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CCC/260

Integrazione termica negli impianti termoelettrici con cattura della CO2
Colin Henderson

Il rendimento degli impianti termoelettrici è legato fortemente alla sezione di cattura della CO2, che riduce di parecchio sia l’efficienza che l’energia elettrica netta prodotta.
Questo studio focalizza la sua attenzione sulla tecnologia di cattura della CO2 in post combustione, attraverso l’utilizzo di solventi in grado di separare l’anidride carbonica dalle altre sostanze presenti nei fumi.
Per ridurre il fabbisogno energetico del sistema di cattura vengono testati diversi solventi. Tra questi, al momento, quello tecnologicamente più maturo e diffuso (in più settori industriali) è la monoetanolammina (MEA) in soluzione acquosa. Questo tipo di solvente richiede molta energia per la sua rigenerazione che avviene a circa 120°C.
Il sistema di cattura della CO2 in un impianto ultra-supercritico (USC) può ridurre l’efficienza fino al 30% ma il più delle volte si attesta attorno al 12-13%.
Diversi gruppi di ricerca hanno focalizzato i loro studi sulla riduzione del consumo energetico del sistema di cattura, attraverso l’integrazione termica dell’impianto di cattura con il ciclo a vapore.
Alcuni studi sono stati condotti impiegando codici di calcolo in grado di simulare l’impianto termoelettrico e il sistema di cattura. Dalle simulazioni è emerso che vi sono diverse correnti di calore a bassa temperatura, ma solo una parte di esse si prestano a essere impiegate nel processo, al fine di ridurne il consumo energetico.
Altro parametro importante, per quanto riguarda il recupero dell’energia termica è la temperatura ambiente in cui opera l’impianto: tanto è maggiore la temperatura ambiente tanto è minore la possibilità del recupero del calore a bassa temperatura. Va comunque evidenziato che all’aumentare della temperatura ambiente si riducono le dissipazioni termiche dell’intero impianto.
Le simulazioni condotte hanno dimostrato che in un impianto USC alimentato a polverino di carbone sub-bituminoso, e dotato di sezione di cattura della CO2 integrata termicamente con il ciclo a vapore, la riduzione dell’efficienza dell’impianto termoelettrico si riduce a soli 8 punti percentuali.
Un’altra fase fortemente energivora del processo è la compressione della CO2 catturata fino alle condizioni supercritiche per essere poi inviata al sito di stoccaggio. Questa fase consiste in una compressione multistadio interrefrigerata, che sviluppa molto calore, ma a bassa temperatura. La grande abbondanza di energia termica di basso pregio può rendere conveniente l’impiego di pompe di calore al fine di rendere disponibile il calore per altri processi che richiedono energia termica a temperature maggiori.
Notevole interesse da parte della comunità scientifica è rivolto verso lo sviluppo di scambiatori di calore ad alta efficienza (ossia in grado di massimizzare lo scambio termico). A tal proposito si stanno cercando di realizzare scambiatori di calore a micro pori, in grado di minimizzare la differenza di temperatura tra i fluidi. Questo tipo di tecnologia è ancora lontana da trovare applicazioni su larga scala.
Altro versante in cui si possono conseguire risparmi energetici è lo sviluppo di nuovi sistemi di compressione. Esempio: un impianto alimentato a carbone con una potenza elettrica netta di 400MWe richiede un compressore con una potenza di circa 30MWe. Per ridurre il fabbisogno energetico del compressore sono stati sviluppati compressori come quello mostrato in figura 1.

compressore

Figura 1 Schema del sistema di compressione Ramgen.

Questo tipo di compressore può raggiungere rapporti di compressione di 1:10 e di conseguenza sono necessari solo due stadi di compressione per raggiungere le condizioni supercritiche dell’anidride carbonica. La temperatura della CO2 all’uscita dei compressori raggiunge circa i 200°C. Questa corrente calda può preriscaldare per esempio l’acqua di alimento o fornire il calore necessario alla rigenerazione dei solvente.
Questo tipo di compressore si rivela molto più compatto e costa meno rispetto alle tecnologie classiche di compressione (compressori assiali e centrifughi).
Sono stati condotte anche simulazioni per capire le prestazione degli impianti di ultima generazione A-USC (Advanced Ultra-SuperCritical) dotati dell’impianto di cattura dell’anidride carbonica.
È emerso che il rendimento dell’impianto si riduce di circa il 10.5%-10.7% rispetto allo stesso impianto non dotato della sezione di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica.
In conclusione, i solventi a base di ammine restano i più conosciuti e impiegati, ma richiedono molta energia termica per la loro rigenerazione. Dall’integrazione termica di tutti i componenti dell’impianto termoelettrico si possono conseguire risparmi energetici che però implicano una maggiore complessità dell’impianto. Diventa così necessario sviluppare solventi che richiedano meno energia per la loro rigenerazione, che siano economici e performanti in termini di reattività e selettività rispetto al gas da catturare. APorcu