la transizione verso l e l energia pulita dal

Transcript

1 L IMPIANTISTICA DEL la transizione verso l e l energia pulita dal 21 SECOLO H 2 carbone L energia ha avuto un ruolo importante alcuni ritengono determinante nella vita delle civiltà, determinandone l ascesa, la conservazione, e la caduta Le riserve di petrolio e gas sono in esaurimento raggiungimento del PICCO : momento in cui è già stata estratta la metà delle riserve stimate di petrolio disponibili (Estimated Ultimate Recoverable Reserve) Jeremy Rifkin H 2 Economy per una riglobalizzazione che parte dal basso e con la partecipazione di tutti La creazione del Worldwide Energy Web e la redistribuzione del potere sulla terra Page 1 di 37

2 Scambio termico diretto Gas combusti in turbina combustibili puliti (gas) TURBINA A GAS (ciclo aperto) combustibile CAMERA DI COMBUSTIONE COMPRESSORE GENERATORE ELETTRICO aria TURBINA A GAS gas di scarico Page 2 di 37

3 Turbina A Gas Page 3 di 37

4 TURBINA A GAS (ciclo chiuso) Scambio termico indiretto Aria compressa riscaldata in turbina combustibili sporchi combustibile CAMERA DI COMBUSTIONE E SCAMBIATORE COMPRESSORE scarico aria GENERATORE ELETTRICO TURBINA A GAS aria aria di scarico Page 4 di 37

5 TURBINA A VAPORE (ciclo chiuso) Scambio termico indiretto Vapore in turbina combustibili sporchi TURBINA A VAPORE AP TURBINA A VAPORE BP SCARICO GENERATORE ELETTRICO P=20 bar T= 573 K P=20 bar T= 823 K COMBUSTIBILE ARIA CONDENSATORE CALDAIA Page 5 di 37

6 CICLO COMBINATO turbina a gas + turbina a vapore combustibile CAMERA DI COMBUSTIONE COMPRESSORE GENERATORE ELETTRICO TURBINA A VAPORE(AP e BP) aria TURBINA A GAS SCARICO GENERATORE ELETTRICO CONDENSATORE CALDAIA A RECUPERO Tgas componente chiave: come impiegare combustibili sporchi (meno costosi)? Attraverso la gassificazione di materiali vari: Scarti di lavorazione, Rifiuti CDR; Biomasse; Carbone Page 6 di 37

7 LIBRO VERDE: riduzione della dipendenza dalle importazioni + diversificare le fonti e le tecnologie debolezze strutturali dell approvvigionamento di energia dell UE combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale) : 4/5 del consumo totale di energia di cui circa i 2/3 sono importati. gas naturale dalla Russia: quasi il 20% del nostro consumo. offerta comunitaria di energia copre la metà del fabbisogno In assenza di interventi, entro il 2030: Le importazioni di energia - oggi pari al 50% - in assenza di interventi al 2030 rappresenteranno il 70% del fabbisogno globale. Le importazioni di petrolio potrebbero raggiungere il 90%. Page 7 di 37

8 LIBRO VERDE (anomalia italiana) UE ristretti margini di manovra sull offerta di energia strategia UE controllo della domanda. strategia USA rispondere alla domanda con un offerta sempre maggiore ITALIA: anomalia anche nella UE Assenza fonti fossili Importazione energia elettrica Crescente uso del gas naturale Page 8 di 37

9 I tre cavalli della troika energy efficiency renewable energy Spesso intervengono contestualmente emission free fossil fuels Carbon Capture and Storage (CCS), sinonimo di Carbon Sequestration, è un elemento essenziale delle politiche energetiche: è il terzo cavallo della Troika : Le grandi sfide tecnologiche e politiche consistono nel mantenere la priorità ai primi due cavalli, e sviluppare le tecnologie CCS dimostrandone la convenienza economica non disgiunta dalla accettazione da parte delle popolazioni Page 9 di 37

