CAPITOLO III Integrazione dell’ossi-combustione in pressione con un ciclo Rankine:
5 Simulazione di processo
5.3 Costi energetici di cattura e di abbattimento della CO 2
Il costo energetico delle tecnologie CCS è rappresentato, nel caso dell’ossicombustione, dal consumo di lavoro associato agli ausiliari d’impianto necessari a realizzare il processo di cattura. Tale aumento è principalmente dovuto ai seguenti tre contributi:
potenza assorbita dall’impianto di produzione dell’ossigeno
potenza assorbita dall’impianto di compressione e purificazione della CO2
potenza assorbita dalle soffianti di ricircolo dei fumi in camera di combustione.
Il consumo di lavoro elettrico associato a questi tre contributi può essere riferito all’unità di CO2 catturata o all’unità di CO2 abbattuta. La CO2 catturata è definita pari alla portata massica che viene inviata al sequestro geologico; la CO2 abbattuta è definita dalla differenza fra la CO2 emessa dall’impianto di cattura18 e la CO2 che sarebbe stata emessa in atmosfera da un impianto di riferimento (CASO BASE, cfr. tabella 12) e dotato della stessa potenza elettrica nominale dell’impianto di cattura. Il costo energetico di abbattimento della CO2 è più rappresentativo del costo di cattura della CO2, in quanto tiene conto della perdita di efficienza associata alle apparecchiature CCS e, conseguentemente, della maggiore produzione di CO2 per unità di elettricità prodotta.
In tabella 13 sono riassunte le quantità necessarie a calcolare i costi di cattura e abbattimento della CO2.
Con riferimento alle quantità appena definite e alla simulazione di processo riportata in tabella 12 (CASO 1), si hanno i risultati riassunti in tabella 14 e rappresentati dal grafico di Figura 43.
18 L’efficienza di cattura, definita come la frazione di CO2 catturata rispetto a quella prodotta, non è mai
tabella 13 – Prestazioni dei tre impianti considerati
Impianto di riferimento
Efficienza 44,3%
Potenza elettrica lorda 734 MW
Potenza elettrica netta 325 MW
CO2 emessa 207 t/h
CO2 catturata 0 t/h
Impianto CCS atmosferico – CASO OXY-C di tabella 12
Efficienza 32,7%
Potenza elettrica lorda 994 MW
Potenza elettrica netta 325 MW
Efficienza di cattura19 94%
CO2 prodotta dal processo 280,3 t/h
CO2 emessa 16,8 t/h
CO2 catturata 263,5 t/h
CO2 abbattuta20 190,1 t/h
Impianto CCS atmosferico – CASO P-OXY-C di tabella 12
Efficienza 35,1%
Potenza elettrica lorda 926 MW
Potenza elettrica netta 325 MW
Efficienza di cattura 96%
CO2 prodotta dal processo 261,2 t/h
CO2 emessa 15,7 t/h
CO2 catturata 245,6 t/h
CO2 abbattuta 191,2 t/h
tabella 14 – Costo energetico di cattura e di abbattimento della CO2
CASO OXY-C (ossic. atmosf.)
CASO P-OXY-C (ossic. in press.)
Potenza assorbita dagli ausiliari CCS d’impianto (ASU + CPU + ausiliari
convenzionali aggiuntivi)
128048 kW 95712 kW
CO2 catturata 263,5 t/h 245,6 t/h
Costo di cattura della CO2 486 kWh/t 390 kWh/t CO2 abbattuta (21) 190,1 t/h 191,2 t/h Costo di abbattimento della CO2 674 kWh/t 501 kWh/t
19 Nel caso della cattura con sola compressione (senza rimozione degli inerti), l’efficienza teorica di cattura è
pari al 100%. Per tenere conto della realtà degli impianti, è stata assunta un’efficienza di cattura del 94%, allineata ai valori ottenuti dalle simulazioni di processo condotte[6].
