Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS

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1 Maggiore flessibilità operativa e miglior ritorno economico L. Mancuso - Foster Wheeler Italiana - Power Division N. Ferrari - Foster Wheeler Italiana - Power Division J. Davison - IEA Greenhouse Gas R&D Programme Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia 11 Luglio 2011 Foster Wheeler All rights reserved.

2 Premessa IEA GHG R&D Programme Organizzazione internazionale (19 nazioni, EC, OPEC e 25 sponsors) finalizzata allo studio delle tecnologie per limitare le emissioni di gas serra Background dello studio Gli impianti di produzione d energia elettrica devono necessariamente far fronte alla richiesta variabile del mercato in vista anche di un incremento significativo delle fonti rinnovabili. Anche gli impianti futuri con CCS dovranno rispondere a questa richiesta Principali obiettivi Identificare i maggiori fattori che limitano la flessibilità degli impianti CCS Valutare la fattibilità tecno-economica di stoccaggio dell energia, come mezzo per migliorare la flessibilità operativa ed il ritorno economico 2

3 Agenda Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CSS) Lo stoccaggio di energia in impianti CCS: flessibilità e ritorno economico Idrogeno Ossigeno Solvente saturo di CO 2 Conclusioni 3

4 Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Liberalizzazione del mercato dell energia elettrica Variabilità del prezzo dei combustibili e dell energia elettrica Ruolo chiave delle fonti rinnovabili Capacità installata di generazione da fonti fossili superiore alla domanda Deindustrializzazione dei paesi sviluppati e crisi economica Elevata flessibilità operativa richiesta agli impianti Variazione della richiesta dell energia elettrica Partecipazione ai servizi di rete 4

5 Introduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile Plant load (Monday to Friday 1 ) 110% 100% 90% 80% Peak: hours80 ore/settimana 70% 60% 50% NGCC PC-IGCC 40% 30% 20% 10% 0% Off-peak: 88 ore/settimana Off peak hours Note 1: 0% load during week-end.igcc, USCPC and 50% load during week-end 5

6 Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS) Foster Wheeler All rights reserved. NGCC Capacità di operare in modo ciclico: elevata (hot start-up: min, rampa della TG 50MW/min ) Efficienza ai carichi parziali: - 2/3% al 60% Turn-down dipende dal minimo tecnico ambientale della TG (30-50%) USC PC Capacità di operare in modo ciclico: media (hot start up min, rampa di carico del boiler 4-5%/min ) Efficienza a carichi parziali: - 2/4% al 75% Turn down: 30% IGCC Capacità di operare in modo ciclico: bassa (hot start up 6-8 ore, rampa di carico dell ASU 3%/min) Turn-down treno di generazione del syngas: 50% Minimo tecnico ambientale della TG a syngas: 60% (bruciatori a diffusione) 6

7 Stoccaggio di energia negli impianti CCS OBIETTIVO: Mantenere inalterata la flessibilità operativa dei futuri impianti Lo stoccaggio di energia è una strategia fondamentale : Maggiore generazione durante i periodi di picco Maggiore capacità di rispondere alle variazioni di carico 7

8 Forma di stoccaggio dipende dalla tipologia di impianto Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di idrogeno o combustibile ad elevato contenuto di idrogeno IGCC con cattura pre-combustione della CO 2 Stoccaggio di ossigeno IGCC con cattura pre-combustione della CO 2, Impianti con combustione ad ossigeno Stoccaggio di solvente Impianti con cattura post-combustione della CO 2 (NGCC, USC PC) 8

9 Stoccaggio sotterraneo di idrogeno Co-produzione di energia elettrica e idrogeno Stoccaggio intermedio del syngas ricco di H 2 alimentato alle TG La linea di produzione del combustibile opera a pieno carico, mentre i treni di potenza variano la generazione come richiesto dal mercato Peak Syngas ricco di H 2 proveniente dallo stoccaggio alimentato a TG Off - peak Syngas ricco di H 2 in eccesso a stoccaggio (in parte a PSA) 9

10 Stoccaggio di idrogeno: caratteristiche Tipologie Rocce porose: giacimenti esauriti e falde acquifere Caverna: caverne artificiali e miniere Capacità: m 3 Proporzionale alla pressione di stoccaggio del gas Il volume totale deve includere la quantità necessaria di gas cuscinetto Pressione: bar Dipende dalla profondità di stoccaggio Meccanismo di prelievo Pressione costante Volume costante 10

11 Stoccaggio di idrogeno: una tecnologia già nota! Foster Wheeler All rights reserved. Inghilterra, Teesside, Yorkshire (SABIC, ex ICI) Stoccaggio di idrogeno puro: 1 milione di Nm 3 (3 caverne) Profondità: 400 m Francia, Beynes, Ile de France (Gaz de France) Stoccaggio di gas 50-60% di idrogeno in falda acquifera: 330 milioni di Nm 3 20 anni in operazione senza perdita di contenimento o problemi di sicurezza Russia Stoccaggio di idrogeno puro Pressione: 90 bar Germania Stoccaggio di gas 62% di idrogeno in caverna: 32,000 m 3 Pressione: bar Czechoslovakia Stoccaggio di gas 50% di idrogeno in falda acquifera 11

12 Impianti di co-produzione di EE e H 2 vs. IGCC tradizionali Energia elettrica prodotta: +2 4% Produzione di idrogeno tramite PSA: +1 3% TIC Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1 3% TIC 160,000 Foster Wheeler All rights reserved. 140, , ,000 Syngas flowrate [kg/h] 80,000 60,000 40,000 20, Hydrogen rich gas stored volume [m3] ,000 40,000 SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT time [hours] 12

