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CCC/247

Generazione di potenza ad alto rendimento – review dei sistemi alternativi
Qian Zhu

Nel corso degli ultimi decenni sono state investite ingenti somme di denaro per la ricerca e lo sviluppo (R&D) di sistemi alternativi, i cosiddetti sistemi di generazione non convenzionali. Attualmente quasi tutte le centrali elettriche a carbone producono energia tramite il ciclo Rankine a vapore, il cui rendimento massimo è limitato dalla seconda legge della termodinamica e dal ciclo di Carnot. Il rendimento elettrico totale, delle centrali che utilizzano carbone come combustibile, può essere migliorato impiegando cicli di potenza alternativi e approcci ibridi, come testimoniano diversi studi. Alcuni di questi si concentrano sul miglioramento del ciclo base di potenza attraverso: le tecnologie di gassificazione integrate con celle a combustibile; la tecnologia di chemical looping; i sistemi di generazione magnetoidrodinamica (MHD); e quelli basati su i cicli di potenza con turbine a gas e combustione indiretta di carbone. Altri studi, invece, esaminano la possibilità di sostituire l’acqua, come fluido di lavoro, al fine di ridurre le perdite parassite intrinseche. Anche i sistemi basati su un ciclo Brayton, che impiega anidride carbonica supercritica, sono stati oggetto di numerosi studi e ricerche; mentre sono ancora in fase di studio i cicli bottoming e topping che permettono di estrarre energia supplementare dal processo.
Questo report esamina le attività di ricerca e sviluppo e i recenti progressi sui cicli energetici innovativi e alternativi al convenzionale ciclo Rankine a vapore. Il raggiungimento di un maggior rendimento nella conversione di energia in prodotti come elettricità, gas combustibile sintetico e idrogeno, pur mantenendo basse le emissioni di inquinanti, rappresenta una grande sfida per la conversione dei combustibili fossili e in particolare modo per il carbone che possiede la più alta percentuale in carbonio tra le risorse energetiche fossili disponibili.
Al momento, quasi tutte le centrali elettriche a carbone producono energia tramite il ciclo Rankine a vapore e il rendimento di tale ciclo ha subito un incremento costante nel corso della storia del settore della generazione elettrica. Il progresso tecnologico, infatti, ha portato ad un miglioramento nella combustione, allo sviluppo delle tecnologie di essiccamento del carbone, all’introduzione di controlli avanzati, alla riduzione della domanda di energia elettrica ausiliaria, al miglioramento dell’aerodinamicità della turbina a vapore, al recupero di calore dai fumi di combustione, etc.
In questo momento, le centrali elettriche a carbone ultrasupercritiche (USC) possono raggiungere un rendimento energetico netto intorno al 45% (LHV) e sono in corso attività di R&D per lo sviluppo di una tecnologia ultrasupercritica avanzata (A-USC) che impieghi vapore sopra i 700°C, con l’obiettivo di un rendimento energetico intorno al 50% (LHV, netto). Tuttavia, il rendimento massimo del ciclo Rankine è limitato dalla seconda legge della termodinamica e dal rendimento di Carnot, e considerando lo stato attuale delle tecnologie sarà difficile e a costi particolarmente elevati ottenere un ulteriore incremento sostanziale. Per tale motivo i ricercatori hanno rivolto la propria attenzione allo sviluppo di sistemi alternativi: obiettivo generale di questi studi è garantire un utilizzo del carbone più efficiente, economico, flessibile e pulito dal punto di vista ambientale.

Le celle a combustibile (FC, fuel cell) sono dispositivi elettrochimici che convertono l’energia chimica dei combustibili direttamente in energia elettrica (e calore), e quindi possono produrre energia con alto rendimento e basso impatto ambientale. Attualmente sono in fase di sviluppo, cinque principali tipi di celle a combustibile e tra queste le fuel cell ad ossidi solidi (SOFC) e le fuel cell a carbonati fusi (MCFC) sono quelle in grado di operare ad alta temperatura, offrendo una migliore integrazione termica con i sistemi di gassificazione del carbone. Decenni di attività di ricerca e sviluppo hanno portato vantaggi considerevoli alla tecnologia delle fuel cell, in relazione alla struttura della cella, alla progettazione dei diversi componenti, ai materiali, alle performance e alla riduzione dei costi. Più recenti risultano i progressi nello sviluppo della cella a combustibile ad iniezione diretta di carbonio (DCFC), che impiega un combustibile solido (carbonio) e converte l’energia chimica del carbonio direttamente in elettricità evitando la gassificazione. Le fuel cell sono ancora in fase di sviluppo ma stanno iniziando ad emergere nel mercato. Quando le SOFC e MCFC vengono accoppiate alla gassificazione del carbone si ottengono le migliori caratteristiche per competere con il grande mercato energetico. Sono state proposte e studiate diverse configurazioni dei sistemi di gassificazione integrata con fuel cell (IGFC). I risultati delle analisi tecnico-economiche dei sistemi IGFC proposti, indicano che tutti questi sistemi possono potenzialmente raggiungere un alto rendimento energetico ed eccellenti performance ambientali. I sistemi IGFC sono capaci di raggiungere elevate efficienze di cattura della CO2 (sopra il 99%) con una bassa perdita energetica.