20 Valore calcolato in base alle prestazioni ambientali dell’impianto di riferimento (CASO BASE di tabella 12) 21 Numericamente, il valore della CO
2 abbattuta si ottiene sottraendo dalla CO2 emessa dall’impianto di
0 50 100 150 200 250 300 Impianto di cattura basato su ossi- combustione pressurizzata (10 bar) Impianto di cattura basato su ossi- combustione atmosferica Impianto di riferimento CO2 emessa CO2 catturata
Figura 43 – Rappresentazione grafica delle quantità di CO2 emessa e catturata relativa ad
impianti dotati di 325 MW di potenza elettrica installata (cfr. tabella 12)
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Conclusioni
L’analisi introduttiva sull’effetto della composizione e della pressione dei fumi sulle temperature di rugiada acida, ha evidenziato che il punto di rugiada acida s’innalza22 oltre i 230°C nel caso di processi ossi-combutivi eserciti a 10 bar. È stato anche evidenziato che la pressurizzazione del processo da il contributo maggiore all’innalzamento delle temperature di rugiada.
Il processo Isotherm, sperimentato da Enel Ricerca, ITEA ed ENEA su scala 5MW termici e descritto al par. II.4, è stato preso in esame come processo ossi- combustivo pressurizzato da integrare con un ciclo Rankine. Nel processo Isotherm, dove la frazione d’acqua nei fumi può anche raggiungere il 50% molare, la temperatura di rugiada dell’acqua supera, nel caso di fumi a 10 bar, i 140°C.
L’innalzamento delle temperature di rugiada offre l’opportunità di recuperare efficacemente il calore latente dai fumi, adottando peraltro tecnologie consolidate come colonne di condensazione a contatto diretto. Partendo da quest’obiettivo, è stata
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proposta una soluzione d’integrazione del processo termico Isotherm con un ciclo Rankine, modificando opportunamente la linea di rigenerazione di bassa pressione.
L’efficienza di conversione di una centrale a carbone di taglia 320 MW elettrici, basata sul processo Isotherm, è pari al 37%. L’efficienza ottenuta, prevalentemente penalizzata dal processo di produzione dell’ossigeno da alimentare come comburente, è inferiore a quella dei moderni impianti a carbone, che hanno oggi raggiunto il 45% di efficienza netta. Il vantaggio della tecnologia Isotherm deve, quindi, essere ricercato nella sua potenziale capacità di bruciare carboni di minor pregio e più economici, continuando a garantire prestazioni ambientali d’eccellenza, migliori o confrontabili con quelle degli impianti commerciali. Le potenzialità associate a questa possibilità sono state esplorate e quantificate (Gazzino et al., 2008; Hong et al. 2009). L’analisi ha evidenziato che:
l’uso di carbone bassofondente (temperatura di fusione in atmosfera riducente di circa 1250°C) è conveniente con prezzi d’acquisto del 3% inferiori a quelli di un carbone sudafricano, preso a riferimento;
l’uso di carbone ad alto contenuto di ceneri (>30%) risulta conveniente per prezzi d’acquisto del 20% inferiori a quelli del carbone di riferimento.
Altro vantaggio dei processi di ossi-combustione in pressione è la loro compatibilità con le tecnologie di cattura dell’anidride carbonica. I fumi a valle della de- umidificazione sono prevalentemente costituiti da anidride carbonica e possono essere purificati dagli inerti e dall’ossigeno con penalità accettabili (-2 punti percentuali di rendimento). Nel caso di una centrale basata sul processo Isotherm ed equipaggiata con tecnologie di cattura della CO2, il rendimento si riduce al 35,1%, valore superiore al 32,7% stimato per le tecnologie di ossi-combustione. Questo vantaggio diventa rilevante in uno scenario di diffusione delle tecnologie di cattura. Seguendo un principio di cautela e responsabilità ambientale, numerose Utility, in particolare in Europa, hanno avviato progetti di ricerca rivolti allo sviluppo delle tecnologie CCS, oggi non ancora mature sotto il profilo tecnologico, sulle scale d’interesse.
