Miglioramento dell efficienza energetica nella produzione idrogeno a partire dalla gassificazione dell asfalto nell impianto IGCC di ISAB Energy

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1 , Efficienza energetica e cogenerazione: quali prospettive per l industria italiana nei nuovi mercati energetici Miglioramento dell efficienza energetica nella produzione idrogeno a partire dalla gassificazione dell asfalto nell impianto IGCC di ISAB Energy Ing. Bellina Giovanni, Ing. Cardaci Walter Milano, 11 luglio

2 Sommario Premessa impiantistica Tecnologia IGCC/SDA Descrizione intervento Nuovo Impianto Idrogeno Calcolo del Risparmio Energetico Baseline e Miglioramento 2

3 ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA Isab Energy, IGCC/SDA e nuovo impianto di produzione idrogeno a partire dalla gassificazione dell asfalto Isab Energy Services Srl, gestore impianto ed ESCO 3

4 ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA 4

5 ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA il Il processo di gassificazione di Isab Energy è effettuato in 2 gassificatori TEXACO a raffreddamento ad acqua diretto, i più adatti al trattamento di una carica estremamente pesante come l'asfalto. 5

6 ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA il Unità di Trattamento Syngas e Recupero Termico Dalla gassificazione viene prodotto syngas umido, che deve subire alcune fasi di trattamento prima di poter essere utilizzato. Il syngas prodotto viene lavato con acqua in uno scrubber al fine di eliminare la soot in esso contenuta, prima che lo stesso vada nell'impianto di recupero termico e trattamento catalitico per convertire COS in H2S per il successivo recupero zolfo Attraverso un progressivo raffreddamento (da circa 250 C a circa 35 C) del flusso di syngas, si recupera calore utilizzato per produrre vapore (MP, BP), che viene impiegato nelle varie utenze dell'impianto. Il gas, trattato e raffreddato, viene processato nell unità rimozione gas acido per rimuovere i composti dello zolfo, attraverso MDEA e una volta pulito viene utilizzato negli impianti H2 e CCU 6

7 Descrizione intervento Nel mondo quasi tutto l'idrogeno viene attualmente prodotto su vasta scala con processi di reforming di idrocarburi. Il processo di produzione che sfrutta la gassificazione rappresenta una tecnologia innovativa, con elevata efficienza e ridotte emissioni inquinanti rispetto alla tipica tecnologia per produrre idrogeno utilizzata nelle raffinerie e pratica corrente (steam reforming) e che rappresenta il riferimento ex ante. 7

8 Descrizione intervento 8

9 Descrizione intervento Il nuovo impianto H2 Realizzato nel periodo mag2009-giugno2010 investimento 20 ME; ha una produzione nominale pari a circa Nmc/h; è composto principalmente da tre unità impiantistiche: - Lavaggio del syngas - Impianto di separazione a Membrane - PSA (Pressure Swing Adsorption) 9

10 - Lavaggio del syngas Descrizione intervento per ridurre al minimo l eventuale contenuto di MDEA (metildietanolammina), il solvente utilizzato nel processo di Acid Gas Removal (AGR) per catturare il gas acido, in quanto i liquidi, e la MDEA in particolare, se in contatto con le membrane, possono danneggiarle riducendone o compromettendone in modo irreversibile le prestazioni. - Separazione idrogeno con Membrane e PSA L utilizzo di due processi in serie per la separazione dell idrogeno è necessario per ottenere il massimo dell efficienza, in quanto ognuno dei due si presta meglio per concentrazioni differenti del gas in ingresso. 10

11 Descrizione intervento - Impianto di separazione a Membrane dove viene effettuata la separazione con membrane dell idrogeno presente nel syngas, in una unità POLYSEP della Honeywell UOP, fino ad ottenere un gas permeato con un contenuto di idrogeno (H2) pari a circa il 70%. - PSA (Pressure Swing Adsorption) dove il permeato viene ulteriormente trattato in un sistema PSA (POLYBED della Honeywell UOP) fino per arrivare alla purezza richiesta dell H2 pari al 99,5% volume. 11

12 Descrizione intervento Il nuovo impianto è tecnologicamente innovativo, con alta efficienza energetica con ridotte emissioni inquinanti risparmio rispetto ai normali consumi per la produzione di idrogeno, identificati con quelli del Bref, A livello mondiale infatti l idrogeno immesso sul mercato viene prodotto per più del 90% a partire da combustibili fossili, in prevalenza gas naturale. Anche per quanto riguarda il settore delle raffinerie il 57% dell'idrogeno prodotto in Europa deriva dal processo di steam reforming del metano. La fonte di energia primaria risparmiata grazie alla realizzazione del nuovo impianto di produzione idrogeno da gassificazione dell'asfalto, è il metano. 12

