I Combustibili Fossili per applicazioni energetiche: ruolo dell ENEA per il loro uso efficiente e per la valutazione degli effetti sull ambiente

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1 I Combustibili Fossili per applicazioni energetiche: ruolo dell ENEA per il loro uso efficiente e per la valutazione degli effetti sull ambiente S.Giammartini (ENE); A.Calabrò (ENE); P.Deiana (ENE); V.Pfister (MAT); G.Zanini (PROT) Alla redazione di questo documento hanno collaborato: C.Amorino (SOTACARBO); M.Annunziato (ENE); D.Bardaro (CETMA); L.Barone (CETMA); I.Bertini (ENE); G.Braccio (ENE); M.Casarci (PROT); E.Giacomazzi (ENE); G.Girardi (ENE); M.Labanti (MAT); O.Manni (CETMA); A.Pettinau (SOTACARBO); F.R.Picchia (ENE); R.Romani (PROT); S.Sangiorgi (MAT)

2 Sommario 1. Il quadro generale di riferimento e la domanda potenziale 2. La domanda attuale e la collocazione dell ENEA 3. I cicli avanzati: stato dell arte e cicli innovativi (cicli a gas /cicli a carbone) 4. Il ventaglio dell offerta ENEA - La simulazione ed i metodi di progettazione - I nuovi materiali - La diagnostica e la sperimentazione - Le facility sperimentali - Il trattamento gas - L impatto ambientale - L ottimizzazione globale dei processi 5. La proposta ENEA (breve/medio periodo - medio/lungo periodo) 6. Programmi e collaborazioni internazionali

3 Quadro di Riferimento Proiezioni IEA nel periodo ,8 % annuo consumi energetici mondiali (Europa + nel 2030 il 90% di energia mondiale prodotta da fonte fossile (34% olio; 29% carbone; 26% NG) in conseguenza di + 2,1 % annuo di emissioni di CO2 a livello globale (+ 60% dal 2000 al 2030) Tale domanda energetica non potrà essere soddisfatta dalle attuali tecnologie, pena un insostenibile pressione sull ambiente

4 La situazione italiana La situazione italiana è, se possibile, ancor più nel 2004 (fonti REA): 88% energia da combustibili fossili nel futuro: - olio combustibile (tendenza già in atto: 3.1% nel 2004 ) - NG (+ 3,8% nel 2004, ma esistono criticità di approvvig.) - carbone??? (riserve stimate per anni; ridotti rischi geopolitici; il problema è la sua accettabilita ambientale!

5 Azioni per la governance Aumentare l efficienza di conversione energetica (impianti esistenti / nuovi); puntando inoltre su: - diversificazione delle fonti (combustibili di opportunità) - produzione di energia distribuita; Sviluppare tecnologie di componente e di sistema, basate sull impiego di fonti rinnovabili, ed incrementarne l uso; Sviluppare tecnologie per l impiego pulito di combustibili fossili (Clean Coal Tech. + Carbon Capture and Storage). Su questa ultima linea ci si muove, a livello internazionale, con diverse iniziative.

6 La Domanda (1/3) Un forte stimolo viene dal DOE (USA) e dalla Comunità Europea : Progetto FUTURE GEN (prog. sponsorizzato dal DOE-USA) - realizzazione impianto dimostrativo finalizzato alla produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone, con cattura e sequestro della CO2; - potenza elettrica = 275 MWe - impegno finanziario: 1MLD $ in 10 anni dal 2003 al Progetto HYPOGEN (HYdrogen and POwer GEneration - CE) - realizzazione impianto dimostrativo di larga scala, capace di produrre idrogeno ed energia elettrica a partire da carbone; - finanziamento in FP6 e FP7/8 ; - durata 10 anni dal Impianto funzionante dal Fino ad oggi finanziati 7 M di attività di progettazione ; - L ENEA in primis, ha redatto allo studio di prefattibilità dell impianto, presentato alla Commissione Europea nel dicembre 2004.

