CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Lo scopo di questo lavoro è consistito nella definizione e nella modellazione di vari schemi di processo utilizzabili per la produzione di idrogeno a partire da combustibili solidi. Tale scelta presenta, almeno in linea di principio, notevoli valenze dal punto di vista economico e ambientale: l’idrogeno è per eccellenza un vettore termico “pulito” e la scelta di fonti energetiche fossili disponibili su larga scala (carbone) o addirittura di tipo rinnovabile (biomasse e RSU) può fornire una parziale soluzione al problema dell’approvvigionamento energetico.
In una prima fase del lavoro, è stata condotta un’analisi dettagliata della letteratura esistente, in modo da prendere conoscenza delle esperienze pregresse e di rendersi conto di quali sono le problematiche da affrontare nell’intraprendere un percorso di questo tipo. In particolare, nel Capitolo 1 è stata fatta una breve rassegna delle tecniche attualmente utilizzate a livello industriale per la produzione di idrogeno.
Nei capitoli successivi ci si è concentrati in particolare sull’approccio al problema della produzione di idrogeno da combustibili solidi (carbone, la biomassa e gli RSU), un’idea che ha preso corpo solamente a partire dagli ultimi 2 decenni. La tecnologia più sviluppata per la conversione del carbone consiste nella gasificazione; si tratta di una tecnologia ben nota, utilizzata per ottenere un prodotto gassoso a basso potere calorifico (gas di città); le innovazioni che è necessario apportare interessano principalmente la sezione di separazione e purificazione dell’idrogeno dai sottoprodotti di reazione e dagli inquinanti, dal momento che in genere i sistemi di generazione di energia che si basano su idrogeno richiedono un grado di purezza del combustibile abbastanza spinto. D’altra parte, non va trascurata la possibilità di introdurre innovazioni nel processo stesso di reazione, sia per abbassare i costi di produzione del prodotto finito che per facilitare il sistema di separazione e rendere più agevole l’ottenimento di un grado di purezza compatibile con sistemi quali le celle a combustibile. Una soluzione senz’altro in grado di presentare maggiori potenzialità consiste nell’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili quali le biomasse e gli RSU. In questo modo, non solo si abbattono le
emissioni di gas serra (la COB2B è emessa nella medesima quantità assorbita dalla biomassa
durante il suo ciclo vitale) ma, nel caso di combustibile da rifiuti, si riesce anche a valorizzare una sostanza il cui smaltimento tramite incenerimento o posa in discarica comporta numerosi problemi dal punto di vista ambientale, economico e sociale. Del resto, l’analisi di letteratura 174
effettuata dimostra come l’uso di questi combustibili alternativi comporti una rivisitazione degli schemi di gasificazione tradizionale.
Successivamente, è stata approfondita l’analisi di quelle tecnologie di produzione che appaiono più attraenti allo stato attuale delle conoscenze, quali il cracking pirolitico. In particolare, si è constatato come l’interesse generale della comunità scientifica sia rivolto soprattutto nei confronti di sistemi che prevedono la semplice pirolisi o gasificazione del carbone e successiva reazione dei prodotti ottenuti dalla devolatilizzazione con vapore; ciò perché la tecnologia da utilizzare non comporta grosse modifiche agli schemi tradizionali ed è pertanto di più facile applicazione. Sulla base di lavori svolti precedentemente e di lavori riportati in letteratura, si sono definiti schemi di processo in grado di convertire in maniera ottimale il potere calorifico del combustibile solido nel vettore energetico idrogeno. Tutto ciò è stato compiuto nell’ottica di integrare l’impianto di conversione con centrali termoelettriche o termovalorizzatori, in modo di riuscire a realizzare delle significative economie di processo. Inoltre, si è deciso di concentrarci in particolare sui processi di pirolisi e gasificazione, in quanto essi permettono di ottenere buone conversioni tramite l’uso di una tecnologia tutto sommato nota e di facile impiego, applicabile tra l’altro su tutti i vari tipi di combustibile solido proposti. L’analisi di letteratura effettuata ci ha inoltre fatto capire come tale processo non possa prescindere dall’inserimento di vapore nel sistema.
Nel Capitolo 4 viene presentata la metodologia di lavoro adottata e i software di calcolo utilizzati per la modellazione dei processi: individuato e limitato il sistema rendendo chiari i suoi confini, sono state definite le unità funzionali che costituiscono il processo stesso. Successivamente si sono definiti una serie di parametri utili a caratterizzare il processo: parametri obiettivo che caratterizzano le rese del sistema, parametri di processo che individuano le condizioni del sistema e i parametri operativi che sono stati variati per determinare condizioni che massimizzano l’efficienza di produzione di idrogeno.
