Perdite di metano che compromettono i potenziali vantaggi dell'utilizzo del gas naturale nelle applicazioni di trasporto – Aggiornamento

Scritto da Sig. Silber

Pensieri casuali dall'alto deserto

Pubblicato in precedenza il 9 febbraio 2014 e ristampato ora con una nuova introduzione. Possiamo rallentare il riscaldamento globale passando al gas naturale per alimentare auto e camion? Bisogna guardare l'intera catena fissando l'estrazione e andando fino in fondo all'uso nei veicoli. Questo articolo lo fa. Ciò che emerge è un focus sulle perdite di metano in atmosfera. Questi sono paragonati ai fattori del riscaldamento globale con l'uso di petrolio e benzina. Viene discussa l'economia della riduzione delle perdite nell'atmosfera.

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Introduzione

Sembra che il pianeta Terra si stia riscaldando.

Per coloro che concludono che i "gas serra" svolgono un ruolo in questo processo e per coloro che non favoriscono un pianeta più caldo, è interessante il problema di come controllare il livello delle emissioni di GHG.

Un approccio suggerito è quello di sostituire il gas naturale con benzina e gasolio nei trasporti. Ci sono due domande fondamentali che devono essere risolte per essere entusiasti di un tale approccio.

A. Il gas naturale sarebbe conveniente?

B. Il gas naturale produrrebbe meno emissioni di gas serra. Gran parte di questa domanda riguarda la percentuale di gas naturale estratto che lo rende utilizzabile dai veicoli anziché perderlo lungo il percorso. Questo è principalmente ciò di cui tratta questo articolo.

Abbiamo pubblicato un articolo su questo argomento all'inizio del 2014 e lo stiamo ripubblicando di nuovo senza modifiche per stimolare la discussione. Alcune delle stime dei costi dovrebbero essere aggiornate per trarre conclusioni definitive basate su questo documento e i carter dei motori diesel sono migliorati, ma la metodologia probabilmente non cambierebbe, quindi riteniamo che sia utile pubblicare questo articolo che segue.

E improvvisamente un recente articolo solleva interrogativi sulle stime precedenti.

Valutazione delle emissioni di metano dalla filiera petrolifera e del gas statunitense

Ramón A. Alvarez1,*, Daniel Zavala-Araiza1, David R. Lyon1, David T. Allen2, Zachary R. Barkley3, Adam R. Brandt4, Kenneth J. Davis3, Scott C. Herndon5, Daniel J. Jacob6, Anna Karion7, Eric A. Kort8, Brian K. Lamb9, Thomas Lauvaux3, Joannes D. Maasakkers6, Anthony J. Marchese10, Mark Omara1, Stephen W. Pacala11, Jeff Peischl12,13, Allen L. Robinson14, Paul B. Shepson15, Colm Sweeney13, Amy Townsend-Small16, Steven C. Wofsy6, Steven P. Hamburg1

Scienza 13 luglio 2018:Vol. 361, Numero 6398, pp. 186-188 DOI: 10.1126/science.aar7204

Uno sforzo che perde

Quantità considerevoli del metano di gas serra fuoriescono dalla catena di approvvigionamento di petrolio e gas naturale degli Stati Uniti. Alvarez et al. ha rivalutato l'entità di questa perdita e ha scoperto che nel 2015 le emissioni della catena di approvvigionamento erano ∼60% superiori alla stima dell'inventario dell'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti. Suggeriscono che questa discrepanza esiste perché gli attuali metodi di inventario non rilevano le emissioni che si verificano durante condizioni operative anomale. Questi dati e la metodologia utilizzata per ottenerli potrebbero migliorare e verificare gli inventari internazionali dei gas serra e fornire una migliore comprensione degli sforzi di mitigazione delineati dall'accordo di Parigi.