7 La Domanda (2/3) Carbon Sequestration Leadership Forum (CSLF) - collaborazione internazionale (promossa da Gov. USA) sul tema della limitazione delle emissioni di gas serra. Finalità: promozione di iniziative, finalizzazione e concentrazione sforzi di ricerca, promozione progetti, interscambio culturale; - 12 paesi tra cui Italia; - 2 gruppi : Policy Group (Ministri/ Direttori Generali) e Technical Group (ENEA membro).

8 La Domanda (3/3) POSSIBILI STRATEGIE A MEDIO-LUNGO TERMINE Zero Emission route Increasing plant efficiency route

9 Utilizzo di un combustibile a fini energetici Se Se in in forma gassosa Combustione efficiente meno inquinante Cicli Combinati Se Se in in forma solida Combustione Tecnologie avanzate per contenere emissioni Gassificazione Vantaggi: Pulizia Pulizia syngas syngas Turbina Turbina a a gas gas Strumento Strumento di di massimo massimo rendimento rendimento in in cicli cicli combinati combinati

10 Cicli e Tecnologie avanzate Combustibile Tecnologia di base coinvolta Cicli energetici GAS Combustione Cicli Combinati Cicli SC e USC CARBONE Combustione Gassificazione Cicli Letto Fluido AFBC / PFBC Oxy- combustione MILD Cicli IGCC Clean Coal Tech. + CCS : ZERO EMISSION

11 Cicli alimentati a gas: Cicli Combinati (NGCC) AZIONI ENEA NEL BREVE/MEDIO PERIODO : Interventi sulla Camera di Comb. : Impiego di syngas trattamento del ; stabilità di fiamma; comb. MILD (TVC); materiali camera comb. Interventi sulla Turbina: Raffreddamento palette materiali ceramici per elementi statorici e rotorici combustibile CC GENERATORE ELETTRICO TURBINA A VAPORE(AP e BP) GENERATORE ELETTRICO aria COMPRESSORE TURBINA A GAS SCARICO FUMI Elemento chiave per avere alte efficienze (58% - 60%) CALDAIA A RECUPERO CONDENSATORE COGENERAZIONE In generale sull impianto: monitoraggio, controllo e ottimizzazione

12 Cicli alimentati a carbone (1/4) [ rif. Clean Coal Tech. ] Impianti SC e USC Si tratta di impianti termoelettrici basati su cicli a vapore a condensazione, operati a più alte T e P rispetto ai tradizionali (efficienza in crescita riduzione emissioni di CO 2 ) Impianti tradizionali (560 C; 220 bar) efficienza < 40% Impianti supercritici (SC): vapore supercritico a 650 C e 300 bar efficienza 45% Impianti ultrasupercritici (USC): vapore supercritico a 700 C e 375 bar efficienza 50 53% (efficienza 50% comporterebbe una riduzione del 25% nelle emissioni di CO 2 ) È fondamentalmente problema di materiali (superleghe a base di Nichel) [partecipazione ENEA-MAT al prog. CE AD700]

13 Cicli alimentati a carbone (2/4) Oxy- combustione Combustione in atmosfera ricca di Ossigeno + condizioni MILD i prodotti di combustione sono essenzialmente composti da CO 2 e vapore (bassissimi NOx, particolato, metalli pesanti) facile sequestrazione CO 2 per condensazione [ efficienza attesa 60% ]

14 Cicli alimentati a carbone (3/4) Impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cicle) Ciclo combinato alimentato con syngas (prevalentemente H 2 + CO) prodotto dalla gassificazione di carbone Efficienza attesa : 40% 45%

15 Cicli alimentati a carbone (4/4) Tecnologie Zero Emission : CCT + CCS (Clean Coal Tech. + Carbon Capture and Storage) Gasificazione del carbone Syngas PURIFICAZIONE CC GENERATORE ELETTRICO Syngas aria COMPRESSORE TURBINA A GAS Rimozione di H 2 S CO Shift Separazione di CO 2 H 2 CC GENERATORE ELETTRICO H 2 S CO 2 STORAGE aria COMPRESSORE TURBINA A GAS

