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Immersione in profondità

Programma di mitigazione del metano da petrolio e gas

Area di lavoro: Prevenzione dell'inquinamento da metano

Rispetto ad altre soluzioni per il cambiamento climatico, la mitigazione del metano da parte del settore petrolifero e del gas è relativamente economica. Alcune misure fanno addirittura risparmiare denaro, se si considerano i ricavi extra derivanti dalla vendita del gas che altrimenti verrebbe rilasciato nell'aria. L'Agenzia Internazionale per l'Energia stima che, a livello globale, una riduzione del 75% del metano prodotto dal settore petrolifero e del gas è possibile con le tecnologie attuali, mentre una riduzione del 50% è possibile senza costi netti. Una riduzione del 50% avrebbe lo stesso impatto climatico a lungo termine della chiusura di tutte le centrali a carbone in Cina. Molti governi nazionali e subnazionali si sono già mossi con forti normative sul metano da petrolio e gas che richiedono la mitigazione di alcune o tutte queste fonti. Alcune delle normative più severe si trovano in Canada, Colorado, California e Messico.

Le maggiori opportunità di mitigazione, ovviamente, sono rappresentate dai maggiori emettitori. Queste pagine descrivono alcune di queste grandi opportunità di mitigazione. Qual è la fonte: qual è il ruolo dell'apparecchiatura o del processo che emette gas nell'industria petrolifera e del gas e perché emette? Come si può ripulire? Quali altre giurisdizioni hanno messo in atto programmi e regole per la bonifica di ciascuna fonte?


Insieme, le fonti di cui sopra rappresentano il 75% delle emissioni di metano da petrolio e gas negli Stati Uniti. Sono disponibili diverse tecnologie e pratiche per ridurre in modo significativo le emissioni di queste fonti.

Perdite e sfiati impropri

Un'enorme porzione di emissioni da petrolio e gas deriva da perdite - una categoria ampia che include ciò che tipicamente pensiamo come "perdita" (cioè il gas che fuoriesce da una guarnizione che si sta guastando, attraverso una crepa o un materiale corroso su un recipiente, ecc.), oltre ad altre operazioni improprie e "errori" come valvole bloccate, boccaporti lasciati aperti, torce non accese e altri problemi in loco che portano alle emissioni.

Mentre l'EPA's U.S. Emissions Inventory stima che l'industria del petrolio e del gas perde 3 milioni di tonnellate di metano all'anno (il 37% delle emissioni del settore), una serie di ricerche indipendenti e sottoposte a revisione paritaria ha dimostrato che questa cifra è decisamente troppo bassa. Nel 2018, uno studio pubblicato su Science e redatto da ventiquattro scienziati di sedici università e istituzioni ha analizzato le misurazioni del metano effettuate sul campo da oltre 400 pozzi e altre strutture dell'industria del gas e gli studi basati su aeromobili di diversi bacini di produzione di petrolio e gas naturale; questi bacini rappresentano oltre il 30% della produzione di gas naturale degli Stati Uniti. L'analisi ha dimostrato che le emissioni di metano dell'industria petrolifera e del gas a livello nazionale sono in realtà superiori del 60% rispetto alle stime dell'EPA e che le "emissioni mancanti" sono in gran parte dovute a perdite e a sfiati impropri. Ciò significa che un'enorme quantità di metano - 7,1 milioni di tonnellate - deriva da perdite e sfiati impropri. Nel breve periodo, il metano prodotto da queste perdite riscalda il nostro clima quanto 160 centrali elettriche a carbone.

Le perdite sono molto diffuse e non esiste un'unica causa. Le sollecitazioni termiche o meccaniche possono deteriorare le guarnizioni, così come gli errori umani (ad esempio, installazione, funzionamento o manutenzione impropri), mentre le normali operazioni e l'esposizione alle condizioni atmosferiche possono usurare le apparecchiature nel tempo. Tutte le strutture petrolifere e del gas sono soggette a perdite; non ripararle tempestivamente è una pratica dispendiosa e dannosa che porta a emissioni chiaramente evitabili. La fonte principale di queste emissioni sono le "super-emissioni", molto grandi ma non comuni, che si verificano a causa di un funzionamento improprio (valvola bloccata, portello lasciato aperto o torcia non accesa). La ricerca ha dimostrato che le superemissioni non possono essere previste e possono verificarsi in qualsiasi sito.

