Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Studi sull’utilizzo pulito dei combustibili fossili e cattura e sequestro della CO2- Cattura e sequestro della CO2” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. E’ stata eseguita un’indagine di letteratura relativa alle tecnologie fortemente innovative o non convenzionali proposte o in fase di studio per la produzione di energia elettrica da carbone con ridotte emissioni di CO 2 associate e limitate penalizzazioni energetiche. Dopo una breve rassegna delle tecnologie proposte e dei progetti in realizzazione o in fase di valutazione a livello internazionale, l’attività è proseguita con l’identificazione di una tecnologia meritevole di approfondimento ai fini del presente studio. Questa tecnologia è risultata essere quella, già precedentemente valutata per il gas naturale, nota con l’acronimo CLC, che sta per “Chemical Looping Combustion. Sulla base di questi dati e considerando le prospettive e le potenzialità, anche di tipo strategico, che questa tecnologia potrebbe avere nel medio lungo periodo, è stato deciso di approfondire la tematica CLC anche per l’impiego come combustibile del carbone, mutatis mutandis rispetto agli studi precedenti effettuati relativi all’impiego del gas naturale. Per questa tecnologia è stato quindi definito un possibile schema di processo di riferimento per il quale è stato implementato, mediante un codice commerciale già disponibile in ERSE un modello di simulazione stazionaria di un intero impianto. La taglia scelta per l’impianto modellato corrisponde, in termini di quantità di carbone entrante (pari a circa 180 t/h), ad una tipica centrale termoelettrica alimentata a polverino di carbone. Con riferimento allo schema a blocchi semplificato riportato nella fig.5, lo schema di riferimento del processo modellato è essenzialmente composto da un reattore (Ossidatore) di ossidazione del metallo mediante aria compressa, con produzione dell’ossido che funge da trasportatore di ossigeno, da un reattore (Riduttore) di riduzione dell’ossido metallico mediante ossidazione del carbone che alimenta l’impianto, un gruppo turbina a gas-compressore-generatore per la compressione dell’aria di ossidazione e la produzione di energia elettrica a spese dell’energia meccanica prodotta dall’espansione della corrente di aria esausta uscente dall’ossidatore; da un turboespansore alimentato dai prodotti di combustione del carbone, da un doppio generatore di vapore a recupero (GVR1 e GVR2) che opera raffreddando sia gli effluenti della turbina a gas, sia i prodotti dalla ossidazione del carbone producendo vapore a 2 livelli di pressione (90 bar e 6 bar), da un turbogeneratore alimentato dal vapore prodotto dai GVR per la produzione, in ciclo combinato, di ulteriore energia elettrica. Il vapore in uscita dalla TV è inviato a un condensatore a superficie refrigerato da acqua di mare in circuito aperto, per essere poi restituito al ciclo sotto forma di acqua di alimento. Si è ipotizzato di installare l’impianto un sito marito per ovvie facilità di approvvigionamento del carbone. Il modello d’impianto CLC implementato, pur essendo semplificato, è comunque rappresentativo di un possibile impianto CLC alimentato a carbone. La modellazione è stata effettuata con il codice di simulazione di impianti termoelettrici THERMOFLEX Ver. 19, che pur essendo particolarmente completo e flessibile per le modellazioni di diversi processi di generazione, non dispone però di modelli di componenti specificamente adatti alla modellazione dei reattori presenti nel processo in oggetto. Per questa la ragione si sono dovute introdurre nella modellazione alcune semplificazioni, che passano anche attraverso l’uso di fogli elettronici, impiegati per l’elaborazione dei bilanci di massa ed energia dei reattori che sono parte integrante del processo CLC, e programmi esterni al codice per calcolo di alcune proprietà termodinamiche e termochimiche.

Lo studio svolto è di carattere quasi esclusivamente energetico-termodinamico, e prescinde quindi da (pur fondamentali) aspetti tecnologici e processistici quali quelli legati alla reale possibilità di ottenere sufficienti velocità (cioè cinetiche adeguate) per le diverse reazioni chimiche tra solidi e fra solidi e gas su cui si basa una parte essenziale del processo della CLC. I risultati ottenuti con la modellazione, pur con tutti i limiti e le approssimazioni dovute alla difficile modellabilità del reale processo chimico CLC mediante il codice impiegato, non sembrano confermare anche con il carbone le aspettative a suo tempo emerse dagli studi relativi all’impiego come combustibile del gas naturale, ma si collocano comunque, in termini di efficienza globale conseguibile in generazione elettrica (34 %), nella fascia dei processi meno penalizzati rispetto alla cattura post-combustione della CO 2 . In questo caso i processi di confronto (o concorrenti) sono o potrebbero essere gli IGCC con cattura della CO 2 o l’oxy- combustione di polverino. E’ vero infatti che il CLC può essere visto come un metodo alternativo all’ASU per la produzione dell’ossigeno necessario per effettuare la gassificazione del carbone oppure la sua combustione con ossigeno. In questa ottica, il vantaggio energetico del processo CLC origina dalla sostituzione dell’energia elettrica con energia termica nell’operazione di separazione dell’ossigeno dall’azoto dell’aria. Questo indubbio vantaggio energetico si paga però con una minor efficienza degli associati cicli termodinamici di generazione dell’energia elettrica, che operando a livelli termici inferiori presentano anche rendimenti minori. Il vantaggio ipoteticamente conseguibile sulla produzione dell’ossigeno tende quindi a essere parzialmente compensato dalla penalizzazione dei cicli, con conseguente riduzione del beneficio energetico complessivo. Per quanto concerne invece l’aspetto ambientale, il processo CLC è sicuramente superiore, poiché le emissioni di CO 2 sono praticamente nulle in quanto tutta la CO 2 prodotta dall’ossidazione del carbone ad opera dell’ossido metallico viene integralmente recuperata per essere poi compressa fino ad una pressione idonea all’invio ad un confinamento geologico. L’attività svolta, pur considerando le semplificazioni introdotte e le approssimazioni adottate, consente di evidenziare i limiti, per lo studio prevalentemente termodinamici, relativi all’eventuale applicazione della tecnologia CLC ai combustibili solidi.