IGFC

Figura 1: Flow sheet di un sistema di generazione di energia IGFC alimentato a carbone

Parecchi studi hanno mostrato che i sistemi IGFC con la cattura della CO2potrebbero raggiungere alti rendimenti netti d’impianto, compresi tra il 40% e il 56%. Questo risultato è paragonabile o superiore al rendimento degli impianti supercritici a combustione di carbone polverizzato (SC PCC) e a ciclo combinato con gassificazione integrata (IGCC) senza cattura. Le centrali elettriche a ciclo semplice con fuel cell alimentate a gas sono già in commercio in molte parti del mondo, mentre i sistemi energetici a fuel cell basate sul carbone sono ancora in fase di sviluppo. L’azienda giapponese J-Power prevede di dimostrare il sistema IGFC con sistemi di della CO2cattura nella terza fase del progetto dimostrativo Osaki CoolGen a partire dal 2021.

Un generatore di energia magnetoidrodinamica (MHD) è un dispositivo che genera energia elettrica mediante l’interazione di un fluido convettivo in movimento (solitamente un gas ionizzato o plasma) e un campo magnetico. Il generatore MHD converte l’energia termica di un combustibile direttamente in energia elettrica. A partire dal 1970, diversi Paesi hanno intrapreso programmi di ricerca MHD con particolare attenzione all’uso del carbone come combustibile. Tuttavia, a causa di alcuni problemi tecnici, alti costi, concorrenza tra i progressi delle turbine a gas e i tagli dei budget del governo, il lavoro R&D è stato interrotto. Gli sviluppi tecnologici recenti, ossia la produzione di materiali avanzati, il processo di ossi-combustione e le simulazioni al computer, risultano utili per “rinnovare” l’interesse verso tale sistema di generazione di energia. In particolare,esistono modelli computerizzati stabiliutilizzati per le analisi tecnico-economiche dei cicli energetici MHD e per ottimizzarne le condizioni operative. Il sistema MHD opera ad alte temperature e quindi può potenzialmente raggiungere rendimenti più alti delle centrali elettriche a vapore convenzionali. Sono stati sviluppati e studiati diversi concetti di centrale elettrica a ciclo combinato MHD a carbone che potenzialmente possono raggiungere un rendimento d’impianto di 45-55%, con la possibilità di un incremento fino al 60%. Inoltre, tali sistemi possiedono buone performance ambientali e sono compatibili con i sistemi CCS. Sono stati proposti e studiati una serie di concetti di generazione di potenza MHD basati sul carbone, come il ciclo combinato MHD-vapore alimentato a carbone e la centrale elettrica MHD a ciclo chiuso alimentata a carbone in due loop.

Il ciclo combinato alimentato indirettamente a carbone (IFCC) utilizza un ciclo topping Brayton a gas e un ciclo bottoming Rankine a vapore con aria purificata (fluido di lavoro) per raggiungere alti rendimenti e basse emissioni. In questo ciclo di potenza, sviluppato negli USA come parte del programma US DOE’s Combustion 2000, l’aria compressa viene alimentata in un forno avanzato ad alta temperatura a carbone, evitando il contatto con l’ambiente corrosivo che si forma durante la combustione. Il gas naturale o il gas combustibile che deriva dal carbone pulito viene usato per aumentare la temperatura dell’aria al valore desiderato in ingresso alla turbina. L’aria pressurizzata e riscaldata viene poi fatta espandere in una turbina a gas. Il calore viene recuperato tra i fumi di combustione del forno e il gas di scarico della turbina, per alimentare un ciclo Rankine convenzionale a vapore massimizzando la produzione di energia elettrica. Il concetto d’impianto HIPPS (sistema di generazione di potenza ad alta performance alimentato a carbone) può essere applicato alle nuove centrali a carbone o adattato per il ripotenziamento delle centrali a carbone esistenti. Inoltre, con la centrale elettrica HIPPS è potenzialmente possibile raggiungere emissioni quasi nulle di gas serra e di contaminanti convenzionali. Uno dei metodi per raggiungere questi obiettivi è l’impiego di cicli ibridi integrando il sistema con il ciclo Brayton o con le fuel cell ad alte temperature.