Astratto

Le emissioni di metano dalla catena di approvvigionamento di petrolio e gas naturale degli Stati Uniti sono state stimate utilizzando misurazioni a terra su scala di strutture e convalidate con osservazioni di aerei in aree che rappresentano circa il 30% della produzione di gas degli Stati Uniti. Quando viene ampliata a livello nazionale, la nostra stima basata sulle strutture delle emissioni della catena di approvvigionamento del 2015 è di 13 ± 2 teragrammi all'anno, equivalente al 2.3% della produzione lorda di gas degli Stati Uniti. Questo valore è circa il 60% superiore alla stima dell'inventario della US Environmental Protection Agency, probabilmente perché i metodi di inventario esistenti non rilevano le emissioni rilasciate durante condizioni operative anomale. Le emissioni di metano di questa entità, per unità di gas naturale consumato, producono forzanti radiativi su un orizzonte temporale di 20 anni paragonabile alla CO2 della combustione del gas naturale. Riduzioni sostanziali delle emissioni sono possibili attraverso la rapida individuazione delle cause profonde delle emissioni elevate e l'adozione di sistemi meno soggetti a guasti.

Sappiamo che i prezzi del gas naturale non sono stati da $ 3 a $ 4 per mille piedi cubi, il che era la base per la conclusione precedente che il mercato tenderebbe a ridurre le perdite poiché il valore del gas naturale giustificherebbe il costo per ridurre le varie perdite. E ora questo recente documento suggerisce che le perdite non sono state ridotte e sono state sottovalutate in precedenza. Le nuove stime non possono essere accettate come affidabili fino a quando non sono state contestate e convalidate. È chiaro che questo deve essere fatto.

Ora l'articolo originale.

sfondo

Il Gas Naturale ha due vantaggi rispetto al carbone e ad altri combustibili fossili. A volte è un combustibile a basso costo rispetto ad altri combustibili fossili. Oggi, il NG negli Stati Uniti ha forse un vantaggio di costo del 100% rispetto ad altri combustibili per la maggior parte delle applicazioni. Al di fuori degli Stati Uniti, il NG perde il suo vantaggio a causa degli attuali prezzi esteri che sono molto più alti dei prezzi del gas naturale negli Stati Uniti. Produce sempre emissioni di gas serra (GHG) inferiori rispetto ad altri combustibili fossili bruciati nel momento in cui viene utilizzato. Ma per valutare l'uso del gas naturale nelle applicazioni di trasporto, è necessario considerare le emissioni di GHG totali "dal pozzo alle ruote" e non solo ciò che avviene all'interno del veicolo. Questo è l'argomento di questo articolo.

Seguito

Si teme che le perdite di metano (il composto principale del gas naturale) nell'atmosfera prima di raggiungere il luogo in cui viene utilizzato contrastino molti dei vantaggi dell'utilizzo del gas naturale come sostituto del carbone, della benzina e del gasolio. Nel processo di combustione, il gas naturale produce molto meno gas serra rispetto al carbone o ad altri combustibili fossili. Ma il metano è molte volte più potente come gas serra rispetto all'anidride carbonica. Quindi piccole quantità di metano rilasciate nell'atmosfera nel processo di estrazione e consegna del gas naturale possono contrastare le grandi riduzioni delle emissioni di anidride carbonica durante l'uso del gas naturale nei veicoli per sostituire altri combustibili fossili.

Le stime delle perdite di metano non sono necessariamente molto accurate in questo momento in quanto vengono verificate a campione al meglio, ma le stime fino a poco tempo tendevano ad essere comprese tra il 2% e il 3% con la maggior parte di queste perdite al pozzo. Alcuni credono che le perdite siano molto più alte. Altri credono che siano inferiori. Ma quando emetti qualcosa che è almeno 25 volte più potente (questo rapporto è chiamato Global Warming Potential o GWP) dell'anidride carbonica, l'impatto del metano 25 volte più potente richiede molti risparmi in anidride carbonica al posto di utilizzare per bilanciare. La stima delle perdite percentuali è complicata perché le perdite che si verificano in relazione al completamento del pozzo possono essere espresse come percentuale della produzione totale di un pozzo solo se si conosce la produzione a vita del pozzo e in particolare per lo shale gas non abbiamo realmente tanti anni di esperienza. Ma 25X (2%) e 25X (3%) si avvicinano al 100%, quindi il gas naturale deve essere una fonte di emissioni molto più bassa quando viene bruciato in un veicolo rispetto alle emissioni dell'idrocarburo alternativo affinché il compromesso funzioni. L'impatto totale delle emissioni dal pozzo allo stoccaggio combinato con le emissioni quando il carburante viene utilizzato deve essere inferiore all'impatto delle emissioni dal carburante sostituito per essere vantaggioso dal punto di vista dei gas serra.

