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Valutazione tecnico-economica relativa all’impiego di membrane per separazione di ossigeno in cicli IGCC e oxyfuel

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Valutazione tecnico-economica relativa all’impiego di membrane per separazione di ossigeno in cicli IGCC e oxyfuel

Il presente Rapporto descrive una attività di Ricerca di Sistema svolta nell’ambito dell’Area PRODUZIONE E FONTI ENERGETICHE, relativamente al Progetto 5: «Sviluppo, verifica e validazione delle tecnologie di cattura della CO2». Come noto, la generazione di energia elettrica mediante combustibili fossili rappresenta una importante sorgente per le emissione di CO2 in atmosfera: ad esempio nell’Europa a 25 il contributo della generazione è pari a circa 1/3 delle emissioni totali, stimate in circa 3800 Mt. L’incremento dell’efficienza energetica degli impianti alimentati da fonti fossili ed il progressivo ricorso a fonti energetiche rinnovabili non sono ritenuti sufficienti a garantire il contenimento e la desiderata riduzione delle emissioni di CO2 richieste all’Italia dal protocollo di Kyoto. Ne consegue che in un futuro più o meno prossimo sarà necessario ricorrere a sistemi di generazione da fonti fossili caratterizzati da emissioni di CO2 significativamente ridotte rispetto a quelle attuali. Le soluzioni per conseguire questo obiettivo sono sostanzialmente due, note come metodi di cattura della CO2 "ante combustione" e metodi "post combustione" con ovvio riferimento alla fase del processo di generazione nella quale avviene la separazione fisica della CO2. Tralasciando i primi, peraltro già ampiamente studiati, nell’ambito dei secondi, basati sulla separazione della CO2 dai fumi di combustione, o più correttamente a cavallo tra i due metodi, una soluzione particolare è rappresentata dalla tecnologia che porta alla produzione di una corrente di fumi già costituita da CO2 sostanzialmente pura. Questa tecnologia, nota come oxy-combustione o anche oxyfuel nella letteratura anglosassone, consiste "semplicemente" nel bruciare il combustibile (preferibilmente carbone) impiegando come comburente ossigeno pressoché puro anziché aria. La combustione con ossigeno (o meglio l’impiego dell’ossigeno) può essere applicato, ovviamente con diverse configurazioni e problematiche, sia agli impianti con caldaia alimentata a carbone polverizzato, sia ad impianti di gassificazione, sia ad altre tecnologie o combustibili. Gli interessi attuali sono però focalizzati sulle soluzioni atte all’impiego del carbone in caldaie ipercritiche o in impianti di gassificazione IGCC. Tra le problematiche che questa tecnologia presenta, un aspetto fondamentale ed economicamente rilevante è costituito dalle modalità impiegate per la produzione dell’ossigeno. Come noto, le tecnologie per la produzione, o meglio la separazione, dell’ossigeno dall’aria (impianti ASU o Air Separation Unit) sono mature da anni, ampiamente collaudate ma notoriamente energivore. Il primo ostacolo, e quindi la sfida più importante da affrontare per consentire l’affermazione dell’oxy-combustione, consiste pertanto nell’elevato costo energetico della produzione di ossigeno tramite i convenzionali impianti ASU, che genera la necessità di indagare anche innovativi processi di separazione a questo alternativi, atti a ridurne il fabbisogno energetico. E’ in questo contesto che si colloca l’attività descritta nel presente documento, che ha riguardato una prima valutazione, mediante indagine essenzialmente bibliografica, dello stato dell’arte e delle prospettive della separazione dell’ossigeno dall’aria mediante un processo alternativo a quello criogenico basato sull’impiego di membrane ionoconduttici note come ITM (Ion Transport Membrane). Per l’applicazione della tecnologia ITM alla produzione dell’ossigeno necessario a soddisfare il fabbisogno del gassificatore di carbone di un impianto IGCC l’analisi e le problematiche sono del tutto simili a quelle relative all’oxy-combustione, poiché resta ferma l’opportunità di ridurre l’impatto energetico della produzione di O2 e quindi il rapporto tra i consumi energetici della produzione di ossigeno con ITM e con ASU convenzionale. Va però considerato che, a parità di potenza generabile dalla centrale, il fabbisogno di ossigeno dell’impianto IGCC è di gran lunga inferiore rispetto a quello della caldaia ad oxy-combustione, e quindi in termini assoluti lo è anche l’energia necessaria alla sua produzione. Ne consegue che, sempre in termini assoluti, in questo caso saranno minori anche gli eventuali risparmi sui costi di investimento e di esercizio conseguibili con la tecnologia innovativa rispetto a quella convenzionale. E’ importante sottolineare come sia per l’oxy-combustione che per l’IGCC il passaggio dalla produzione di ossigeno con ASU a quella con ITM non consente più la cattura pressoché totale della CO2, poiché l’ITM richiede (almeno nelle configurazioni ipotizzate) di bruciare con aria un combustibile gassoso aggiuntivo dai cui fumi non è poi conveniente effettuare una ulteriore cattura della CO2 prodotta. Ciò vale in particolare anche per la configurazione impiantistica analizzata nello studio, con la quale si può conseguire una rimozione della CO2 complessivamente pari al 50 % circa. Un confronto economico completo tra le configurazioni ASU ed ITM, che considerasse oltre all’investimento ed ai costi di