Definito lo scenario in cui inserire il sistema, l’obiettivo è stato indicare e simulare il processo che meglio soddisfa le richieste di produzione di idrogeno. Il primo scenario ipotizza di produrre idrogeno per l’alimentazione di una parte del parco autobus della città di Pisa E’ richiesta una produzione di 150 kg/hr, corrispondente ad una potenza di 5.1 MW. La portata di idrogeno necessaria è prodotta da un processo di cracking pirolitico di carbone accoppiato a reazioni di reforming e di shift del syngas proveniente dalla pirolisi. Il processo inoltre è integrato con una centrale termoelettrica di grandi potenzialità.
Lo scenario successivo è ipotizzato essere un distretto industriale con un fabbisogno energetico pari a 80 MW. Le esigenze di idrogeno sono pari, in questo caso, a 2400 kg/hr. Tale produzione avviene per mezzo di un processo di gasificazione del carbone, anch’esso accoppiato con i sistemi di trattamento e reazione di shift del syngas. Come nel caso precedente si considera l’impianto integrato in una centrale termoelettrica.
Nei capitoli 5 e 6 si passa alla descrizione dei processi simulati e si entra nello specifico per quanto riguarda la costruzione del modello. Inoltre vengono analizzati i risultati delle simulazioni e si effettua l’ottimizzazione dei processi per la definizione degli assetti che garantiscono le migliori prestazioni nei due casi.
Il processo di cracking pirolitico non consente di avere rese elevate, solo grazie all’integrazione con la centrale termica è possibile sfruttare al meglio le caratteristiche del processo,ad esempio la corrente di char residuo dal processo di devolatilizzazione può essere utilmente riutilizzata nella centrale stessa. Inoltre è possibile effettuare recuperi sui flussi energetici andando a sfruttarli in utenze della centrale.
Il rendimento di conversione del carbone in idrogeno, per questo processo, raggiunge al massimo il 14%,nel caso di temperatura di pirolisi di 800°C, un rapporto Vapore/CH4 (molare) al reforming pari a 5 (T di reforming 600°C) e temperatura di shift di 400°C
Per soddisfare richieste maggiori di idrogeno, è quindi indispensabile individuare un processo che garantisca rese di conversione più elevate: in quest’ottica è stato modellato un sistema integrato di gasificazione di carbone. Tale processo, analizzato in due configurazioni possibili (gasificazione diretta GD e indiretta GI), permette la produzione di quantità di idrogeno importanti con rendimenti energetici elevati. L’integrazione con la centrale termoelettrica permette anche in questo caso di utilizzare flussi di materia e di energia in modo ottimale.
Con questa configurazione, il rendimento del processo arriva a 57-58% per il caso di gasificazione diretta, mentre per la gasificazione indiretta si raggiunge al massimo il 48%. Come contropartita, lo schema impiantistico del caso GD risulta essere molto più complesso (e costoso) a causa della presenza della sezione di produzione di ossigeno (ASU). Infine, eseguendo un’analisi di sensitività, sono state trovate le configurazioni ideali che massimizzano la resa. Con temperature di gasificazione superiori a 1200°C, pressione di 25 atm. e utilizzando polverino di carbone con diametri minori di 100 micron si riescono a ottenere rese di conversione del solido elevate (>95%).
Alimentando al gasificatore una quantità di acqua corrispondente ad un valore del rapporto Carbone/Acqua (massivo) di 1.6 e con un rapporto Carbone /Ossigeno (massivo) di 1.24 si riesce ad ottenere dal processo di gasificazione la resa massima.
Riassumendo, i risultati principali di questa tesi consistono nel raggiungimento dei seguenti obiettivi:
¾ screening del processo di cracking pirolitico e gasificazione del carbone per produzione di idrogeno;
¾ sviluppo di un modello di processo per il cracking pirolitico di carbone accoppiato a reazioni di reforming e shift;
¾ sviluppo di un modello di processo per la gasificazione di carbone accoppiato con sezioni di trattamento del syngas (pulizia, reazione di shift e separazione dell’idrogeno); ¾ ottimizzazione dei processi;
Possibili sviluppi futuri dei modelli relativi ai trattamenti termici possono includere:
¾ l’estensione della modellazione anche ai processi che non sono presenti nel modello (sequestro CO2);
¾ modellazione in dettaglio delle unità presenti nei processi (gasificatore, reattore di shift, separazione dell’idrogeno);
¾ valutazione target ambientali; ¾ analisi dei costi di produzione;
¾ esecuzione LCA del processo per la valutazione sostenibilità.