Uno dei motivi per cui i calcoli sono complessi è che abbiamo a che fare con mele e arance e dobbiamo convertire tutto in un'unità standard. Quando la benzina viene utilizzata in un veicolo ci sono emissioni prima dell'uso nel veicolo e ancora emissioni derivanti dall'uso. Ma escludendo il gas naturale associato che potrebbe essere perso dal pozzo petrolifero, le emissioni sono praticamente di anidride carbonica. Con le applicazioni di trasporto che utilizzano gas naturale, le emissioni prima dell'uso nel veicolo sono metano e le emissioni durante l'uso nel veicolo sono anidride carbonica. Quindi è necessario convertire e aggregare gli impatti ambientali convertendoli in una misura comune che ai fini di questo articolo è ciò che viene chiamato il potenziale di riscaldamento globale o GWP di tutte le emissioni relative all'anidride carbonica. Questo articolo si concentra principalmente sulle emissioni prima dell'uso nel veicolo che chiamo "well to storage" poiché deve esserci una fase di stoccaggio prima di alimentare un veicolo con gas naturale. Scusa per la lunga spiegazione ma è importante per capire il resto di questo articolo.

La transizione al gas naturale sembra funzionare dal punto di vista dei gas serra nelle centrali elettriche, anche se non tutti sono d'accordo e potrebbe funzionare o meno nelle applicazioni di trasporto. Ma l'uso del gas naturale nelle applicazioni di trasporto sarebbe altamente auspicabile per molte ragioni, inclusa l'indipendenza energetica. Farebbe risparmiare molti soldi agli utenti e ridurrebbe il costo di tutto ciò che viene trasportato dai veicoli, quindi affrontare il problema è nell'interesse nazionale.

Soluzione

Alcuni studi mostrano che il punto di pareggio per il gas naturale che è immediatamente più rispettoso dell'ambiente rispetto ad altri combustibili è che le perdite di metano al pozzo e durante la consegna all'utente vengono ridotte dalla stima precedente del 2% al 3% (e tali stime sono fortemente discusso in letteratura) dall'1% all'1.5% per varie applicazioni di trasporto e dal 3% per la generazione di energia. Quindi, a questo punto, il gas naturale è già una proposta di pareggio (o forse leggermente migliore) dal punto di vista ambientale per le centrali elettriche (mentre ai prezzi delle materie prime di oggi spesso è un netto vincitore rispetto ai costi) ma sorprendentemente forse una proposta ambientale negativa o marginale per applicazioni di trasporto.

Ecco un'analisi grafica aggiornata del lavoro originariamente eseguito da Stephan W. Pacala e da un certo numero di autori che hanno identificato questo problema all'inizio: `

Adattato da http://www.pnas.org/content/109/17/6435.full

Il modo di leggere questo grafico è che se le perdite sono del 2.7% o meno, il gas naturale in sostituzione del carbone ha un beneficio immediato rispetto ai gas serra (GHG). Per un'auto media, il punto di pareggio è dell'1.4%. Per il diesel pesante è dello 0.8%. D'altra parte, se le perdite sono del 2%, guardando a destra su questo grafico, il punto di pareggio è di circa 40 anni. All'1.5% il punto di pareggio per il diesel pesante sembra essere superiore a 100 anni.

Non tutti sarebbero d'accordo con questi punti di rottura poiché implicano molte ipotesi. Un problema fastidioso è la questione del tempo da utilizzare per l'impatto di gas diversi dall'anidride carbonica. L'approccio accettato consiste nell'esaminare l'impatto su 100 anni di un gas come il metano, che attualmente è stimato 28 o 34 volte maggiore dell'anidride carbonica, a seconda di come si considerano gli impatti indiretti. Alcuni sostengono che un lasso di tempo di 20 anni sia più appropriato. Il significato è che il GWP per il metano per 20 anni è 84 contro 28 per 100 anni. Apparentemente non esiste una logica concordata anche solo per tentare di determinare quale periodo di tempo ha più senso. Quindi questo è un problema che è molto più ampio dell'argomento di questo articolo. Rende difficile l'interpretazione di qualsiasi analisi di compromesso. Ad esempio, l'affermazione che il gas naturale è in pareggio immediato con la benzina in termini di impatto sui GHG nell'atmosfera se le perdite di stoccaggio sono pari o inferiori all'1.4% significa che l'impatto su un periodo di 100 anni è lo stesso poiché chiaramente l'impatto iniziale del metano sull'atmosfera è enorme. Quindi è un concetto che richiede un po' di immaginazione e il riconoscimento che sta davvero affrontando l'impatto di 100 anni. La ragione di questa complessità è che il metano è un GHG molto più potente ma ha una vita più breve (con un'emivita di forse 7 anni), quindi è quel compromesso che si tenta di valutare e non tutti sono d'accordo sul modo migliore per fare quella valutazione . Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) sembra essere il modo più accettato, ma ci sono pro e contro per approcci alternativi. Niente sui cambiamenti climatici è semplice.