16 Il ventaglio dell offerta ENEA %

17 FONTE - PROCESSI e TECNOLGIE di BASE - CICLI ENERGETICI Modellistica Termofluidodinamica e Cinetica Chimica di componente Modellistica e sperimentazione di processo Ottimizzazione di processo GAS Combustione Cicli Combinati Cicli SC e USC CARBONE Combustione Oxy- combustione MILD Cicli IGCC Emissioni Gassificazione L OFFERTA ENEA Diagnostica - Sperimentazione di componente e Trattamento Gas Clean Coal Tech. + CCS Modellazione e Sperimentazione nel settore dei Materiali Studi di Impatto Ambientale

18 L offerta di ENEA e Partecipate (1/3) Simulazione e metodi di progettazione - Simulazione di Processo (sviluppo di cicli) [ENE]; - Simulazione termofluidodinamica (CFD) di componente (es. camera di combustione, gassificatore) e cinetica chimica [ENE] ; Nuovi materiali - Simulazione per analisi strutturale, progettazione ed analisi affidabilistica di componenti [CETMA / MAT]; - Sviluppo di componenti in materiale ceramico, coatings, membrane per gas [MAT]; - Analisi di affidabilità e caratterizzazione non distruttiva [MAT; ENE];

19 L offerta di ENEA e Partecipate (2/3) Diagnostica e Sperimentazione - Diagnostica avanzata (utilizzo e sviluppo) nei settori della chimica e termofluidodinamica, per monitoraggio e controllo [ENE]; - Capacità di operare in campo [ENE]; - Ampia disponibilità di test rig, scala laboratorio impianto dimostrativi, per studio e dimostrazione di tecnologie [ENE; SOTACARBO, PROT; MAT;] Trattamento gas - Sviluppo di tecnologie chimico-fisiche per il gas cleaning del syngas [PROT, ENE]; - Progettazione, realizzazione di sistemi e scaling-up [PROT, ENE];

20 L offerta di ENEA e Partecipate (3/3) Studi di impatto ambientale - Studi e valutazioni sulla qualità dell aria, (modelli atmosferici e modelli di trasporto chimico homemade [PROT] ) ; Ottimizzazione globale di processi - Sviluppo di modelli dinamici per costruire sistemi di supervisione, gestione intelligente e progressiva ottimizzazione in linea [ENE].

21 Attività finanziate o da finanziare ( k ) ENEA SOTACARBO - CETMA Progetti in essere Progetti approvati (in attesa di finanz.) Cifre in k Produzione e Trattamento Syngas Cicli Clean Coal Tech Materiali Controllo e Ottimizzazione

22 Temi prioritari in FP7

23 Road-map per: near zero emission da combustibili fossili ROAD MAP PER: NEAR ZERO EMISSION DA COMBUSTIBILI FOSSILI Impiego massiccio di combustibili fossili con tecnologie CCT e CCS Penetrazione commerciale ZERO EMISSION 2040 Significativa produzione di H2 da combustibili fossili (CCT + CCS), compresa gassificazione biomasse 2030 Maturità tecnologica CFB (unità da Mwe in connessione con cicli USC) Incremento efficienza negli impianti e flessibilità nei combustibili (GTCC) Dimostrazione Produzione H2 da combustibili fossili e sequestro CO Economia totalmente basata su tecnologie tradizionali per lo sfruttamento di combustibili fossili Dimostrativi CCT + CCS: HYPOGEN (CE) FUTUR GEN (USA IGCC: maturità tecnologica USC : maturità tecnologica ZECOMIX (dimostratico CCT-CCS) Dimostrazione OXY Combustion GTCC: Gas Turbine Combined Cicle IGCC: Integrated Gas Combined Cicle CFB: Circulating Fluidised Bed USC: Ultra SuperCritic CCT: Clean Cola Technology CCS: Carbon Capture and Storage

24 Comparazione costi Comparazione costi elettricità no CO2 capture CO2 capture (*) capital cost COE efficiency capital cost CoE efficiency $/kw c$/kwh $/kw c$/kwh GTCC 536 3,3 55,4% 998 4,9 48,2% IGCC (shell gasifier; pre-combustion CO2 capture) ,8 43% ,3 35% IGCC (Texaco gasifier ; pre-combistion CO2 capture) ,5 38% ,6 32% SC (post combustion CO2 capture, MHI Amine tech.) ,3 44% ,3 35% Oxy-fuel + USC ,3 44% ,3 35% ZECOMIX ,2 50% (*) costi del CO2 storage e del trasporto non inclusi

