Il presente rapporto descrive la sintesi delle attività di ricerca svolte nel periodo gennaio 2008 – febbraio 2009 nel progetto “Tecnologie per il Carbone Pulito” dell’Area “PRODUZIONE E FONTI ENERGETICHE”, una delle quattro Aree di ricerca definite nell’accordo di programma triennale tra il Ministero per lo Sviluppo Economico e CESI RICERCA S.p.A. stipulato il 21 giugno 2007. Gli obiettivi e l’articolazione del progetto sono descritti nel documento “Piano Annuale di realizzazione 2008” Prot. CESI RICERCA 08002569 (Aprile 2008). Contesto e motivazioni Nell’ambito della produzione termoelettrica il carbone rappresenta nel breve – medio termine la fonte energetica più conveniente sotto il profilo del costo, dell’entità delle riserve, della loro dislocazione geografica e della logistica. Non a caso in numerosi paesi il carbone si colloca al primo posto in termini di produzione elettrica. La situazione italiana vede invece una produzione da combustibili solidi limitata al 15 % circa e una netta prevalenza del gas naturale, con pesanti conseguenze in termini di costo dell’energia e di incertezza degli approvvigionamenti. Il principale ostacolo ad un’espansione dell’impiego del carbone è ambientale, sia per le emissioni inquinanti (ossidi di zolfo e di azoto, polveri, microinquinanti come il mercurio), sia per le elevate emissioni specifiche di CO 2 . Da ciò nasce il notevole impegno di risorse, a livello mondiale e anche in ambito Ricerca di Sistema, nel “carbone pulito”, termine che abbraccia un insieme di filoni di ricerca (impianti di maggiore efficienza e più basse emissioni, tecnologie di abbattimento degli inquinanti, ricerca, sviluppo e dimostrazione per la cattura e sequestro della CO 2 ). Nell’insieme ci si propone lo sviluppo di una generazione a carbone a “zero emissioni”, che coniughi la competitività con un’ottima compatibilità ambientale, incluse le emissioni climalteranti. Obiettivi L’obiettivo del progetto è acquisire conoscenze e sviluppare metodi e tecnologie che contribuiscano, sotto i diversi profili citati, a migliorare l’accettabilità ambientale della generazione a carbone e conseguentemente a facilitarne un maggiore sfruttamento. Le soluzioni sviluppate potranno trovare applicazione da parte degli operatori di impianti termoelettrici e dei costruttori, consentendo al pubblico di disporre di energia a basso costo e con ridottissimo impatto ambientale. Risultati Metodi e processi innovativi per la riduzione delle emissioni inquinanti. Le attività hanno riguardato lo sviluppo e la sperimentazione, in laboratorio e in centrale, di metodi e processi innovativi atti a ridurre le emissioni ed a rimuovere elementi di possibile criticità, anche per verificare in che misura sia possibile spingersi oltre le attuali migliori tecniche (Best Available Techniques – BAT). Per l’abbattimento delle polveri, si è verificato in una facility di laboratorio che il funzionamento di un precipitatore elettrostatico può essere notevolmente migliorato tramite l’iniezione di acqua finemente nebulizzata, ottenendo un miglioramento anche del 25 % dell’efficienza di cattura. Si configura quindi la possibilità, con un intervento di retrofit tecnicamente semplice e di costo contenuto, di ridurre sensibilmente le emissioni di particolato. Per quanto riguarda le emissioni di ossidi di azoto, l’approccio ipotizzato e sperimentato in campo è di automatizzare il controllo del dosaggio di ammoniaca nei reattori SCR, oggi effettuato con interventi specialistici più volte l’anno. Si è verificato che un’automazione del sistema di iniezione porta ad una uniformità della distribuzione di ossidi di azoto a valle del reattore nettamente migliore; si è quindi stimato che, senza incremento di emissioni di ammoniaca, si possono dimezzare le emissioni rispetto alle BAT. Le emissioni di mercurio da parte di impianti termoelettrici sono oggetto di crescente attenzione e di probabili inasprimenti normativi. Si è indagata la possibilità di affrontare questa possibile criticità sfruttando i sistemi di trattamento fumi già installati (DeNO x e DeSO x ), con interventi impiantistici e costi contenuti. L’idea è di ossidare il mercurio nel reattore SCR per renderlo catturabile da parte degli scrubber del DeSO x . L’attività è consistita in prove, sia in laboratorio con miscele di gas simulanti i fumi, sia in centrale con i