L'EPA ha recentemente aggiornato la sua stima del GWP del metano per questioni normative da 21 a 25 e ha sostenuto di attenersi al lasso di tempo di 100 anni. Lo dico perché i computer e la grafica tendono ad essere accettati come verità quando il cambiamento climatico è molto complesso ed è molto difficile trovare un'affermazione fatta per la quale non si può dire in modo giustificato "che dire di ______?" Quindi facciamo del nostro meglio, ma le risposte non sono semplici.

Ci sono molti modi in cui si può perdere il metano e la maggior parte di questi rappresenta una perdita di reddito per chi estrae gas naturale o prezzi più alti per chi acquista gas naturale. Quindi c'è un obiettivo sia ambientale che commerciale per ridurre queste perdite. Ridurre le perdite del 50% sembrerebbe ridurre notevolmente il problema. Anche la riduzione delle perdite del 25% sembrerebbe ridurre drasticamente le obiezioni a una transizione all'uso del gas naturale nelle applicazioni standard dei veicoli. Non è necessario raggiungere la perfezione. Piccole riduzioni delle perdite fanno una grande differenza quando si eseguono le equazioni.

Alcuni studi mostrano che gli sforzi per ridurre le perdite di metano mostrano un ritorno sull'investimento molto interessante (da $ 3 a $ 4 NG), anche se questi studi potrebbero non essere stati ancora verificati nella pratica.

Questo grafico EPA mostra alcuni dei luoghi in cui si verificano le perdite, ma non è stato sviluppato specificamente per affrontare le applicazioni di trasporto.

Ecco una tabella preparata dal National Resources Defense Council NRDC. http://www.nrdc.org/energy/files/Leaking-Profits-Report.pdf

Ho spostato i dati in una tabella diversa da quella originale semplicemente perché la loro grafica originale non viene stampata bene. Ma non ho apportato alcuna modifica ai dati.

Come puoi vedere, ci sono molte situazioni identificate in cui il metano viene perso, quindi ci sono molte opportunità per ridurre queste perdite. Le informazioni nella tabella sopra sono una stima dell'economia della soluzione. NRDC ha anche fornito un diagramma di flusso che l'industria dovrebbe seguire per determinare quando le soluzioni disponibili sono economiche. Per esempio:

Eccone uno più complicato.

I diagrammi di flusso per ciascuna fonte di perdita di metano sono praticamente gli stessi. Tenti di fare cose che hanno senso e dove non puoi, documenti i motivi per cui non potrebbe essere intrapresa un'azione migliore. Non ho controllato in dettaglio ma penso che i nuovi reg EPA che sono usciti seguano più o meno questi diagrammi di flusso. Ci sono grafici simili nel programma EPA Gas STAR http://www.epa.gov/gasstar/basic-information/index.html#overview

Natural Gas STAR è una partnership flessibile e volontaria che incoraggia le compagnie petrolifere e del gas naturale ad adottare tecnologie e pratiche comprovate e convenienti che migliorano l'efficienza operativa e riducono le emissioni di metano. Il metano viene emesso dalla produzione di petrolio e da tutti i settori dell'industria del gas naturale, dalla perforazione e produzione, attraverso la lavorazione e lo stoccaggio, alla trasmissione e distribuzione. Dato che il metano è il componente principale del gas naturale e un potente gas serra, la riduzione di queste emissioni si traduce in molti vantaggi ambientali, economici e operativi.