Fortunatamente, la maggior parte delle perdite è semplice da riparare (e la riparazione delle perdite è ripagata dal valore del gas che si risparmia riparandole). Inoltre, l'individuazione delle perdite è diventata efficiente grazie alle moderne tecnologie. L'approccio standard oggi consiste nell'utilizzare speciali telecamere in grado di rilevare la luce infrarossa (si pensi agli occhiali per la visione notturna), sintonizzate per rendere visibile il metano, invisibile ai nostri occhi. Queste telecamere consentono agli ispettori di visualizzare direttamente le perdite di gas in tempo reale, con la possibilità di ispezionare interi componenti (non solo le connessioni e le altre aree con maggiori probabilità di perdite) e di individuare la fonte precisa, rendendo più semplice la riparazione. La tecnologia promette di rendere questo processo ancora più efficiente (e più economico) nei prossimi anni.

Queste tecnologie possono essere utilizzate per ridurre le emissioni nocive dovute alle perdite, utilizzando ispezioni regolari come cardine di rigorosi programmi di "rilevamento e riparazione delle perdite" (LDAR). Questi programmi prevedono che gli operatori controllino regolarmente tutti i loro impianti alla ricerca di perdite e di emissioni improprie e che riparino tutte le perdite individuate in tempi ragionevoli. Ad esempio, la California richiede agli operatori di controllare tutti i siti quattro volte all'anno. Il Colorado ha un approccio diverso, richiedendo ai gestori dei siti più grandi di ispezionarli mensilmente, ma richiedendo ispezioni meno frequenti per i siti con emissioni potenziali minori.

Sfiato delle apparecchiature pneumatiche

Le apparecchiature pneumatiche automatiche a gas sfruttano l'energia di pressione del gas naturale nelle condutture per controllare e azionare valvole e pompe. Questo approccio consente agli operatori di automatizzare le apparecchiature in siti privi di elettricità, il che è molto tipico dei siti petroliferi e del gas in alcuni paesi. In questi Paesi, le apparecchiature pneumatiche sono onnipresenti negli impianti di produzione e compressione del petrolio e del gas e sono progettate per scaricare il gas naturale nell'atmosfera.

I controllori di valvole pneumatiche azionano automaticamente le valvole in base a fattori quali il livello del liquido in un separatore liquido-gas, la pressione o la temperatura. Possono essere classificati in base alla velocità con cui sfiatano o "spurgano" il gas naturale e al fatto che lo spurgo sia continuo o intermittente (in genere solo quando si svolge una determinata funzione). I controllori possono essere classificati come ad alto o a basso spurgo ed è stato dimostrato che la conversione da alto a basso spurgo è fattibile e conveniente in quasi tutti i casi. Tuttavia, è stato anche dimostrato che i controllori specificati come "low-bleed" spesso funzionano male, causando emissioni molto più elevate della soglia low-bleed.

Pertanto, una strategia di mitigazione più efficace è l'uso di controllori "zero-bleed", che non emettono gas naturale, utilizzando aria compressa o energia elettrica per funzionare al posto del gas naturale pressurizzato, oppure catturando per un ulteriore utilizzo il gas naturale che altrimenti verrebbe emesso. Alcuni dispositivi zero-bleed sono alimentati con elettricità generata dall'energia solare, mentre altri richiedono elettricità dalla rete o da un generatore a gas in loco, oppure aria compressa con un motore a gas naturale. È possibile ottenere riduzioni significative delle emissioni di metano sostituendo i controllori pneumatici alimentati a gas naturale con dispositivi zero-bleed, anche nei pozzi non collegati alla rete.

