gassen, bijvoorbeeld in de vorm van een vooraf bereid mengsel, aan de verbrandingseenheid toe te voeren. De verhouding van C02 en zuurstof in een 35 dergelijk mengsel hangt af van het C02-gehalte in het aardgas. Het C02/zuur stof mengsel kan worden verkregen door 7 menging van de zuurstofstroom of zuurstofrijke stroom met een C02-stroom of C02-rijke stroom. Hoewel de C02 van elders betrokken kan worden, beoogt de onderhavige uitvinding met name het gebruik van C02 afkomstig uit de genoemde 5 productstroom. Hiertoe is het noodzakelijk dat de productstroom voldoende ontdaan is van water om een goed functioneren van de verbrandingseenheid mogelijk te maken. Het C02/zuurstofmengsel wordt toegevoerd als continue stroom aan de verbrandingseenheid.

10 Zoals gezegd wordt de samenstelling van deze stroom aangepast aan de samenstelling van de aardgasstroom, met name met betrekking tot de in de aardgasstroom aanwezige C02. Ten gevolge van de injectie van (een gedeelte van) de productstroom in het aardgasreservoir zal het gewonnen 15 aardgas bij continu uitvoeren van de werkwijze een in de loop van tijd stijgende C02-concentratie hebben. Om een constante uitvoering van de werkwijze mogelijk te maken, is het nodig dat per tijdseenheid een in grootte op de verbrandingseenheid aangepaste molenstroom methaan (en 20 eventueel andere lichte koolwaterstoffen), en een daaraan aangepaste molenstroom zuurstof aan de verbrandingseenheid wordt toegevoerd. De hoeveelheid C02 die dient te worden toegepast om een geschikt C02/zuurstofmengsel te krijgen hangt dus onder meer af van de samenstelling van het 25 gewonnen aardgas. De aardgasstroom kan met gebruikelijke middelen bemonsterd worden om het C02-gehalte te bepalen. Voorts kan met gebruikelijke regelingen de C02-toevoer zo geregeld worden dat een geschikt C02/zuurstofmengsel wordt verkregen.

30 Ervan uitgaande dat voor een goede verbranding van methaan een mengsel met 80 vol.% C02 en 20 vol.% zuurstof geschikt is, betekent dit dat een aardgasstroom die tot ongeveer 89 vol.% C02 bevat nog met conventionele technieken verbrand kan worden door het bijmengen van een 35 stroom die uitsluitend zuurstof bevat. Indien verdere exploitatie van het aardgasreservoir gewenst is, dat wil 1013804 8 zeggen exploitatie waarbij het C02-gehalte stijgt tot boven ongeveer 89 vol.%, dient de verbrandingseenheid aangepast te worden aan dergelijke aardgasmengsels. Ook is het mogelijk om C02 te scheiden van het aardgas met 5 gebruikelijke technieken alvorens dit naar de verbrandingseenheid in stap a) te leiden.

Waar in deze beschrijving en de conclusies sprake is van een aardgasreservoir, zal het voor de vakman düidelijk zijn dat de werkwijze volgens de uitvinding niet beperkt is 10 tot winning uit en injectie in één en hetzelfde aardgasreservoir. Zo kan bijvoorbeeld met voordeel de winning plaatsvinden uit verschillende aardgasreservoirs, welke stromen gecombineerd kunnen worden zodat deze gezamenlijk naar de verbrandingseenheid in stap a) geleid 15 kunnen worden. Injectie van de productstroom kan plaatsvinden in een of meer van deze reservoirs, of in andere aardgasreservoirs.

Door toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een aantal voordelen verkregen. Door de 20 injectie van de productstroom kan de uitstoot van C02 worden beperkt of zelfs worden opgeheven. Bovendien leidt het gebruik van een zuurstofbron waarin minder of geen stikstof in aanwezig is tot verminderde NOx uitstoot naar de atmosfeer en kan deze zelfs worden opgeheven, zonder dat 25 hoeft te worden voorzien in middelen om het NOx te verwijderen, zoals in conventionele vergelijkbare werkwijzen vaak wel vereist is. Verder kan door de ondergrondse vervanging van aardgas door C02 drukdaling in het aardgasreservoir worden tegengegaan waardoor 30 bodemdaling kan worden voorkomen. Het C02 hoeft niet van aardgasproductie te worden afgescheiden (tot een totale veldproductie van ongeveer 89% C02) . Indien de werkwijze wordt gebruikt voor het bedrijven van een elektriciteitscentrale wordt een verhoogde efficiency verkregen doordat 35 rookgas volledig gekoeld kan worden en de daarin aanwezig warmte nuttig kan worden gebruikt. Ook biedt de werkwijze . . ! f ,·'· -i‘- 9 de mogelijkheid voor eventuele extra inkomsten door de productie van een stikstofstroom.