10 GENERAZIONE DI ELETTRICITA roadmap tecnologica Nuovi cicli e tecnologie avanzate (medio-lungo termine) Cicli ad alta efficienza ed ed emissioni zero zero o quasi-zero o quasi-zero Turbine di nuova concezione - combustione flameless/mild Sequestrazione della CO 2 (Carbon sequestration) Nuovi combustivili e vettori energetici (breve-medio termine) syngas ottenuti da gasificazione di differenti prodotti primari: fossili (carbone), biomasse, rifiuti e sottoprodotti Generazione distribuita (breve-medio termine) Cogenerazione e e poly-generazione Sistemi ibridi con turbine a gas e celle a combustibile Tecnologie dell Idrogeno (lungo termine) Turbine di nuova concezione - combustione flameless/mild Sequestrazione della CO 2 (Carbon sequestration) syngas ottenuti da gasificazione di differenti prodotti primari: Sistemi ibridi con turbine a gas e celle a combustibile Produzione di Idrogeno: da fonti convenzionali e rinnovabili sole Impianti integrati per la produzione di H 2 ed elettricità Page 10 di 37

11 Energy Efficiency Cicli combinati Cicli STIG Cicli MAT e HAT Ciclo ZECOTECH H 2 O 2 scarico combustibile aria Scarico H 2 O carbone IGCC Cicli SC (super critici) Cicli USC (ultra super critici) Page 11 di 37

12 Cicli MAT e AHAT Ciclo AHAT: Advanced Humid Air gas Turbine Ciclo MAT: Moisture Air gas Turbine Page 12 di 37

13 POLIGENERAZIONE : SISTEMI INTEGRATI DI ENERGIA DISTRIBUITA INPUT INPUT IMPIANTO IMPIANTO PRODOTTI PRODOTTI UTENTE UTENTE COMBUSTIBILI FOSSILI - gas, olio - carbone COMBUSTIBILI DI OPPORTUNITA - biomasse, derivati - rifiuti, derivati - syngas, bio-oil - sottoprodotti Turbine Motori Gassificazione Reforming Solare Eolico ENERGIA: - elettrica - riscaldamento - raffrescamento PRODOTTI: - chimici - acqua - altri INDUSTRIA - Petrolchimica - Cemento - Chimica - Manufatturiera TRASPORTI - su Strada FONTI RINNOVABILI: - solare, eolico Fuel Cells COMBUSTIBILI: - syngas - idrogeno - su Ferro - Aerei NUOVI COMBUSTIBILI - idrogeno - altri syngas Sistemi di Controllo STOCCAGGIO CIVILE TERZIARIO Page 13 di 37

14 Metodi di cattura della CO 2 (CCS: carbonb capture and storage) After (Post) combustion (end of pipe) Separazione criogenica; separazione con membrane Chemical absorption: scrubbing con ammoniaca o con ammine (<14% CO 2 ) Rimozione di CO 2 in colonna di assorbimento e rigenerzione tramite stripping termico Before combustion (obiettivo: costi di cattura < Euro/ton CO 2 ) Precombustion: separazione delle molecole CxHx in H 2 e CO 2 trasferendo il potere calorifico a H 2 Separazione di H 2 e CO 2 (con processi termochimici: es. CaO/CaCO 3 ) O 2 membrane reactor: membrana per separazione dell O 2 dall aria H 2 membrane reactor: separazione di H 2 e CO 2 con membrane Page 14 di 37

15 2 modalità di separazione della CO 2 (Combustione con aria) Post combustion aria fuel combustione Fumi Separazione CO 2 N 2, H 2 O CO2 H 2 O fuel aria Pre combustion aria N 2 Air Separation Unit O 2 Produzione H 2 /CO 2 Separazione CO 2 H 2 CO2 combustione N 2, H 2 O Page 15 di 37