13 Impatto dello stoccaggio intermedio del syngas ricco di H 2 in IGCC tradizionali Energia elettrica prodotta: +2 5% Treno di generazione del syngas di capacità ridotta: - 5-8% TIC Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1 3% TIC Stoccaggio di azoto per le TG Hydrogen rich gas stored volume [m3] SAT SUN MON TUE WEN 0.0 THU FRY SAT time [hours] 13

14 Stoccaggio di ossigeno: IGCC e Oxy-USC PC Foster Wheeler All rights reserved. ASU al minimo carico nei periodi di picco (scenario 1) Design dell ASU a capacità ridotta (scenario 2) La potenza netta, generata nei periodi di picco, aumenta perchè i consumi elettrici dell ASU diminuiscono. Lo stoccaggio si effettua nei periodi di bassa richiesta di energia 14

15 Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti IGCC tradizionali ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1) Energia prodotta: +6 9% (ASU al 70%) - Stoccaggio LOX-LIN: +2-4% TIC Design dell ASU a capacità ridotta (scenario 2) Energia prodotta: +3 6% - Capacità ASU ridotta (82%) + stoccaggio LOX: TIC invariato Case 2a -Scenario 1 Case 2a -Scenario Sored Oxygen [m3] NB: Integrazione ASU - TG può costituire un limite alla flessibilità SAT SUN MON TUE WEN 0.0 Back-up Oxygen volume THU FRY SAT time [hours] 15

16 Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti Oxy-fuel tradizionali ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1) Energia elettrica prodotta: +4 7% (ASU al 55-60%) - Stoccaggio LOX : +1 3% TIC Design dell ASU a capacità ridotta (scenario 2) Energia elettrica prodotta: +1 3% - Capacità ASU ridotta (80%) + stoccaggio LOX: -1-3% TIC Scenario 1 Scenario Stored Oxygen [m3] SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT time [h] 16

17 Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post combustione: schema 17

18 Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post-combustione Foster Wheeler All rights reserved. Minima rigenerazione durante le ore di picco e capacità ridotta Minima rigenerazione durante le ore di picco e ottimizzazione dello stoccaggio Capacità di design del rigeneratore ridotta con portata di CO 2 ai BL costante La rigenerazione del solvente si può effettuare in tempi diversi rispetto alla cattura della CO 2 dai fumi, riducendo il consumo di vapore e di energia elettrica dell impianto durante i periodi di picco 18

19 Stoccaggio di solvente: caratteristiche Temperatura Minima: temperatura ambiente per evitare precipitazione dei sali (HSS) Massima: temperatura di fondo colonna di assorbimento per evitare rilascio della CO 2 disciolta Minimizzare contatto con ossigeno Serbatoi a tetto mobile Tenuta con azoto/co 2 Rivestimento anti-corrosione Degradazione del solvente trascurabile Stoccaggio sicuro 19

20 Stoccaggio di solvente nei cicli combinati Rigenerazione al minimo tecnico nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi GT al minimo tecnico ambientale durante le ore di bassa richiesta di energia per rigenerare il solvente stoccato (fermata notturna non fattibile) Energia elettrica prodotta: +6 8% (minima rigenerazione) +4 6% (rigenerazione costante) Significativo impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente 20

21 Minima rigenerazione 180, ,000 Scenario 1 - rich solvent Scenario 1 - lean solvent Scenario 1 -semi lean solvent Solvent storage Minima rigenerazione Capacità rigeneratore ridotta TIC % 140,000 Scenario 2 - rich solvent Scenario 2 - lean solvent 120,000 Stored volume [m3] 100,000 80,000 60,000 Scenario 2 - semi-lean solvent 40,000 20,000 Minima rigenerazione Minimizzazione stoccaggio 0MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON Time [hours] TIC % 21

22 Rigenerazione costante 130, , , ,000 90,000 Stored volume [m3] 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 rich solvent lean solvent semi lean solvent Rigenerazione costante TIC % (esclusa la riduzione della linea di trasporto della CO 2 : -170,000 /km) 20,000 10,000 MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON Time [hours] 22

23 Stoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone Foster Wheeler All rights reserved. Fermata dell unità di rigenerazione nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi Rigenerazione durante le ore di bassa richiesta di energia mentre l impianto è a carico parziale Energia elettrica prodotta: +4 6% (minima rigenerazione) +3 5% (rigenerazione costante) Maggiore impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente 23

24 160, , , ,000 Volume [m3] 80,000 60,000 Minima rigenerazione Scenario 1 - rich solvent Scenario 1 - Lean solvent Scenario 2 -Semi lean solvent Scenario 2 - rich solvent Scenario 2 - lean solvent Scenario 2 -semi lean solvent Minima rigenerazione Capacità rigeneratore ridotta TIC + 6-8% 40,000 20,000 Minima rigenerazione Minimizzazione stoccaggio MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON time [hours] TIC + 4-6% 24

25 Rigenerazione costante 120, ,000 rich solvent lean solvent semi-lean solvent Rigenerazione costante TIC + 4-6% (esclusa la riduzione della linea di trasporto della CO 2 : -105,000 /km) 80,000 Volume [m3] 60,000 40,000 20,000 MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON time [hours] 25

26 Conclusione consente di mantenere una flessibilita operativa analoga a quella degli impianti senza cattura ed offre l opportunita di migliorare il ritorno economico dell investimento Infatti: Gli impianti (anche IGCC) seguono la richiesta variabile, giornaliera o stagionale, di energia La generazione di energia aumenta durante le ore di picco L incremento del costo di investimento è contenuto nella maggior parte dei casi 26