I grafici e i costi e i tempi di ammortamento in alcuni casi sono identici ma in alcuni casi variano un po' tra i vari documenti scritti dalle organizzazioni ambientaliste e le informazioni disponibili dall'EPA ma sono molto vicine. Bisogna capire che ogni giacimento di petrolio e gas è diverso e ogni situazione di estrazione e lavorazione è diversa, quindi le stime sono in una certa misura generalizzazioni e hai sempre la questione di nuove strutture rispetto al retrofit di strutture esistenti.

Non sono una persona petrolifera, ma ho un background nell'industria mineraria dell'hard-rock, quindi so che ciò che sembra buono sulla carta non sempre funziona esattamente come stabilito dagli ingegneri e dai regolatori. In generale, tutte le opportunità di investimento con un ammortamento di un anno o meno vengono semplicemente implementate e vediamo alcune prove che ciò sta effettivamente accadendo. Ma il tasso di attuazione è più lento di quanto ci si potrebbe aspettare, dato l'alto tasso di rendimento previsto degli investimenti suggeriti. Quindi quella rimane un'area di studio continuato.

Per incoraggiare l'industria ad affrontare questa sfida e procedere il più rapidamente possibile, potrebbe anche essere auspicabile ottenere un trattamento preferenziale per il metano catturato. Ad esempio, sembrerebbe opportuno esentare dalla tassazione il metano catturato piuttosto che perso al pozzo. Ad esempio, nel New Mexico abbiamo una tassa di fine rapporto sulla maggior parte delle risorse estratte. In pratica questa tassa viene riscossa sulla quantità di produzione venduta. Quindi, a seconda di dove si verificano le perdite, parte della produzione persa non viene tassata. Quindi, se le perdite di metano al pozzo fossero ridotte e questo gas naturale recuperato fosse esentato dalle tasse, il New Mexico non subirebbe una perdita dei precedenti livelli di entrate. Il New Mexico continuerebbe a ricevere l'imposta sul reddito dai profitti del produttore sul gas naturale recuperato e trarrebbe anche vantaggio dall'attività economica associata agli sforzi per ridurre le perdite. Molti stati hanno tasse simili a quelle del New Mexico. http://www.ncsl.org/research/energy/taxing-natural-gas-production.aspx Le informazioni a questo collegamento non includono tutte le tasse relative alle operazioni petrolifere e del gas, comprese le tasse ad valorem sulle attrezzature impiegate per ridurre le perdite di metano che fornirebbe entrate fiscali aggiuntive e ci sono anche royalties sulle operazioni petrolifere e del gas sul territorio federale e indiano. Quindi ci sono molte opportunità a livello federale, statale e locale per fornire incentivi per catturare il metano altrimenti perso.

Inoltre, non sarebbe irragionevole aspettarsi una cooperazione per quanto riguarda le normative di allentamento che complicano la cattura del gas naturale durante le operazioni iniziali di un pozzo, che è una delle principali volte in cui il metano viene rilasciato nell'atmosfera se sfiatato e anche se bruciato ha un impatto GHG molto più piccolo ma comunque significativo e rappresenta comunque una perdita di energia che è contraria alla conservazione e richiede pozzi aggiuntivi. Se i dati sono corretti sul fatto che molte fonti di perdite possono essere compensate in modo redditizio, allora non sono effettivamente necessari ulteriori incentivi, ma alcuni incentivi aggiuntivi sarebbero l'IMO un adeguato riconoscimento dello sforzo profuso dall'industria. L'analisi costi-benefici probabilmente non include il costo dell'istruzione degli operatori di petrolio e gas sul problema e il costo di formazione, documentazione, ecc. e distrae dalla missione primaria di un produttore di petrolio o gas per trovare e perforare pozzi.