Le pompe pneumatiche utilizzano la pressione del gas naturale per fornire l'energia necessaria a far circolare e pressurizzare i liquidi. Ad esempio, vengono utilizzate per introdurre sostanze chimiche liquide, come gli inibitori della corrosione, nei gasdotti. Le pompe elettriche, spesso alimentate a energia solare, eliminano completamente le emissioni di metano e sono tecnicamente realizzabili in molte località.

Diverse giurisdizioni hanno implementato standard severi per ridurre le emissioni dei controllori pneumatici e delle pompe pneumatiche. Ad esempio, la California richiede che tutte le nuove apparecchiature pneumatiche siano a zero emissioni e che tutte le pompe esistenti emettano al di sotto della soglia di bassa emissione. Gli operatori devono misurare annualmente le emissioni di ciascun dispositivo per garantire che le emissioni siano effettivamente inferiori a questa soglia. Anche la Columbia Britannica richiede che tutte le nuove apparecchiature pneumatiche siano a zero emissioni e che i controllori di spurgo zero siano presenti in tutte le grandi stazioni di compressione (>3 MW).

Sfiato del compressore

Le guarnizioni dei compressori di gas naturale sono una fonte significativa di emissioni di metano evitabili.

I compressori alternativi utilizzano pistoni per comprimere il gas. Questi compressori sono dotati di guarnizioni sulle aste che trasmettono il movimento dal motore ai pistoni all'interno dei cilindri del compressore ad alta pressione; queste guarnizioni sono spesso denominate guarnizioni delle aste e sono una grande fonte di emissioni. Anche quando sono nuove, le guarnizioni lasciano fuoriuscire un po' di gas. Con il tempo si usurano e lasciano uscire più gas. Se non vengono sostituite regolarmente, le emissioni possono diventare molto elevate: più vecchie sono le guarnizioni, più metano emettono. Fortunatamente, queste emissioni di metano possono essere facilmente ridotte. In primo luogo, pratiche di manutenzione corrette, come la sostituzione regolare delle guarnizioni, riducono le emissioni e dovrebbero essere obbligatorie. Un approccio aggiuntivo o alternativo consiste nel catturare il gas che fuoriesce dal pacco lamellare e utilizzarlo, ad esempio aggiungendolo alla miscela di aria e carburante del motore del compressore. Questo può essere un approccio migliore, dato che un po' di gas fuoriesce anche dal rod-packing appena installato.

I compressori centrifughi utilizzano una turbina rotante per pressurizzare il gas. L'albero principale del compressore, che ruota rapidamente, è generalmente sigillato con una delle due tecnologie. Le tenute a umido fanno circolare l'olio per sigillare lo stretto spazio tra l'albero e il suo alloggiamento. L'olio assorbe una quantità significativa di gas naturale ad alta pressione che deve essere rimosso dall'olio prima del ricircolo. In genere, il gas rimosso dall'olio di tenuta viene espulso, con conseguenti notevoli emissioni. Le tenute a secco, invece, utilizzano un design più moderno per evitare l'uso dell'olio di tenuta, con emissioni molto più basse. Le emissioni di metano possono essere ridotte in modo economico e sostanziale imponendo ai compressori centrifughi l'uso di tenute a secco o reindirizzando il gas che verrebbe espulso da un compressore con tenute a umido nel sistema di tubazioni o in un altro utilizzo.

Sfiato del serbatoio

I serbatoi di stoccaggio sono utilizzati per contenere petrolio, condensato e acqua prodotta dai pozzi di petrolio e gas. Questi pozzi sono solitamente mantenuti ad alta pressione, ma il petrolio, l'acqua e gli altri liquidi sono tipicamente stoccati presso i pozzi in serbatoi tenuti a pressione atmosferica o quasi. Quando i liquidi vengono spostati dal pozzo ad alta pressione al serbatoio a pressione atmosferica, il metano e gli altri idrocarburi volatili disciolti nei liquidi fuoriescono dal liquido, proprio come le bollicine che escono dalla soda quando si toglie il tappo alla bottiglia, riducendo la pressione nella bottiglia. Molti serbatoi non sono dotati di controlli, quindi il metano viene rilasciato nell'atmosfera, insieme agli altri idrocarburi volatili. Questi altri idrocarburi sono potenti precursori dello smog regionale da ozono e comprendono anche inquinanti atmosferici tossici.