13 Baseline e risparmi energetici Asfalto Ossigeno Vapore PPU Syngas CCU Energia Elettrica Energia Elettrica Zolfo Vanadio Syngas Vapore Energia Elettrica Impianto idrogeno Idrogeno Off-gas BD 13

14 Baseline e risparmi energetici Per il calcolo dei risparmi ottenuti in seguito alla realizzazione del nuovo impianto di produzione idrogeno sono stati confrontati i consumi energetici nelle due situazioni: ex ante: consumo medio delle utilities del processo di produzione idrogeno mediante steam reforming, per la lavorazione della carica alle condizioni idonee operative, tratto dal Bref di riferimento. ex post: consumo delle utilities del processo di gassificazione asfalto, trattamento syngas e purificazione idrogeno, per la lavorazione della carica alle condizioni idonee operative. 14

15 Baseline e risparmi energetici Consumi Energetici Impianti Steam reforming (BREF)- Baseline BASELINE - Bref "Mineral Oil and Gas Refineries", IMPIANTO STEAM REFORMING Utilities richieste Range di consumo Unità di misura Fuel (Q) MJ/t H2 Energia Elettrica (P) kwh/t H MJ/t H2 Valore medio consumo utilities (Baseline) X X = K / 2 Unità di misura Totale consumo utilities (K) = Q+P MJ/t H ,5 MJ/t H2 La voce fuel indicata nelle BREF come energia di utility per impianti steam reforming, rappresenta il consumo di combustibile al bruciatore del reattore di reforming Consumo energetico Fuel - valore medio MJ/t di H2; Consumo energetico EE valore medio 3.914,5 MJ/t di H2 Consumo Energetico medio di riferimento è pari a 61415,5 MJ/t di H2 15

16 Baseline e risparmi energetici Consumi Energetici per produzione H2 da gassificazione asfalto a) Consumo utilities processo gassificazione-trattamento syngas per la produzione H2 Ottenuto dal consumo totale delle utilities (ossigeno, vapore, EE) del processo di gassificazione e trattamento syngas diviso per le tonnellate totali di asfalto in carica e moltiplicato per le tonnellate di asfalto utilizzate per la produzione di idrogeno (portata asfalto equivalente) b) Consumo utilities nuovo impianto H2 il consumo totale delle utilities energia elettrica per le varie apparecchiature e un piccolo quantitativo di vapore prelevato dall'esterno. Considerati nella loro totalità in quanto sono utilizzati esclusivamente per produrre idrogeno. 16

17 Baseline e risparmi energetici Elenco strumenti per TEE Stream Tag CPP Tag PI Sigla strumento Tipo di strumento 2) Portata Ossigeno da Air Liquide 5900O2GASSV 5900FI0_201CP FT (proprietà Air Liquide) 4) Vapore ( unità 3800) 3800LPCONSSV 3800FI0_ FT-003 Orifizio Calibrato 1) Asfalto in carica 5900FEEDPREPSV 3100FI0_001CP FT001A/B/C Coriolis 5) Idrogeno 3800H2PRODSV 5900FI0_ FT550 Coriolis 3) Syngas post trattamento 3500SYNPRODSV 3300FI0_029CP 3300FI0_029CP FT029 Orifizio Calibrato 3800FI0_601CP 3800FI0_601CP FT601A/B Annubar 17

18 Baseline e risparmi energetici Consumi Energetici nuovo impianto H2 da gassificazione asfalto I consumi energetici delle utilities per la produzione di idrogeno nel nuovo impianto di produzione sono: Ossigeno; Vapore; Energia elettrica. 18

19 Baseline e risparmi energetici Ossigeno; - L'apporto di energia principale per la gassificazione-trattamento syngas è rappresentato dall'ossigeno necessario all'ossidazione parziale dell'asfalto. - Il consumo di ossigeno viene associato all'energia elettrica necessaria per la sua produzione. L'ossigeno viene acquistato da Isab Energy da un impianto dell'air Liquide adiacente allo stabilimento. La società fornitrice fornisce i propri dati sui consumi per produrre ossigeno. - Questo consumo specifico, moltiplicato per il quantitativo di ossigeno utilizzato dal processo di gassificazione permette di ricavare l'energia elettrica impiegata per la produzione dell'ossigeno. - Il consumo specifico di energia elettrica per generare un Normal metro cubo di ossigeno è pari a 0,5615 kwh /Nmc. 19