16 2 modalità di separazione della CO 2 (Oxyfuels) fuel Cicli O 2 / CO 2 Post combustion aria N 2 O 2 Air Separation Unit combustione CO 2, H 2 O H 2 O Separazione CO 2 CO 2 Cicli O 2 / H 2 O O 2 combustione H 2 O Pre combustion fuel H 2 O O 2 Produzione H 2 /CO 2 H 2 Separazione CO 2 CO2 Page 16 di 37

17 Utilizzo di Membrane ALSTOM Reattore a membrana + scambiatore di calore + combustore Page 17 di 37

18 Membrane Reactor (ciclo AZEP) CO 2 + H 2 O Membrana per O 2 Turboespansore (sweep turbine) ~ Metano CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O O 2 Calore CO 2 + H 2 O C Acqua M Aria Membrane Reactor Aria depleta ~ Compressore Turbina CO 2 liquida Aria Page 18 di 37

19 Impiego pulito del carbone Il carbone è una fonte da valorizzare, per le sue caratteristiche di ampia disponibilità nel tempo (riserve stimate per anni) e sicurezza di approviggionamento (ridotti rischi geopolitici) Carbone : risorsa su cui puntare per la transizione verso l economia dell idrogeno O 2 H 2 O Gassificazione del carbone Pulizia del syngas Trasformazione del syngas in H 2 + CO 2 Cattura CO 2 Separaz. H 2 STORAGE CO 2 UTILIZZO Page 19 di 37

20 Decarbonizzazione di combustibili fossili (Statoil Norvegia) Page 20 di 37

21 L Italia e il carbone l Italia è particolarmente vulnerabile in campo energetico dipendendo quasi completamente dalle fonti fossili: - meno del 10% dell energia elettrica viene prodotta da carbone INTERVENTO: diversificazione e ricorso al carbone BREVE PERIODO : caldaie SC (supercritiche) e USC (ultra SC) MEDIO PERIODO : IGCC MEDIO-LUNGO PERIODO : produzione di H 2 e sequestrazione CO 2 Page 21 di 37

22 Impianti a carbone SC e USC impianti termoelettrici basati su cicli a vapore a condensazione operanti a più elevate pressioni e temperature del vapore prodotto in caldaia Attuali impianti: 560 C e 220 bar ( vapore sottocritico seppure in condizioni prossime al punto critico) Supercritici: vapore supercritico intorno a 650 C e 300 bar η = 45% Ultrasupercritici: si prevedono 700 C e 375 bar η = 50% - 53%? nuove tecnologie di materiali : utilizzo di superleghe innovative a base Nichel maggiori costi di investimento : materiali, cicli più complessi, sicurezza, ecc combustibile a basso costo : necessario l impiego per produrre il KWh a prezzi competitivi. Page 22 di 37

23 % biomass 100% coal Current average Emissioni di CO 2 emissioni di CO 2 : > 15 % (da 780 a 650 gco 2 /kwh) costi di generazione : 12 % (da 31.4 a 27.6 /MWh) Average EU countries 2010 CO2 emission (g/kwh) % biomass 100% nat.gas Reference plant Thermie Intermedio 700 Progetto Thermie AD ultimo Net efficiency (%) Page 23 di 37

24 Sistemi di trattamento fumi Filtro Elettrostatico Caldaia DeNOx DeSOx Camino Filtro A maniche Page 24 di 37

25 Emissioni di Mercurio Page 25 di 37

26 Emissioni di macro e micro inquinanti mg/nm 3 Metalli VOC 6% O 2 mg/nm 3 6% O 2 mg/nm 3 6% O SOx NOx PM 0,3 0,2 Nessun limite Limiti attuali Hg+Cd+Tl Hg Cd+Tl VOC Limiti attuali Proposta 0,1 RSU DM EU 1998 USA DM DPR 503/1997 USA CAA Macroinquinanti Microinquinanti Page 26 di 37