25 La proposta ENEA nel Breve, Medio e Lungo Periodo L ENEA EFFETTUA UNA PRECISA SCELTA DI CAMPO: Trascurare il petrolio : è in via di esaurimento; il suo uso, anche in Italia, andrà progressivamente ridimensionandosi; Il Gas (NG) è una fonte troppo nobile. Il suo utilizzo non rappresenta una sfida per il futuro. Decidiamo di puntare su combustibili complessi, meno nobili, sporchi e più economici, in primis CARBONE, (ma anche residui dell industria petrolchimica, catrami, CDR, biomasse), ponendo in essere il meglio delle tecnologie per rendendoli compatibili con l ambiente.

26 Breve e Medio Periodo Insieme Insieme di di tecnologie tecnologie propedeutiche propedeutiche all utilizzo all utilizzo di di syngas syngasricchi di di H 2 ed 2 ed alla alla combustione combustione senza senza fiamma fiamma (MILD) (MILD) LA PROPOSTA ENEA NEL BREVE, MEDIO E LUNGO PERIODO Incremento Incremento efficienza, efficienza, Contenimento Contenimento emissioni emissioni già già in in impianti impianti a ciclo ciclo combinato combinato Medio e Lungo Periodo Cicli Cicli avanzati avanzati basati basati su su Clean CleanCoal CoalTechnologies : -Oxy-Combustione -Tecnologia -Tecnologia ZECOMIX ZECOMIX Energia Energia da da Carbone Carbone ad ad EMISSIONI EMISSIONI ZERO ZERO

27 Breve e Medio Periodo Medio e Lungo Periodo Temi di Ricerca Utilizzo Syngas (H 2 in TG) Tecnologie di Combustione per Emissioni Efficienza Clean Coal Technology Sviluppo tecnologie MATERIALI MATERIALI per per Alte Alte temperature temperature MILD MILD Comb. Comb. e e TRAPPED VORTEX Tech. TRAPPED VORTEX Tech. Tecnologie Tecnologie Trattamento Trattamento Gas Gas Metodologie Metodologie per per : : Progettazione; Progettazione; Ottimizzazione Ottimizzazione processi; processi; Diagnostica Diagnostica e e Controllo Controllo Impatto Impatto ambientale ambientale ZECOMIX Tech. ZECOMIX Tech. Oxy Combustion Oxy Combustion Syngas (H 2 90%) in TG CO 2 Risultati 1. Incremeno efficienza 2. Contenimento CO 2 e inquinanti 3. Microgeneraz. Distribuita in Impianti a Ciclo- Combinato ENERGIA da Carbone a EMISSIONI ZERO

28 La proposta ENEA: Oxy- Combustione (1/3) Energia da combustibili problematici (carbone, rifiuti, biomasse, ecc) Abbattimento inquinanti (NOx, polveri, metalli pesanti) Efficienze > 60% (il reattore alimenta una caldaia USC) Annullate le problematice di storage e handling del carbone, (slurry acquoso a grossa granulometria:millimetri) Progetto HIT-WASTE: Reattore DISMO presso ANSALDO Caldaie

29 La proposta ENEA: Oxy- Combustione (2/3) Punto centrale della Oxy- Comb. (e punto di forza ENEA) è la Combustione MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) : - Forte preriscaldamento del comburente; - Bassa concentrazione volumetrica di ossigeno nel comburente La MILD Comb. determina: assenza fronte di fiamma assenza gradienti di temperatura (combustione di volume e non di superficie) - Abbattimento inquinanti (NOx, polveri, metalli pesanti 1 o 2 ordini di grandezza) - Elevata stabilità di combustione Combustione Convenzionale (di superficie) Combustione MILD (di volume) GOAL ENEA : TRASFERIMENTO DAL SETTORE SIDERURGICO A QUELLO DELLE CALDAIE E TURBINE A GAS!