In Figuur 1 is een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. Hierin wordt 5 in een luchtscheidingsinstallatie een luchtstroom gescheiden in een stroom die hoofzakelijk zuurstof bevat en een stroom die hoofdzakelijk stikstof bevat. De energie die nodig is voor deze scheidingsstap kan worden geleverd door de weergegeven energieopwekkingsstap. De zuurstofstroom 10 wordt naar de energieopwekkingsstap gevoerd tezamen met C02-bevattend aardgas. In het voorbeeld is het C02-gehalte 89 vol.% C02. Een dergelijke aardgasstroom wordt typisch verkregen aan het einde van de productieperiode van een aardgasveld wanneer dit geëxploiteerd wordt met een 15 werkwijze volgens de uitvinding. In de energieopwekkingsstap wordt warmte en eventueel elektriciteit geproduceerd. De productgassen uit de energieopwekkingsstap worden naar een compressor geleid. De energie voor het bedrijven van deze compressor wordt bij 20 voorkeur althans gedeeltelijk betrokken uit een expansie-eenheid die hiermee gekoppeld is. Vervolgens wordt het gecomprimeerde C02 geïnjecteerd in het aardgasreservoir via een injectieput. De aardgasstroom wordt gewonnen uit een productieput en naar de expansie-eenheid gevoerd.

25 De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van het volgende voorbeeld.

10

Voorbeeld

In Tabel 1 worden voedingsgasmengsels vergeleken die geschikt zijn voor verbranding in een conventionele 5 gasturbine.

Tabel 1. Samenstellingen van voedingsgasmengsels geschikt voor verbranding in een gasturbine.

Volume- component conventionele samenstelling volgens delen samenstelling de uitvinding ___[vol. %]__[vol. %]_ _8_ __72.73__ _2 Q2__18.18__18.18_ _1 CH4__9,09__9.09__ _8 CO,___72.73_ 10 Door volgens de uitvinding een voedingsgasmengsel te maken waarin het stikstof vervangen is door C02, is het mogelijk om gebruik te maken van aardgas dat 8 delen C02 en 1 deel methaan bevat. Dit komt overeen met gehalte van 88.9 vol.% C02 en 11.1 vol. % methaan dat aanwezig kan zijn 15 in het gewonnen aardgas.

1013804

Claims (8)

1. Werkwij ze voor het produceren van energie uit aardgas omvattende de stappen van: a) omzetten van aardgas afkomstig uit een aardgasreservoir, in aanwezigheid van in hoofdzaak zuurstof en C02, in een 5 stroom die C02 en water omvat, waarbij energie wordt opgewekt; b) verwijderen van althans een gedeelte van het water uit de stroom die C02 en water omvat, waardoor een productstroom wordt verkregen; en 10 c) injecteren van althans een gedeelte van genoemde productstroom in een aardgasreservoir waaruit aardgas is gewonnen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij stap c) zodanig wordt uitgevoerd dat de druk in het 15 aardgasreservoir in hoofdzaak constant blijft.

3. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de energie in stap a) wordt opgewekt in de vorm van warmte en elektriciteit.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, 20 waarbij de opgewekte energie althans gedeeltelijk wordt gebruikt voor het scheiden van een stroom lucht in een stroom stikstofrijk gas en een stroom zuurstofrijk gas.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de stroom zuurstofrijk gas wordt gebruikt als bron van zuurstof in 25 stap a) .

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de productstroom althans gedeeltelijk wordt gebruikt als bron van C02 in stap a) .

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, 30 waarbij in stap a) ongeveer 18 vol.% zuurstof aanwezig is.

8. Toepassing van C02 uit verbrandingsgassen als injectiemiddel ter voorkoming van drukdaling in aardgasreservoirs.