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Strumenti di simulazione per impianti IGCC con cattura e sequestro della CO2

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Strumenti di simulazione per impianti IGCC con cattura e sequestro della CO2

Come noto, la crescente domanda di energia elettrica, il decremento delle fonti primarie e l’aumento dei livelli di inquinamento spingono a ricercare non solo possibili nuovi vettori e fonti, ma anche modalità più efficienti e meno inquinanti di sfruttamento delle risorse già in uso.

A quest’ultimo proposito, negli ultimi anni, in ambito sia accademico che industriale, è stata dedicata particolare attenzione ad un uso rinnovato del carbone, risorsa ancora abbondante e distribuita in modo piuttosto uniforme nelle varie zone del globo. Riguardo agli studi sulle clean coal technologies, è stato progettato, presso CESI RICERCA, un impianto pilota, da circa 70 MWe, di tipo IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), per la co-produzione di energia elettrica e idrogeno, con cattura e sequestro della CO 2 . Esso comprende un gassificatore che trasforma slurry, ossia una miscela di carbone finemente macinato ed acqua, in gas di sintesi (syngas), che può o essere usato come combustibile nelle turbine a gas del ciclo combinato, o essere inviato a reattori di water-gas shift, che convertono il CO in esso contenuto in H 2 e CO 2 , poi ad un’unità di separazione della CO 2 con solvente fisico ed infine ad un’unità PSA (Pressure Swing Adsorption) per l’estrazione e purificazione dell’idrogeno. La struttura dell’impianto è concepita per assicurare una produzione flessibile di energia elettrica e idrogeno, massimizzando il profitto in base alle fluttuazioni del mercato, nel rispetto dei vincoli operativi (il processo di gassificazione non è in grado di eseguire variazioni di carico troppo rapide). L’impianto, pur basato su tecnologie commercialmente mature e disponibili, presenta caratteristiche innovative nelle modalità di esercizio, che richiedono di definire le modalità di controllo e conduzione. È quindi utile disporre di un simulatore, in grado di rappresentarne il funzionamento sia stazionario che dinamico, in condizioni sia normali che di emergenza, e da usare per lo studio delle manovre di esercizio, il progetto delle funzioni di regolazione ed automazione e la verifica del progetto. Il presente lavoro si propone come sintesi e “punto della situazione” delle attività di modellistica e simulazione funzionali alla costruzione del simulatore. Innanzitutto, è stato realizzato un modello ai principi primi del ciclo combinato, in ambiente LegoPST, software proprietario di CESI RICERCA basato sull’uso di moduli per la modellistica di processo, di automazione e di interfaccia uomo-macchina; ad esempio, i moduli di processo rappresentano ciascuno un dispositivo, descritto mediante equazioni di conservazione, tipicamente della massa, dell’energia e della quantità di moto. Poi, in ambiente Matlab-Simulink, mediante S-function scritte in C, sono stati modellizzati il sistema PSA e il processo di water-gas shift reaction. Tali modelli sono pure basati su principi primi, principalmente equazioni, a derivate parziali monodimensionali, di conservazione della massa, dell’energia e della quantità di moto, e su una descrizione microscopica, con equazioni differenziali ordinarie, dei meccanismi cinetici di adsorbimento e desorbimento dei gas nel mezzo poroso interno ai dispositivi. La taratura dei parametri dei due modelli è stata effettuata a partire da dati di letteratura e di progetto nel primo caso, da dati di letteratura e da dati reali provenienti da un reattore di laboratorio nel secondo. Per il sistema PSA, costituito da più reattori operanti in modo coordinato fra loro, si è iniziato anche lo studio di problemi di controllo, per progettare l’automazione necessaria a determinare le tempistiche di commutazione adeguate fra una fase e l’altra (adsorbimento delle impurità ad alta pressione, per ottenere in uscita l’H 2 ; depressurizzazione equicorrente, per estrarre anche l’H 2 intrappolato nel materiale adsorbente; depressurizzazione controcorrente, per far espellere le impurità; purging, per rigenerare il singolo letto con un flusso di idrogeno a bassa pressione; ripressurizzazione) per ciascun reattore, anche in base alla purezza desiderata per l’idrogeno in uscita.

È stato inoltre implementato, in modo analogo ai due precedenti, un modello per il gassificatore, mediante equazioni di conservazione zero-dimensionali e mediante una descrizione microscopica stazionaria delle reazioni chimiche. I principali fenomeni descritti sono l’essiccamento e devolatilizzazione dello slurry, la combustione del char così ottenuto e dei volatili, la gassificazione del char, la riduzione del char a CO, la reazione di water-gas shift ed il cooling del syngas ottenuto. I parametri del modello sono stati tarati mediante dati di letteratura. Con riferimento ad uno schema semplificato di impianto costituito dal gassificatore, da un espansore e da una turbina a gas, dotata del proprio sistema di controllo per assicurare la corretta fornitura di potenza alla rete, si è pure iniziato ad affrontare il problema del controllo coordinato: occorre mantenere costante la pressione di ingresso della turbina e, se necessario, la pressione in ingresso all’espansore (che è funzione della pressione di uscita del gassificatore), agendo sulla portata di slurry e di ossigeno in ingresso al gassificatore e sulla portata di syngas in ingresso all’espansore. Le attività del gruppo di lavoro proseguono con la modellazione dei sistemi di separazione dell’H 2 S e della CO 2 e degli altri sistemi minori (scambiatori, scrubber); seguiranno l’integrazione di tali modelli con quelli sopra citati e la messa a punto del simulatore, nonché l’analisi delle strategie e dei problemi di esercizio e controllo dell’impianto, tra cui i problemi di gestione di inserimento/disinserimento dei PSA e del sistema di stoccaggio dell’H 2 nei transitori legati alle variazioni di carico del ciclo combinato e/o della produzione di idrogeno.

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