20 Baseline e risparmi energetici Vapore; - Per effettuare la gassificazione-trattamento syngas viene consumato anche vapore, che funge da moderatore nella reazione. Durante la fase di raffreddamento syngas avviene un recupero di calore utilizzato per produrre vapore che viene reimpiegato nelle varie fasi di lavorazione. Considerando l'autoproduzione e l'autoconsumo di vapore, la quantità di vapore consumato nel processo di gassificazione-trattamento syngas non è inserito nel calcolo, in quanto il contributo energetico deriva dall'energia di reazione dell'ossigeno, già considerato. Viene invece inserito nel calcolo il vapore consumato nell'impianto di produzione idrogeno, in quanto è prelevato dall'esterno. Tale vapore è alla pressione di circa 4,5 bar e alla temperatura di circa 205 C, quindi l'entalpia associata è pari a : 2.858,4 kj/kg, ovvero 682,72 kcal/kg. 20

21 CABINA ELETTRICA LC02 - alimenta unità di impianto gassificazione-produzione e trattamento syngas - alimenta unità di impianto 3800 produzione idrogeno - alimenta altre utenze - Control Room Baseline e risparmi energetici Energia elettrica CONTATORE QUADRO UTENZA MISURE PI TIPO CONTATORE COSTRUTTORE ANNO INSTALLAZIONE 6 Consumo EE LC02 6kV da LC01 0,4 kv da LC01 Consumo EE LC SWG ARRIVO A 2SG11AWh SEPAM SCHNEIDER ARRIVO B 2SG11BWh SEPAM SCHNEIDER PC ARRIVO A 2PC01AWh SEPAM SCHNEIDER ARRIVO B 2PC01BWh SEPAM SCHNEIDER PC ARRIVO A 2PC02AWh SEPAM SCHNEIDER 2000 QUADRO QUADRO QUADRO 6 ARRIVO B 2PC02BWh SEPAM SCHNEIDER 2000 SWG PC PC QUADRO Consumo EE CR001A ASP SWG TR/PC-CR001A CPC01AWh SEPAM SCHNEIDER 2000 CONSUMO EE CR Consumo EE impianto H PC PM110A 2PC0138P10AWh X-METER ENERGY TEAM PM110B 2PC0138P10BWh X-METER ENERGY TEAM PC PM111A 2PC0238P11AWh X-METER ENERGY TEAM PM111B 2PC0238P11BWh X-METER ENERGY TEAM Consumo EE impianto H2 11 ASP UPS-SIB5-ARRIVOA 2UPSB1DISTR1Wh X-METER ENERGY TEAM ASP ASP03Wh X-METER ENERGY TEAM UPS-SIB5-ARRIVOB 2UPSB1DISTR2Wh X-METER ENERGY TEAM 2012 Consumo EE altre utenze 9 14 SWG BM102A 2SG1131B2AWh SEPAM SCHNEIDER PM101A 2SG1131P1AWh SEPAM SCHNEIDER PM101C 2SG1131P1CWh SEPAM SCHNEIDER Consumo EE altre utenze BM102B 2SG1131B2BWh SEPAM SCHNEIDER PM101B 2SG1131P1BWh SEPAM SCHNEIDER PC BM101A 2PC0231B1AWh X-METER ENERGY TEAM BM101B 2PC0231B1BWh X-METER ENERGY TEAM 2012 Consumo EE Gassificazione e trattamento Syngas 7 calcolo Consumo EE LC02-Consumo EE H2-Consumo EE altre utenze-consumo EE CR001A 21

22 Baseline e risparmi energetici Portata di asfalto equivalente (Qasf) Si determina il parametro di rendimento degli impianti di gassficazione ( Cold Gas Efficiency ) considerando la quantità totale di asfalto in ingresso ai gassificatori e la quantità di syngas generato con i relativi PCI. Si effettua il rapporto tra l'energia associata all'idrogeno prodotto e il prodotto tra il PCI dell'asfalto in carica e la cold gas efficiency, determinando le tonnellate di asfalto in carica utilizzata per la produzione di idrogeno. 22

23 Baseline e risparmi energetici PORTATA DI ASFALTO EQUIVALENTE (Qasf) (01/07-31/12/2012) Dati impianto (01/07-31/122012) Quantità tot PCI (kcal/kg) IDROGENO PRODOTTO t 5.374, I valori dei PCI provengono da analisi di laboratorio di Isab Energy Services e risultano congruenti con la letteratura di settore SYNGAS post trattamento t , ASFALTO in carica t , Calcolo quantità di asfalto utilizzata per la produzione di H2 (01/07-31/ ) Cold gas efficiency (η) = (PCI syngas x Ton Syngas) / (PCI asfalto x Ton asfalto) = = ( x ,541 )/( x ,184) = 0,747 Portata di asfalto equivalente (Qasf) = (Ton idrogeno x PCI Idrogeno) / (PCI asfalto x η) = = ( 5.374,156 x ) / ( x 0,747) =