30 La proposta ENEA: Oxy- Combustione (3/3) La Combustione MILD, prima di essere messa a punto sperimentalmente, attraverso anche il ricorso a tecniche diagnostiche laser avanzate, Misure contemporanee di velocità e concentrazione di specie chimiche (Tecniche PIV+LIF) E stata accuratamente studiata tramite il ricorso a tecnologie numeriche di assoluta valenza scientifica Esempio di applicazione del Codice HEART interamente sviluppato in ENEA Significativo osservare che la durata dell intero video è di 9,1 msec, ed il singolo frame corrisponde a 10 milionesimi di sec.

31 La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (1/3) GOAL : produzione di H 2 integrata con generazione di energia elettrica e contemporanea sequestrazione di CO 2 ZERO EMISSION. Nasce dalla fusione di due tecnologie: A) Tecnologia ZEC (Zero Emission Coal) con sequestrazione di CO2 : - gassificazione - pulizia del syngas - cattura della CO2 B) Ciclo ZECOTECH (Zero Emission COmbustion TECnology using Hydrogen), ciclo ENEA ANSALDO Caldaie, frutto della combinazione di un ciclo a vapore ed un ciclo turbogas con surriscaldamento del vapore tramite combustione diretta in esso di H 2 con O 2 (no scambiatore di calore)

32 La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (2/3) H2 Stoccaggio H2 H2 Deposito CO2 Sezione gassificazione: ZEC (Zero Emission Coal) con cattura della CO2 Carbone Acqua Idrogassificatore Syngas Ceneri O2 Reformer H2 H2O Combustore CaO CaCO3 Calcinatore Vapore ultra surriscaldato CO2 Calore Alta Temp + Sezione di potenza: ZECOTECH (Zero Emission Combustion TEChnology using Hydrogen) Aria Unità Separazione Aria vap Turbina Alternatore N2 perdite Energia elettrica

33 La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (3/3) Realizzazione pratica nell ambito del: PROGETTO TEPSI- Linea 3 (PNR-FISR) Dimostrativo a tecnologia ZECOMIX Scala del progetto: R & D Scala Pilota ; Coal mass flow rate: 50 kg/h ; Electric Power: 120 kw Partner :. ENEA (coordinatore), Ansaldo, Sotacarbo, Politecnico di Milano, Università di Roma La Sapienza, Università di Roma TRE, Università di Napoli, Università de L Aquila, Università di Cassino Attività ENEA: Data inizio:28 Luglio 2005 Data fine: Gennaio 2009 Finanziamento: MIUR FISR-PNR

34 Conclusioni Due punti di forza intervento ENEA : Azioni conseguenti : Capacità Capacità di di progettazione progettazione sistemica sistemica di di cicli cicli avanzati avanzati Tecnologia Tecnologia di di combustione combustione innovativa innovativa (MILD (MILD comb.) comb.) Sviluppo Sviluppo di di un un ciclo ciclo innovativo innovativo per per l utilizzo l utilizzo pulito pulito del del carbone: carbone: - - produzione produzione syngas syngas da da carbone carbone e e suo suo trattamento; trattamento; - - concentrazione concentrazione e e successiva successiva rimozione rimozione della della CO CO 2 ; 2 ; - - combustione combustione di di syngas syngas residuo residuo (H (H 2 : 2 : %) 90%) in in Turbina Turbina a a Gas Gas (alto (alto rendimento). rendimento) Sviluppo Sviluppo di di una una tecnologia tecnologia per per la la combustione combustione diretta diretta (MILD) (MILD) di di carbone carbone in in modo modo pulito pulito.. Ampio Ampio ventaglio ventaglio di di tecnologie tecnologie strettamente strettamente integrate integrate ai ai punti punti 1 e 2,, sviluppate sviluppate parallelamente parallelamente :: - - nuovi nuovi materiali; materiali; - - trattamento trattamento chimico-fisico chimico-fisico gas gas (syngas); (syngas); - - ottimizzazione ottimizzazione e e controllo controllo di di processo; processo; - - valutazione valutazione impatto impatto ambientale. ambientale.

35 GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE!