Il momento giusto per i motori a combustione ricca

Dal 2011, il GHGRP dell'EPA ha raccolto dati annuali sulle emissioni di circa 8.000 grandi impianti industriali. (Foto: Adobe.)

La produzione di gas naturale negli Stati Uniti ha superato in media i 100 miliardi di piedi cubi al giorno (Bcf/d) tra ottobre e novembre, e il 2022 probabilmente passerà alla storia con una media record di 98,0 Bcf/d per l'anno. L'Energy Information Administration (EIA) prevede che la produzione crescerà di circa il 2% nel 2023, con una media compresa tra 100 Bcf/d e 101 Bcf/d .

L'impegno degli Stati Uniti a fornire ulteriori 530 miliardi di piedi cubi di gas naturale liquefatto (GNL) ai paesi europei per sostenere gli sforzi europei volti ad ampliare le proprie fonti di approvvigionamento di gas ha fatto sì che il GNL statunitense fluisse verso l'Europa a livelli record per tutto il 2022. Uno studio pubblicato dall'American Petroleum Institute (API) e dall'International Association of Oil and Gas Producers (IOGP) ha rilevato che si prevede che la domanda di GNL in Europa aumenterà del 150% dal 2021 al 2040.

Parallelamente, si sta sempre più riconoscendo la necessità a livello mondiale di limitare l'impatto del cambiamento climatico e, in quanto secondo gas serra (GHG) più abbondante dopo l'anidride carbonica, il metano rappresenta un obiettivo importante. Investitori, azionisti, governi e comunità stanno analizzando attentamente l'intensità di carbonio associata alla produzione di combustibili fossili, e questo sta spingendo i produttori di energia a cercare modi nuovi e innovativi per ridurre le emissioni di metano .

I motori a gas naturale, noti anche come motori primi, che forniscono energia meccanica ai compressori situati lungo i 3 milioni di miglia di oleodotti che si snodano attraverso i 48 stati inferiori, sono generalmente suddivisi in tre classi distinte: due tempi a combustione magra, quattro tempi a combustione magra e quattro tempi a combustione ricca, con una durata di 50-60 anni. Perché queste tre classi distinte sono importanti?

Programma di segnalazione dei gas serra (GHGRP)

Sono importanti perché l'Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA) sta proponendo modifiche a specifiche disposizioni del Greenhouse Gas Reporting Program (GHGRP) per migliorare la qualità dei dati raccolti nell'ambito del programma. Dal 2011, il GHGRP dell'EPA ha raccolto dati annuali sulle emissioni da quasi 8.000 grandi impianti industriali e altre fonti negli Stati Uniti che emettono 25.000 tonnellate di CO2 equivalente (mtCO2e) o più all'anno. Secondo l'EPA, le revisioni proposte migliorerebbero ulteriormente la qualità dei dati della categoria di fonti "Sistemi di petrolio e gas naturale" (Sottoparte W), in modo che il GHGRP continui a fungere da strumento sia per l'EPA che per il pubblico per comprendere le emissioni di questo settore.

Gli studi citati nella proposta di norma GHGRP indicano che una parte significativa delle emissioni può derivare dal metano incombusto trascinato nei gas di scarico dei motori dei compressori di gas naturale, noto anche come "slittamento di combustione" o "slittamento di metano". Gli studi affermano inoltre che le emissioni dei motori dei compressori di gas naturale incluse nella GHGRP sono notevolmente sottostimate perché non tengono conto dello slittamento di combustione.

Pertanto, l'EPA propone di rivedere le metodologie per la determinazione delle emissioni di combustione dei motori a compressore per tenere conto dello slittamento di combustione. I relatori utilizzerebbero i fattori di emissione specifici della sottoparte W per classe di progettazione del motore (ad esempio, due tempi a combustione magra, quattro tempi a combustione magra, quattro tempi a combustione ricca o altro) nella nuova Tabella W-9 proposta. Nella proposta originale, l'EPA affermava che le revisioni sarebbero entrate in vigore il 1° gennaio 2023 e che i relatori avrebbero implementato le modifiche a partire dai rapporti preparati per l'anno di riferimento 2023 e presentati il 1° aprile 2024. Al momento della presente pubblicazione, non è chiaro quando i nuovi fattori di emissione entreranno in vigore. Si veda la Figura 1 per i confronti tra i fattori di emissione attuali e quelli proposti.

Figura 1: Fattori di emissione GHGRP attuali confrontati con la Tabella W-9 della sottoparte W della Parte 98, fattori di emissione di metano predefiniti proposti per i compressori alimentati a gas naturale.

Come evidenziato dai fattori di emissione proposti, i motori a quattro tempi a combustione ricca emettono semplicemente e intrinsecamente meno metano. I motori a combustione ricca funzionano a un rapporto aria/carburante prossimo a quello stechiometrico (16:1), dove teoricamente il 100% del carburante e dell'ossigeno viene consumato durante la combustione. In realtà, questo si traduce in un'efficienza di combustione di circa il 99,7% e in una riduzione delle emissioni di metano di oltre il 90%. Con opportuni sistemi di post-trattamento dei gas di scarico, i valori di emissione si livellano, consentendo di ottenere condizioni pressoché identiche per motori a combustione magra e ricca.

Legge sulla riduzione dell'inflazione (IRA)

In un ulteriore parallelo, nell'agosto 2022, il presidente Joe Biden ha firmato l'Inflation Reduction Act (IRA), che prevede un'imposta sulle emissioni di metano di alcune entità del settore petrolifero e del gas. L'imposta sulle emissioni di metano si applica agli impianti tenuti a dichiarare le proprie emissioni di gas serra nel GHGRP. A partire dal 1° gennaio 2024, l'imposta parte da 900 dollari per tonnellata di metano e aumenta a 1500 dollari dopo due anni, equivalenti rispettivamente a 36 e 60 dollari per tonnellata di anidride carbonica equivalente.

La tassa IRA sul metano si applica a un sottoinsieme di impianti del sistema petrolifero e del gas naturale tenuti a segnalare le emissioni di gas serra, tra cui molteplici applicazioni midstream: produzione di petrolio e gas naturale onshore e offshore, lavorazione del gas naturale onshore, compressione del trasporto del gas naturale onshore, stoccaggio sotterraneo, raccolta e pompaggio di petrolio e gas naturale onshore e condotte di trasmissione.

L'ambito delle emissioni soggette a tassazione si basa sulle emissioni dichiarate dall'impianto ai sensi del GHGRP dell'EPA e su una soglia di emissione che varia in base al tipo di impianto:

• Per gli impianti di produzione di petrolio e gas naturale, la tassa si applica solo al numero di tonnellate di metano dichiarate che superano lo 0,2% del gas naturale inviato alla vendita da tale impianto.
• Per gli impianti non produttivi, come gli impianti di raccolta e di potenziamento, la tariffa si applica alle emissioni di metano che superano lo 0,05% del gas naturale inviato in vendita dall'impianto.
• Per gli impianti di trasporto del gas naturale, la tariffa si applica alle emissioni di metano che superano lo 0,11% del gas naturale inviato in vendita dall'impianto

Grazie alle modifiche proposte al GHGRP per tenere conto in modo più accurato dello slittamento del metano nei gas di scarico del motore, unite alla carica di metano dell'IRA, con emissioni di metano inferiori del 90% , i motori a combustione ricca sono in grado di soddisfare in modo sostenibile la crescente domanda di produzione di combustibili fossili, rendendolo il "momento giusto per la combustione ricca".