La configurazione base dell’impianto FTR per la produzione di idrogeno è stata descritta nel Capitolo 2. La schematizzazione del ciclo è riportata in Figura 6.1.
In questo impianto il gas naturale, dopo essere stato miscelato con l’H2 di
ricircolo e preriscaldato, passa nella sezione di rimozione dello zolfo.
Successivamente viene fornito lo steam to carbon e il gas passa nel pre- reformer prima di entrare nell’FTR. Uscito dal reformer il gas ha elevata temperatura e viene raffreddato generando vapore in una caldaia a recupero.
Durante il raffreddamento viene effettuato un water gas shift ad alta temperatura. Prima di lasciare l’impianto viene rimossa l’H2O mediante
condensazione e l’idrogeno viene ulteriormente purificato mediante un PSA. I residui del PSA vengono miscelati con il gas naturale in ingresso del ciclo, mentre l’idrogeno puro, dopo averne prelevata una parte per la desolforazione, è pronto per essere esportato.
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Figura 6.1 Schema di un impianto FTR per la produzione di H2, [46].
6.1.1
Prestazioni dell’impianto
Nel Capitolo 2 sono stati descritti i parametri di merito fin qui utilizzati per descrivere le prestazioni degli impianti. Negli impianti considerati in questo capitolo, gli input e gli output del processo sono differenti da quelli degli impianti precedenti. Un impianto di reforming può essere elettricamente autonomo o aver bisogno di un apporto di energia elettrica; l’energia elettrica viene di conseguenza considerata come input o come output. Inoltre si ha una quantità di vapore che non viene condensata e utilizzata in un ciclo a vapore, ma viene esportata ed è pertanto considerata come un output. E’ perciò
Adiabatic pre-reformer natural gas Hydrogenator Sulfur removal Fired tubular reformer Pressure swing adsorber Steam turbine Combustion air
air / flue gas fuel / syngas H2/ O2/ CO2 water/steam HT WGS LP eva +sh HP eva +sh e.m. HP eco HP eva +sh
~
steam export PSA off-gas fuel hydrogen outputcondensate LP boilerfeedwater
1 2 31 13 4 5 7 8 9 10 11 12 14 16 17 18 15 19 6 20 21 25 24 23 22 30 29 26 32 27 3 28 HP eva +sh
151 necessario definire due nuovi parametri di merito che tengano conto di tutti i flussi energetici del processo.
Il rendimento equivalente di produzione di idrogeno ηeq è definito come:
N¾=
2; ¿ 2
; ¿−Àℎℎ−;N N(6.1)
dove ηth è il rendimento termico di conversione (ηth=0.9) e ηel è il rendimento
di produzione elettrica (ηel=0.583, si considera il rendimento della miglior
tecnologia commerciale disponibile). Questo rendimento riporta tutte le energie all’energia primaria di gas naturale. I rapporti Qth/ηth e Pel/ηel indicano
rispettivamente quanta energia da gas naturale servirebbe per generare le quantità di vapore e energia elettrica coinvolte nell’impianto. In questa definizione, relativa agli impianti in esame, Qth è il calore associato alla
condensazione del vapore di bassa pressione e risulta definito come:
À³Â= ´i3∙ ∆ A´ (6.2)
Il rendimento exergetico ηex utilizza il concetto di exergia ed è definito
come:
N=
G GI
(6.3)
L’exergia è una grandezza che tiene conto della qualità dell’energia oltre che della quantità. Essa si calcola in maniera diversa per ogni tipo di energia coinvolta in un sistema ed in particolare:
• per l’energia elettrica l’exergia è il valore stesso di energia.
• per l’energia chimica l’exergia ha un valore molto prossimo a quello del potere calorifico del combustibile. Per il calcolo sono stati utilizzati i valori di exergia specifica riportati in apposite tabelle [47] moltiplicati per la massa del combustibile.
• per il vapore l’exergia è valutata considerando l’energia associata al calore estraibile da esso utilizzando un ciclo ideale di Carnot. Il calore va perciò moltiplicato per il fattore di Carnot θ definito come:
à = 1 −
<R152
dove T0 è la temperatura dello stato morto (T0=298 K) e Tml è la temperatura
media logaritmica della sorgente durante lo scambio di calore. Per un fluido in transizione di fase, la temperatura media logaritmica corrisponde alla temperatura stessa a cui avviene il passaggio di stato. Dato che per convenzione tutti gli impianti che verranno trattati in questo capitolo esportano vapore saturo a 6 bar (Teva=158°C) il fattore di Carnot per l’export di
vapore risulta 0.31.
Utilizzando il rendimento exergetico il vapore è valorizzato in relazione alla temperatura a cui si trova: in questo modo 1 MJ di vapore a 500°C avrà un valore exergetico quasi doppio della stessa quantità di energia fornita da vapore a 158°C.
Il rendimento exergetico ha perciò due formulazioni differenti a seconda che l’energia elettrica sia un input o un output del sistema. Quando l’energia viene immessa in rete il rendimento si può scrivere come:
A=
h78∙A 78hqhVÄu∙A V∙ÅXaÄ∙Æq4az (6.5)Quando invece l’energia elettrica viene prelevata dalla rete la formulazione è la seguente:
A=
h78∙A hV78∙A qhVÄuq4∙ÅXaz aÄ∙Æ (6.6)Durante l’analisi, quando si farà riferimento al rendimento exergetico, questo verrà calcolato direttamente nella forma corretta a seconda della configurazione dell’impianto senza fare esplicito riferimento alle equazioni (6.5) e (6.6).
A rigore, nella definizione del rendimento exergetico, tra gli output del sistema bisognerebbe includere, se presente, anche l’exergia legata al flusso in pressione di CO2. Tuttavia, non essendo una risorsa sfruttabile in termini
energetici è ragionevole non includere il suo contributo nel calcolo del rendimento.
Alla luce di quanto espresso precedentemente la Tabella 6.1 riporta le prestazioni di un impianto FTR per la produzione di idrogeno senza cattura della CO2. L’impianto viene considerato come la tecnologia standard di
riferimento con cui confrontare l’impianto Cu-Ca.
L’impianto FTR così configurato ha come output energetici l’H2, il vapore e
l’energia elettrica a fronte di un solo input rappresentato dal gas naturale. Le prestazioni dell’impianto sono riassunte dal rendimento equivalente che risulta
153 essere di 79.97% e dal rendimento exergetico che si attesta a 76.82%. La CGE risulta pari a 72.76%.
Tabella 6.1 Prestazioni dell’impianto FTR senza cattura della CO2, [46].