esercizio anche il valore della CO2 catturata (in termini di costi evitati) sarebbe comunque in grado di mettere in conto, sia pure in modo non del tutto esaustivo, anche questo aspetto. I risultati degli studi reperiti in letteratura sono tutt’altro che concordi, per cui si passa da conclusioni ottimistiche, che prevedono significative riduzioni dei costi d’investimento associate ad aumento dell’efficienza d’impianto, a conclusioni di segno completamente opposto, passando anche per valutazioni sostanzialmente neutre. E’ quest’ultimo ad esempio il caso di un recentissimo ed esaustivo studio americano di NETL per DOE dal quale si evince che a fronte di una riduzione stimata dei costi totali d’impianto tra ASU criogenico ed ITM del 10 % circa, sia l’efficienza elettrica globale netta che il costo del kWh restano sostanzialmente invariati. Questa apparente contraddizione trova spiegazione analizzando le ipotesi iniziali, la configurazione d’impianto assunta e le relative modalità di esercizio. Pare determinante, ai fini del risultato, il parziale impiego richiesto dalla tecnologia ITM di gas naturale in sostituzione del carbone col rapporto di prezzo carbone/metano del mercato americano. Per lo scenario ed il mercato energetico italiano non è pertanto da escludere che una corrispondente analisi possa portare a risultati diversi. I calcoli e le modellazioni semplificate da noi effettuate col fine di quantificare l’impatto energetico dell’applicazione della tecnologia ITM ad un ipotetico impianto di generazione ad oxy-combustione di polverino di carbone hanno permesso di ottenere una stima indicativa dell’entità dei consumi di energia per la produzione di ossigeno dall’aria mediante processo ITM, da confrontare con quelli di un ASU criogenico convenzionale alimentato esclusivamente da energia elettrica. La configurazione impiantistica scelta per le valutazioni (un po’ particolare rispetto a quelle reperibili in letteratura) si presenta concettualmente come una sorta di impianto ibrido policombustibile (carbone + gas) costituito da un ciclo Rankine convenzionale con vapore prodotto però da una caldaia ad ossicombustione che brucia polverino di carbone mediante ossigeno prodotto con un sistema di separazione ITM integrato in un ciclo Brayton a gas di rete. Questo ciclo, al servizio dell’ ITM stesso, è comunque in grado di produrre una quota rilevante dell’energia elettrica totale della centrale. Questa configurazione ibrida, verosimilmente proponibile in Italia dove i cicli combinati alimentati a gas naturale sono già numerosi, potrebbe essere anche vantaggiosa ai fini di una eventuale progressiva maggior penetrazione della generazione da carbone ad emissioni tendenzialmente nulle. Le valutazioni energetiche effettuate mediante modellazione con il codice THERMOFLEX del solo sottosistema deputato alla produzione ITM dell’ossigeno hanno consentito di stimare nel 30 % circa il risparmio energetico conseguibile nella produzione dell’ossigeno, passando da un consumo netto di energia elettrica pari a circa 1.08 MW per 1 kg/s di O2 della soluzione con ASU ad una mancata produzione di energia elettrica pari a circa 0.76 MW, sempre per 1 kg/s di O2, nel ciclo Brayton alimentato a gas al servizio del sistema ITM. Questo dato smorza, almeno limitatamente alla configurazione esaminata ed allo specifico contesto italiano, la sostanziale stroncatura economica della tecnologia ITM che emerge più o meno chiaramente dagli ultimi studi internazionali reperiti in letteratura. Per quanto concerne l’aspetto economico, pur con la difficoltà di estrapolare gli attuali costi delle membrane, è ragionevole ipotizzare per l’oxy-combustione una diminuzione degli oneri di investimento relativi alla produzione di ossigeno stimabile in circa 20 %, con conseguente impatto sul costo dell’energia elettrica prodotta. Tutto ciò ovviamente prescindendo dalla attuale "non maturità" della tecnologia ITM e quindi ipotizzando che tutti gli attuali residui problemi tecnologici possano essere risolti nei prossimi anni.

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