24 Baseline e risparmi energetici a) Consumo utilities processo gassificazione-trattamento syngas per H2 IMPIANTO PRODUZIONE IDROGENO ISAB ENERGY SERVICES (rendicontazione consumi 01/07/ /12/2012) Dati Asfalto in carica e produzione Idrogeno periodo Luglio - Dicembre 2012 Quantità [t] Asfalto in carica ,184 I Idrogeno prodotto 5.374,156 L Consumi di energia utilities (ossigeno + energia elettrica) per gassificazione e trattamento syngas Quantità Energia Elettrica Fattore di conversione Kcal MJ OSSIGENO ,754 ton --> Nmc--> consumo produzione: 0,5615 kwh/mc [kcal/kwh] (kwh x kcal/kwh) (kcal / 238,85) kwh A ENERGIA ELETTRICA kwh B CONSUMO TOT GASSIFICAZIONE E TRATTAMENTO SYNGAS E = (A+B) E = (A+B) E I C = E / I Consumo specifico utilities per gassificazione e trattamento syngas Qasf (riferimento pagina 31) Z = C x Qasf L D = Z / L Consumo utilities gassificazione e trattamento syngas [MJ] Asfalto in carica [t] [MJ/t asfalto] Portata di asfalto equivalente [t] (t di asfalto utilizzate per produrre H2) Consumo per produzione H2 [MJ] Idrogeno prodotto [t] Consumo specifico [MJ/t H2] , , , ,5 24

25 Baseline e risparmi energetici b) Consumo utilities nuovo impianto H2 Consumo specifico utilities (energia elettrica e vapore) impianto produzione H2 Energia Elettrica [kwh] M vapore [t] 4,5 bar; 205 C N Fattore conversione [kcal/kwh] W Kcal (kwh x kcal/kwh) K = M x W MJ (kcal / 238,85) Y = K / 238,85 Consumo specifico [MJ/t H2] F = Y / L ,3 entalpia [kcal/kg] S Kcal (vapore[t]x10ᶟ)x kcal/kg O = N x S MJ (kcal / 238,85) U = O / 238,85 Consumo specifico [MJ/t H2] G = U / L 9.387, , ,0 Riepilogo Consumo specifico totale utilities Consumo specifico utilities gassificazione e trattamento syngas ,5 D[MJ/t H2] Consumo specifico energia elettrica impianto produzione idrogeno 908,3 F [MJ/t H2] Consumo specifico TOTALE utilities + energia elettrica impianto produzione idrogeno H = (D + F) ,8 H [MJ/t H2] TEE tipo 1 Consumo specifico vapore impianto produzione idrogeno 4.993,0 G [MJ/t H2] TEE tipo 2 25

26 Baseline e risparmi energetici Utilities richieste Baseline Bref Steam Reforming (MJ/t) CALCOLO TEE (su baseline raffineria Bref Steam Reforming) Nuovo impianto produzione H2 (MJ/t) Risparmi (MJ/t) R Produzione H2 (t) L TEE RISPARMIATI T = (R x 238,85 x L)/ Energia Elettrica P 3.914, ,8 H ,3 R1 = P - H 5.374, ,38 TIPO 1 Fuel Q ,0 G ,0 R2 = Q -G 5.374, ,88 TIPO 2 Totale TEE risparmiati 5.261,51 La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 1 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo: La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 2 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo: T = R1 x 238,85 x L / [TEE], TEE risparmiati tipo 1 T = R2 x 238,85 x L / [TEE], TEE risparmiati tipo 2 R1 = P - H [MJ/ton], risparmio specifico energia elettrica R2 = Q - G [MJ/ton], risparmio specifico fuel 238,85 = coefficiente di conversione [kcal/mj] 238,85 = coefficiente di conversione [kcal/mj] L = produzione H2 [ton] L = produzione H2 [ton] = coefficiente di conversione [kcal/tep] = coefficiente di conversione [kcal/tep] P = consumo specifico di baseline energia elettrica [MJ/ton] Q = consumo specifico di baseline fuel [MJ/ton] H = consumo specifico energia elettrica post intervento [MJ/ton] G = consumo specifico vapore post intervento [MJ/ton] TEE risparmiati per il periodo 01 Luglio Dicembre 2012 TEE TIPO TEE TIPO τ cat. IND-FF TEE totali richiesti TEE TOT ,

27 Baseline e risparmi energetici CALCOLO RISPARMIO ENERGETICO - IMPIANTO H2 ISAB ENERGY CONSUNTIVO YTD anno mesi TEE TEP evitate H2 prodotto [t] PIANO anno mesi TEE stimati TEP evitate stimate H2 stimato [t]

28 Grazie per l attenzione Milano, 11 luglio

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