Le emissioni dei serbatoi possono essere controllate, e gli idrocarburi conservati per la vendita, utilizzando unità di recupero dei vapori - piccoli compressori progettati per catturare questi vapori di idrocarburi in modo che possano essere pressurizzati e inviati in una conduttura.

Sfiato di completamento del pozzo

Le emissioni di metano dai pozzi di petrolio e gas sottoposti a fratturazione idraulica possono essere significative. Fortunatamente, esistono misure di mitigazione dei rifiuti efficaci e a basso costo per questa fonte. Lo stesso approccio REC (Reduced Emissions Completions) adottato per il completamento dei pozzi di gas - in base al quale gli operatori catturano il gas naturale con attrezzature specializzate e lo convogliano nelle condutture, invece di lasciarlo fuoriuscire nell'aria - può essere applicato al gas associato prodotto durante il completamento dei pozzi petroliferi. I REC riducono le emissioni di metano dai pozzi di petrolio e di gas di oltre il 95%.

Sfiato e flaring della produzione di pozzi petroliferi

Gli operatori spesso fanno sfiatare e bruciare il gas naturale nei pozzi petroliferi. Questo spreco si verifica quando i produttori di petrolio, spinti dalla fretta di vendere il petrolio, si limitano a smaltire il gas prodotto dai pozzi petroliferi invece di costruire infrastrutture (come i gasdotti) per catturare il gas non appena inizia la produzione. (In alcuni casi, i gasdotti non vengono mai costruiti e tutto il gas prodotto dal pozzo nel corso della sua vita viene sprecato in questo modo, come si può vedere nei registri di vendita dei singoli pozzi disponibili presso le autorità di regolamentazione statali). Mentre una parte sostanziale di questo gas viene bruciata - sprecando energia e producendo grandi quantità di anidride carbonica e altri inquinanti - una parte viene semplicemente scaricata nell'aria o sfiatata. Anche nei casi in cui non è collegato un gasdotto, esistono diverse altre tecnologie che gli operatori possono utilizzare per ridurre il flaring del gas associato ai pozzi petroliferi.

Lo sfiato è ancora più dannoso del flaring, poiché il metano riscalda il clima in modo così potente e i COV e gli inquinanti tossici vengono rilasciati senza sosta. Lo sfiato di questo gas dovrebbe essere vietato in tutti i casi, in quanto fonte assolutamente inutile di inquinamento atmosferico nocivo. Esistono numerosi modi a basso costo (e di solito redditizi) per utilizzare il gas naturale proveniente dai pozzi petroliferi. La combustione in torcia dovrebbe essere l'ultima risorsa: solo nei casi più estremi i produttori di petrolio dovrebbero essere autorizzati a utilizzare il gas in torcia, e dovrebbe essere una misura strettamente temporanea. Le norme che vietano lo sfiato del gas naturale possono facilmente ridurre le emissioni del 95%.

Sfiato del disidratatore

I disidratatori rimuovono l'acqua dal flusso di gas naturale. Quando le emissioni dei disidratatori a glicole, il tipo più comunemente usato, non sono controllate, i disidratatori rilasciano una grande quantità di metano e altri inquinanti. I disidratatori sono anche grandi fonti di COV e soprattutto di inquinanti atmosferici tossici. La pulizia del metano dai disidratatori ridurrà anche le emissioni di HAP, con importanti benefici per la qualità dell'aria. Esistono diversi approcci per ridurre le emissioni dallo sfiato dei disidratatori, come la regolazione dei tassi di circolazione del fluido glicolico; l'indirizzamento del gas di sfiato verso un bruciatore utilizzato per riscaldare il glicole, in modo da bruciare il metano e le sostanze tossiche; l'uso di un condensatore per catturare i COV e le sostanze tossiche più pesanti dal gas di sfiato (che non cattura il metano); l'indirizzamento delle emissioni verso una torcia o un inceneritore.