27 Impianti IGCC alimentati a carbone ( senza e con cattura della CO 2 ) Impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycles) Ciclo combinato con turbine a gas ed a vapore turbina a gas alimentata con un syngas da gasificazione del carbone impianti dimostrativi: Puertollano -finanziato dalla UE- efficienza energetica ed affidabilità: inferiori alle previsioni. Impianti IGCC con sequestrazione della CO 2 concettualmente analoghi agli IGCC (impianti del futuro) nuovi processi di gassificazione che producono sostanzialmente H 2 l aggiunta della separazione della CO 2 e suo trattamento per il sconfinamento definitivo ENEA sta studiando l impianto ZECOMIX in ambito PNR- FISR coinvolti Ansaldo Ricerche, Sotacarbo e Università Page 27 di 37

28 il processo di gassificazione del carbone con CO 2 Capture and Storage sembra oggi quello più promettente nel lungo periodo, come dimostra la tabella presentata dalla IEA sui costi di produzione dell idrogeno Costo dell H2 $/GJ Page 28 di 37

29 Cooperazione Internazionale programma americano FUTURE-GEN CSLF (Carbon Sequestration Leadership Forum): convenzione internazionale promossa dagli USA FUTURE-GEN (progetto sulla Carbon Sequestration già finanziato) impianto alimentato a carbone in grado di produrre con emissioni zero elettricità e idrogeno di potenza complessiva pari a 275 MW Si punterà alla gassificazione del carbone per ottenere un syngas costituito essenzialmente da idrogeno (ad alta concentrazione) e CO 2 H2 : impiegato per la generazione di energia elettrica con turbine (potenze elevate) e celle a combustibile, oppure con loro combinazione Page 29 di 37

30 Schema di FUTURE-GEN Page 30 di 37

31 gassificazione del carbone con sequestrazione (cattura + storage definitivo) della CO 2 : via preferenziale per la transizione all idrogeno è proprio con questa ottica che l ENEA partecipa al progetto con SOTACARBO (recentissimamente finanziato dal MIUR) ed ha compreso nel progetto FISR sull idrogeno una linea sulla idrogassificazione del carbone per produzione di H 2 ed energia elettrica. in questo ambito risulta di particolare interesse la cooperazione in FUTURE-GEN I due approcci (europeo ed americano) pertanto non risultano alternativi ma complementari Il concetto di integrazione dei due approcci (intervento sulla offerta e green paper ) è premessa dell accordo fra USA e UE sottoscritto da Prodi e Bush a Washington il 25 Giugno di quest anno Page 31 di 37

32 Costi del kwh ed emissioni di CO 2 Costi (c$/kwh) 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Separazione della CO2 Costo dell'energia ed emissioni specifica con diverse tecnologie Break-even even carbon tax: : $/ton CO2 impiantistiche Carbone Diminuzione dell efficienza netta: punti % Aumento del costo dell energia elettrica (COE) > 50 % --Metano Polverino di carbone PC + cattura e sequestro geologico CO2 IGCC + cattura e sequestro geologico CO2 idrogasificazione e mineralizzazione CO2 NGCC + Cattura e sequestro geologico CO2 Emissioni CO2 (gr/kwh) "Confinamento" "O&M" "Capitale" "Combustibile" "Emissioni CO2" Page 32 di 37

33 Confronti sui costi caso base senza sequestrazione di CO2 Decarbonizzazione pre-combustion cattura della CO2 end-of-pipe oxyfuel con circuito semichiuso a CO2. La potenza è calcolata con la turbina alimentata con una portata di aria di 640 kg/s, una TIT di 1350 C Page 33 di 37

34 Proprietà dell idrogeno Page 34 di 37

35 Proprietà dell idrogeno Page 35 di 37

36 Energia = capacità a compiere Lavoro (Lavoro = Forza x Spostamento) Potenza = Lavoro prodotto nell unità di tempo Unità di misura dell Energia - Joule - cal, Kcal - KWh - TEP ecc.. K (chilo) = x 10 3 (1.000) M (mega) = x 10 6 (ML) G (giga) = x 10 9 (MLD) T (tera) = x (1.000 MLD) Page 36 di 37

37 Ciclo IGCC - Matiant Page 37 di 37