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Nomenclatura
Acronimi Significato
ASU Air Separation Unit
CPU Compressione and Purification Unit
ECO economizzatore
GVR generatore di vapore a recupero
IAPWS Association for the Properties of Water and Steam ISO Organization for Standardization
NIST National Institute of Standards and Technology
RH risurriscaldatore
SH surriscaldatore
TPD Tons Per Day (tonnellate al giorno)
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Bibliografia
[1] DOE/EPA (AA.VV.), (2007). Carbon Dioxide Emissions from the Generation of Electric Power in the United States, Department of Energy – Environmental Protection
Agency, June, 2007
[2] ROSSI.N., (2003). Manuale del Termotecnico, Hoepli, sesta edizione
[3] ÇENGEL Y. A., (2005). Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw Hill, seconda edizione
[4] CHEN C.C., BOSTON J.F., BRITT H.I.,EVANS L.B., Local Composition Model for the Excess Gibbs Energy of Electrolyte Systems, Part I: Single Solvent, Single Completely Dissociated Electrolyte Systems, AIChE Journal, 1982, 23, 588-596
[5] GAZZINO M., BENELLI G., (2008). Pressurised Oxy-Coal Combustion Rankine-Cycle for Future Zero Emission Power Plants: Process Design and Energy Analysis,
Proceedings of ES2008 Energy Sustainability 2008, August 10-14, 2008, Jacksonville, Florida, USA
[6] HONG J., CHAUDHRY G., BRISSON J.G., FIELD R., GAZZINO M., GHONIEM A., (2009a), Analysis of Oxy-fuel Combustion Power Cycle Utilizing a Pressurized Coal Combustor, Energy Journal, Elsevier, Vol.34, n.9, Sept. 2009
[7] HONG J.,FIELD R.,BRISSON J.G., GAZZINO M.,GHONIEM A., (2009b). Performance
of The Pressurized Oxy-Fuel Combustion Power Cycle with Increasing Operating Pressures, The 34th International Technical Conference on Coal Utilization & Fuel Systems, May 31 - June 4, Clearwater, Florida
[8] BEÉR J.M., (2007). High Efficiency Electric Power Generation: the Environmental
Role, Progress in Energy and Combustion Science, 33, 107–134, 2007
[9] BRATFOS H.A.,BENTE H.L.,TORBERGSEN L.E.,SAUGERUD O.T.,(2007).Challenges to the Pipeline Transportation of Dense CO2, The Journal of Pipeline Engineering, Vol.
6, No. 3, 2007
[10] COSHAM A., EIBER R., (2007). Fracture Control in Carbon Dioxide Pipelines, The
Journal of Pipeline Engineering, Vol. 6, No. 3, 2007
[11] GALE J., DAVISON J., (2004). Transmission of CO2 — safety and economic
considerations, The Energy Journal, 29, 1319–1328, 2004
[12] HENDRIKS C.,BRANDSMA R.,WILDENBORG T.,LOKHORST A.,GALE J.,(2006).CO2 pipeline schemes and cost curves for the European sector, 8th International Conference
on Greenhouse Gas Control Technologies, Trondheim, Norway, 19-22 June, 2006 [13] HERZOG, H., (1999). An Introduction to CO2 Separation and Capture Technologies,
MIT Energy Laboratory, Cambridge, 1999.
[14] PITZER K.S., SIMONSON J.M., Thermodynamics of Multicomponent, Miscible, Ionic
Systems: Theory and Equations, J. Phys. Chem., 1986, 90, 3005-3009
[15] SEEVAM P.N., RACE J.M., DOWNIE M.J., (2007). Carbon dioxide pipelines for sequestration in the UK: an engineering gap analysis, The Journal of Pipeline
[16] SVENSSON R.,ODENBERGER M.,JOHNSSON F.,STROMBERG L.,(2004).Transportation
systems for CO2 — application to carbon capture and storage, Energy Conversion and
Management 45,2343–2353, 2004
[17] WHITE V., (2007). Purification of Oxyfuel Derived CO2 for Sequestration or EOR, International Oxycombustion Research Network, 2nd Workshop, January 25-26, Windsor, CT, USA, 2007
[18] WHITE V., ALLAM R., MILLER E., (2006). Purification of Oxyfuel-Derived CO2 for
Sequestration or EOR, 8th International Conference on Greenhouse Gas Control