Cicli H2 O2 per la produzione di energia elettrica Modifica dell impianto Icaro per funzionamento con idrogeno

Transcript

1 Cicli H2 O2 per la produzione di energia elettrica Modifica dell impianto Icaro per funzionamento con idrogeno Ing. Marino Avitabile, Ing. Paolo Fiorini

2 Cicli ad idrogeno e ossigeno La realizzazione di cicli ad idrogeno presenta notevoli vantaggi Alti rendimenti ed impianti di grande potenza Eliminazione totale delle emissioni di gas e di inquinanti compresi gli Nox Semplificazione delle macchine e degli scambiatori di calore Grande compattezza dell impianto Vapore quale unico fluido di lavoro..ma è necessario sviluppare la tecnologia per la loro realizzazione attraverso lo sviluppo di componenti chiave: Una nuova turbina (a metà strada tra la turbina a gas e quella a vapore) Il combustore idrogeno-ossigeno in corrente di vapore Il condensatore di vapore

3 Tipologie di ciclo Cicli misti Idrogeno Ossigeno e combustibili tradizionali (repowering di centrali a vapore esistenti) Cicli a solo H2 O2 (Zecotech) Con compressore di vapore Con uno o più bruciatori H2 - O2 Tutti impiegano il condensatore di vapore (rilascio del calore di scarto a temperatura prossima a quella dell ambiente)

4 Repowering di centrali a vapore con idrogeno & ossigeno Combustore H 2 O 2 Turbina Vapore AP Nuova Turbina Al Camino Condensatore Combustibile Aria Acqua di scarico Caldaia

5 Studio di repowering di centrale a vapore H O T 1227 C 115 MW 347 MW 195 MW 630 MW e P 20 t Caldaia Ciclo standard P 0.05 Condensatore 3.486e e P caldaia MWt P 2 surr. vap MWt P idrogeno MWt Rendimento cilco modificato Rendimento cilco base Rendimento idrogeno

6 Vantaggi del repowering con H2 O2 di centrali a vapore Elevatissimo rendimento dell impiego dell idrogeno (>70%) L impianto esistente non subisce rilevanti modifiche La caldaia e la turbina alta pressione rimangono inalterati Aggiunta del gruppo turbo espansore media pressione e del relativo bruciatore H2-O2 Modifiche minori agli altri componenti (condensatore e preriscadaltori)

7 Esempio di un ciclo ad idrogeno-ossigeno Ciclo Gratz per Programma giapponese WE-NET Efficienza 73% - TIT 1700 C O2 H2 CC Turbina A.P. G Espansore Turbina B.P. Compressore Turbina B.P. Caldaia recupero Condensatore Acqua alimento Drenaggio

8 Ciclo Zecotech : esempio 1 Un bruciatore H2-O2, compressore di vapore, TV AP, TV BP, Turboespansore H2 Ciclo Zecoteck 1 stadio - Compressore TV AP, TV B O Potenza 500 MWe Rend. lordo % Rend. netto % Acqua

9 Ciclo Zecotech: esempio 2 Due bruciatori H2-O2, compressore di vapore, TVAP, TVBP 2 turboespansori H Rend. lordo Rend. netto Potenza MWe O

10 Vantaggi dei cicli Zecotech Elevati rendimenti di conversione 60-70% con le temperature caratteristiche delle attuali turbine a gas (1300 C) Compattezza dell impianto: Eliminazione del camino Non ci sono scarichi gassosi Lo scarico dell impianto è costituito da acqua fredda Eliminazione degli NOx e di qualsiasi tipo di inquinanti

11 Banco prova turbine per cicli Zecotech Condensatore Boiler Turbine Acqua alimento G Generatore Compressore O2 c.c. Turbine Compressore H2

12 Modifica dell impianto Icaro per il funzionamento ad idrogeno (Studio eseguito in collaborazione con il Pol. Milano, prof. G. Lozza)

13 Icaro è un impianto di cogenerazione a turbogas

14 Rappresentazione schematica di Icaro

15 Simulazione dell impianto con il codice IPSE ICARO - Impianto Cogenerazione CR Casaccia - Versione Metan Portata comb. 888 Nm3/h Recupero termico Metano Caldaia Recupero Teleriscaldamento portata bypass % Pot. El. lorda 2090 kw Pot. El. Aux 60 kw Pot. Term. TG 8711 kw Calore Rec kw I. U. C Ien Rend. El. netto Aria (ISO) Gruppo turbogas

16 Modifica dell impianto Icaro Obiettivi Trasformare l impianto Icaro in un impianto Zero emission (cattura della CO2) Individuare metodi di cattura della CO2 con i minori consumi energetici Processo adottato e linee guida Utilizzare i componenti attuali Introduzione di un processo di Auto Thermal Reforming del metano per la produzione di idrogeno Cattura della CO2 con PSA (Pressure Swing Adsorbing) Integrazione tra la turbogas ed il processo di decarbonizzazione del metano

17 Macroschema di Icaro modificato Acqua CH4 CO2 Reformer del CH4 Cattura della CO2 Calore SynGas H2, H2O, N2 Recupero di calore (acqua calda) Aria Spillata dal compressore Impianto Turbogas Aria Caldaia a recupero Gas di scarico

18 Schema del Processo CH4 Scambiatore di calore Calore disperso CO2 Ossidazione H2O Reforming Recupero di calore H2, N2, H2O, CO2, 11 bar 53 C Compressore Recupero di calore H2O & Monoetanolammina 1.5 bar 90 C Calore richiesto C.C. Aria Compressore Turbina Aria Recupero calore

19 Simulazione dell impianto con il codice ChemCad Reforming Cattura della CO2 Centrale termica

20 Confronto delle prestazioni tra la configurazione attuale e quella proposta per Icaro Parametri Attuale Proposta Delta % Portata di combustibile kg/s kg/s +4.7 % Produzione elettrica 2030 kw 1922 kw -5.3 % Produzione termica 5159 kw 5008 kw -2.9 % Eff. Elettrica 23.3 % 21.1 % -9.5 % Eff. Termica % % -7.3 % Eff. Totale % % -7.9 % CO2 Emmessa 0.53 kg/s 0.08 kg/s -86 %

21 Conclusioni La modifica proposta per Icaro consente di realizzare un impianto a emissioni zero con minime penalizzazioni energetiche Le perdite di efficienza possono essere interpretate come il costo della separazione della CO2 Icaro può divenire un banco di prova per processi di cattura della CO2 anche per l applicazione ad impianti di grande potenza a ciclo combinato alimentati a metano