fumi reali, con lo scopo di verificare e ove possibile migliorare le proprietà ossidanti dei catalizzatori SCR commerciali. Si è riscontrato che i diversi catalizzatori commerciali presentano efficienze di ossidazione del 50 % circa, che salgono al 70 – 80 % quando si applica un processo, appositamente sviluppato, di additivazione con metalli come Mn e Va. Un’altra criticità che sta emergendo riguarda i residui solidi. La tendenza ormai generalizzata verso lo scarico zero di liquidi determina la produzione di residui solidi salini, in quantità stimabili a seconda dei casi fra le 3.000 e le 20.000 t/anno per centrale. Tali residui non sono agevolmente recuperabili come materie prime, né smaltibili in discarica, essendo miscele di specie chimiche molto diverse. Le soluzioni in uso comportano spesso un trasporto transfrontaliero e non appaiono del tutto affidabili per il futuro. L’attività è consistita nello sviluppo di un processo di inglobamento che porti all’inertizzazione dei residui e quindi ad un loro conferimento a discariche per rifiuti non pericolosi. Dopo uno screening fra numerose alternative, la soluzione trovata è una estrusione dei sali con materie plastiche, eventualmente derivanti da raccolta differenziata. I risultati ottenuti su una produzione di piccola serie (estrusore pilota) hanno pienamente confermato la validità del concetto. Per quanto riguarda l’opzione di cattura della CO 2 “pre-combustione”, considerata la più valida per nuovi impianti a carbone, il processo innovativo indagato è quello della separazione idrogeno/CO 2 mediante membrane metalliche dense a base di Palladio. Tale soluzione si integra in modo efficace nel trattamento syngas di un impianto IGCC; l’applicazione al processo di Water Gas Shift (WGS), porterebbe a un reattore a membrana, più efficiente ed economico. Sono stati realizzati prototipi di membrane su supporto metallico poroso, più robusti e affidabili dei precedenti su supporto ceramico. Permeazione e selettività sono soddisfacenti e ulteriormente incrementabili; sono state effettuate prove di WGS su un prototipo di reattore catalitico a membrana, che hanno confermato le aspettative di elevata efficienza di conversione del CO. La ricerca svolta comprende inoltre un’attività di modellistica, che da un lato riguarda la modellazione del comportamento dinamico della centrale di co-produzione di elettricità (75 MW e ) e idrogeno, il cui progetto di base è stato completato nel 2007, allo scopo di fornire un valido supporto agli operatori durante le manovre di esercizio e dall’altro consiste nella modellazione in condizioni stazionarie di una centrale a ossicombustione del carbone da 330 MW e , facendo riferimento ad un importante progetto nazionale lanciato da ENEL. Infine la ricerca ha affrontato la tematica del degrado dei materiali negli impianti a carbone per il loro utilizzo in cicli Ultra Super Critici (USC), per la realizzazione di rivestimenti e materiali base delle parti calde di turbine a gas alimentate da syngas ad alto tenore di H 2 , proveniente da gassificazione del carbone, e per l’esercizio in impianti ad ossicombustione. Per quanto riguarda il loro utilizzo in cicli USC, sono continuate le prove di caratterizzazione meccanica in collaborazione con partner europei nell’ambito dell’Azione COST 536, che hanno permesso di individuare ad esempio alcuni acciai per i tubi di caldaia e dei banchi convettivi idonei per l’esercizio a temperature di 620÷630°C. E’ stato inoltre sviluppato un modello di previsione di vita dei rivestimenti delle parti calde di turbogas in condizioni di corrosione ed erosione generate dall’uso del syngas come combustibile. Infine è stato sviluppato un sistema innovativo, ed è stato realizzato il suo progetto di massima, per il monitoraggio della corrosione dei tubi di caldaia o dei banchi convettivi di impianti a ossicombustione del carbone o con fumi aggressivi, quali i recenti impianti di co-combustione di carbone-biomassa/rifiuti.