aggiornare

L'ultima stima delle perdite di metano da pozzo per lo stoccaggio da parte dell'EPA è dell'1.5%, il che sembrerebbe indicare che questo è un problema che è già stato risolto o quasi risolto per i veicoli a benzina ed è improbabile che possa essere risolto per i diesel pesanti . Non sapremo fino almeno al prossimo rapporto EPA se questa stima ridotta delle perdite è accurata poiché in questo momento si basa su segnalazioni volontarie con molte stime. Le perdite riportate non sono distribuite uniformemente geograficamente e tendono ad essere più elevate nei campi di pozzi in rapido sviluppo. A complicare le cose, il più recente rapporto dell'IPCC Working Group 1 stima che il potenziale di riscaldamento globale del metano sia 28 rispetto alla stima precedente di 25 e ora hanno definito una nuova misura pari a 34 che tiene conto della diminuzione della capacità degli oceani di assorbire il carbonio biossido (il prodotto di degradazione del metano). Quindi l'asticella potrebbe essere alzata anche se questo è un processo lento e il prossimo aggiustamento dell'EPA dovrebbe avvenire nel lasso di tempo del 2020. Ma a parte la regolamentazione, la politica pubblica dovrebbe essere basata sulle informazioni più recenti che avanzano più rapidamente di quanto possano essere incorporate nel quadro normativo per molte ragioni, inclusa la realtà che il quadro normativo è internazionale e non limitato agli Stati Uniti e i cicli di aggiornamento delle le numerose agenzie di regolamentazione coinvolte non sono sincronizzate.

L'EPA ha recentemente promulgato regolamenti per le emissioni relative ai gas serra che richiedono un'ampia rendicontazione. È probabile che siano efficaci nel ridurre le perdite e anche nel migliorare le nostre stime delle perdite, ma saranno molto costose per l'industria petrolifera e del gas e creeranno rischi per le compagnie petrolifere e del gas che presentano rapporti imprecisi semplicemente a causa della maggior parte dei requisiti di archiviazione. Potrebbe esserci qualche vantaggio nel decentralizzare parte della segnalazione alle agenzie statali responsabili della conservazione del petrolio e del gas.

Opportunità

Sebbene alcuni lo vedano come un problema, io lo vedo più come un'opportunità. Ridurre le perdite di metano è positivo per l'ambiente e si traduce in una maggiore disponibilità di gas naturale per la vendita, quindi è una vittoria vincente. La riduzione delle perdite di metano si traduce in un caso più forte per l'uso del gas naturale nelle applicazioni di trasporto che avvantaggia l'ambiente e gli operatori dei veicoli oltre a ridurre le importazioni di petrolio greggio negli Stati Uniti Credo che crei opportunità per le aziende statunitensi di produrre le attrezzature necessarie per ridurre queste perdite e fornire i servizi associati per ridurre le perdite di metano inizialmente negli Stati Uniti ma infine in un mercato mondiale. Quindi questa è una grande opportunità di sviluppo economico.

Un buon esempio sono i Completamenti a Emissioni Ridotte a volte chiamati Completamenti Verdi. Il costo dell'attrezzatura è di $ 500,000. Viene utilizzato solo per circa due settimane per pozzetto. Apparentemente è possibile noleggiare l'attrezzatura per $ 32,400. Quindi un piccolo operatore è in svantaggio a meno che non ci siano servizi sufficienti che offrono l'uso di questa attrezzatura con una consegna rapida quando necessario. Ciò ridurrebbe il flaring e lo sfiato occasionale che probabilmente non viene segnalato ma che è molto dannoso dal punto di vista dei GHG poiché il flaring converte il metano in anidride carbonica mentre lo sfiato è il rilascio di metano con il suo GWP molto più elevato. Apparentemente ora ci sono sistemi di completamento verdi più costosi con più funzionalità che appaiono sul mercato. Questo è molto importante dove non sono presenti tubazioni di vendita in atto e si desiderano usi alternativi o se un prodotto di gas naturale liquido (GNL) deve essere preparato nel sito del pozzo per il trasporto su rotaia o camion per la vendita.

Raramente si vedono analisi dell'industria, del governo e degli attivisti che sono sostanzialmente d'accordo. Certamente fa sperare che questo sia un problema in cui si possono fare progressi sostanziali. L'elemento comune è che il metano è sia un pericolo che ha un valore di mercato. Quindi tutti vogliono ridurre le perdite.

Elenco delle referenze

http://www.epa.gov/gasstar/documents/reduced_emissions_completions.pdf (ottime lezioni apprese valutazione dei completamenti verdi da parte dei partner di produzione EPA Gas START)

http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_methane (spiega alcuni dei misteri del metano e ci sono misteri riguardo alla genesi del metano e alla scomposizione del metano in vari ambienti)

http://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2013/12/18/nyt-looks-at-gas-flaring-in-the-bakken