Il ciclo energetico dell’anidride carbonica supercritica (sCO2) è una tecnologia alternativa che può potenzialmente raggiungere un più alto rendimento termico rispetto al ciclo Rankine a vapore. Un ciclo sCO2 impiega turbomacchine estremamente compatte grazie all’alta densità della CO2 supercritica e può portare a minori costo di investimento, oltreché a minori costi operativi e di manutenzione (O&M) della centrale elettrica a ciclo di CO2. Il ciclo Kalina utilizza un fluido di lavoro multicomponente con differenti punti di ebollizione, mentre l’ORC (ciclo Rankine organico) usa fluidi di lavoro organici con bassi punti di ebollizione. Sia il ciclo Kaline che il ciclo ORC presentano prestazioni migliori rispetto al ciclo Rankine a vapore quando operano con sorgenti di calore a bassa e media temperatura, e hanno trovato applicazioni in diverse aree come il recupero di calore residuo, il settore geotermico e solare termico e nelle centrali elettriche a biomassa. Inoltre, possono essere potenzialmente integrate, come un ciclo bottoming, con un ciclo Rankine a vapore per aumentare il rendimento netto di una centrale elettrica a vapore. Diverse aziende stanno introducendo nel mercato i sistemi di energia sCO2. Un motore termico che recupera calore residuo sCO2 è stato sviluppato dalla Echogen Power Systems LLC (USA) ed è commercialmente disponibile. NET Power ha recentemente annunciato che costruirà un impianto dimostrativo sCO2 da 50 MWth alimentato a gas. I sistemi di energia sCO2 basati sul carbone sono attualmente in fase di sviluppo.

La combustione in chemical looping (CLC) è una forma indiretta di combustione nel quale materiali solidi contenenti ossigeno, tipicamente metalli ossidi, forniscono l’ossigeno al combustibile, e il “carrier” di ossigeno consumato viene rigenerato separatamente dall’aria ad alta temperatura. Quando è presente un contatto diretto tra l’aria e il combustibile, la CLC produce uno stream di CO2 e vapore acqueo da cui è possibile recuperare facilmente la CO2 senza il bisogno di impiegare energia supplementare per la separazione. La CLC minimizza anche la formazione di ossidi di azoto (NOX). Negli ultimi decenni è stata effettuata un’intensa ricerca sulla CLC in relazione allo sviluppo dei vettori di ossigeno, alle reazioni cinetiche, alla progettazione del reattore, al rendimento del sistema, e ai diversi prototipi testati. Attualmente, sono in fase di sviluppo diversi processi CLC alimentati a syngas. Sono in fase di sviluppo anche processi di gassificazione di carbone in chemical looping, per la produzione di elettricità, H2 o syngas caratterizzati da alta flessibilità e integrabili con sistemi di generazione alternativi come le fuel cell. In funzione del tipo di processo sono state proposte e studiate varie configurazioni di centrali elettriche basate sulla chemical looping combustion. Tutti i recenti studi indicano che rispetto agli impianti PCC e ossi-PCC con sistemi di cattura della CO2, le centrali elettriche basate sul chemical looping possono portare ad un maggior rendimento, ad un alta efficienza di separazione dell’anidride carbonica, ad una perdita energetica per la cattura della CO2 notevolmente più bassa e a costi ridotti. La CLC applicata a sistemi esistenti già commerciali, potrebbe rivoluzionare la produzione di energia basata sul carbone. Le ricerche più recenti sulla CLC hanno evidenziato non solo vantaggi ma anche diverse problematiche che necessitano di ulteriori studi.

Negli ultimi tempi sono stati sviluppati diversi progetti sulle centrali elettriche ibride carbone-solare, capaci di integrare l’energia solare con sistemi energetici a carbone. L’energia termica solare può essere impiegata per produrre, vapore ad alta temperatura e alta pressione che può poi integrare il ciclo energetico principale a vapore e quindi ridurre il consumo di carbone nella produzione di energia elettrica. Il vapore generato dall’energia solare può essere usato per azionare la turbina a vapore, o può sostituire il vapore in uscita dalla turbina per riscaldare l’acqua in alimento al ciclo. In alternativa, l’energia termica solare può essere utilizzata per preriscaldare l’aria di combustione. Le tecnologie standard/già in commercio vengono impiegate nei sistemi di energia ibridi solare-carbone in modo tale che non risulti necessario uno sviluppo tecnologico, e questo avvantaggia le aziende che sono incentivate a produrre più energia rinnovabile con risparmi significativi sui costi. Inoltre, la riduzione del consumo del carbone si riflette sulle emissioni di CO2 e di contaminanti nell’aria. È anche possibile adattare gli impianti ibridi solare-carbone in centrali elettriche a carbone esistenti.
Attualmente, il carbone fornisce circa il 40% dell’energia prodotta a livello mondiale e continuerà a giocare un ruolo importante nel prossimo futuro. Pertanto le tecnologie basate su sistemi di generazione di energia alternativi avranno in futuro un impatto rilevante sulla produzione di energia elettrica dal carbone traducendosi in minori costi operativi e di investimento, minori perdite di efficienza del processo e un più ridotto impatto ambientale. FDessì