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La maturità tecnologica dei sistemi avanzati di generazione elettrica da carbone

CCC/292

Febbraio 2019

Lesley Sloss

Lo sviluppo di tecnologie per la produzione di energia sempre più efficienti e pulite è un obiettivo comune per limitare l’aumento della temperatura globale entro 1.5 °C, come previsto dall’accordo di Parigi. Nonostante molti paesi stiano puntando alla totale rimozione degli impianti a carbone esistenti, il suo impiego offre ai paesi in via di sviluppo l’opportunità di produrre energia a basso costo. In queste realtà l’utilizzo del carbone come combustibile è subordinato allo sviluppo delle tecnologie di generazione di energia ad alta efficienza e a emissioni ridotte o nulle (HELE: High Efficiency Low Emissions).

Lo sviluppo di sistemi avanzati di generazione di energia basati sul carbone, incontra due ostacoli, dal momento della loro concezione alla commercializzazione: il primo dovuto alla transizione dalla teoria alla ricerca di base (laboratorio o piccolo impianto pilota); il secondo riguarda lo scale-up dall’impianto pilota a quello dimostrativo. Il problema principale riguarda l’investimento economico necessario per lo scale-up, ritenuto in molti casi altamente rischioso e per questo non supportato dalle istituzioni o dagli investitori privati. Per tale ragione, non tutte le soluzioni messe a punto in fase di ricerca di base riescono a superare gli ostacoli per una commercializzazione su larga scala.

Esistono tecnologie emergenti a basse emissioni ed elevate efficienze che prevedono l’uso del carbone per produrre elettricità. Spesso questi impianti sono affiancati da unità di cattura, stoccaggio e riutilizzo della CO2, per la produzione di prodotti chimici di diversa natura. Sebbene fortemente richieste dal mercato, molte di queste tecnologie risultano ancora in fase di sviluppo per l’elevato grado di rischio nell’investimento.

Tra le tecnologie emergenti, la generazione di energia avanzata ultrasupercritica (AUSC) è considerata uno sviluppo delle centrali convenzionali a carbone polverizzato subcritico, ormai datate e inefficienti. Rispetto alle AUSC, attraverso le quali si può raggiungere un’efficienza pari o superiore al 50%, le tradizionali centrali a carbone polverizzato raggiungono circa il 39 % di efficienza. Le AUSC, per raggiungere livelli di efficienza del 50%, lavorano a temperature e pressioni elevate (27.6–34.5 MPa e 700-760°C) ed è proprio per queste condizioni di esercizio estreme e per la mancanza di materiali in grado di sopportare tali stress, che attualmente non esistono impianti AUSC in fase di progettazione o di realizzazione. La ricerca scientifica e i maggiori investimenti economici si concentrano nello sviluppo di materiali avanzati capaci di resistere a stress termici e meccanici richiesti.

La tecnologia IGCC (gasificazione a ciclo combinato) produce energia sia dal calore di gasificazione del carbone che dalla combustione del syngas prodotto. La costruzione degli impianti con tecnologia IGCC è costosa, sebbene offra dei vantaggi economici nella cattura, riutilizzo e stoccaggio della CO2 (CCUS), qualora questa soluzione fosse richiesta dal mercato. In questo ambito esistono diversi progetti non portati a compimento, anche se due di recente costruzione (in Giappone e in Cina) sono stati sviluppati con successo. L’impiego delle tecnologie IGCC è spesso penalizzato da un ingente costo legato all’investimento iniziale e sono legate al prezzo che il carbone ha sul mercato.

Attualmente sono in fase di sviluppo otto impianti IG-FC nei quali la gasificazione è combinata a celle a combustibile, integrati con CCS, e quattro ossi-IGCC che raggiungono efficienze tra il 42%. Entro il 2025 si prevede di raggiungere valori di efficienza superiori al 60%, attraverso lo sviluppo di centrali a ciclo continuo con turbine a gas combinate con celle a combustibile.

L’ossicombustione offre un evidente vantaggio in eventuali applicazioni di unità CCUS, dato che, una volta attraversato lo scrubber, i gas in uscita sono costituiti esclusivamente da CO2. Tuttavia solo in alcuni casi sono stati installati impianti su scala pilota, che continuano ad avere problemi nell’unità di trattamento dei gas. Attualmente la richiesta di energia di questi sistemi annulla il vantaggio in termini di efficienza dell’ossicombustione, escludendo il vantaggio commerciale che potrebbe derivare dall’integrazione con unità CCS.

Come per la tecnologia IGCC, la spesa extra per questo tipo di approccio è economicamente vantaggiosa solo se vi è una remunerazione attraverso i crediti di carbonio, le vendite di CO2 o la presenza di unità di cattura e trasformazione della CO2 (CCUS).

I sistemi a CO2 supercritica (sCO2) sfruttano la fluidodinamica della sCO2 per azionare in maniera più efficiente le turbine, rispetto a quanto non sia in grado di fare il vapore. La CO2 supercritica può derivare da cicli chiusi, indiretti o può essere prodotta dai gas di combustione di un impianto di ossicombustione.

Il ciclo Allam, attualmente testato in Texas, è un sistema che prevede l’utilizzo di sCO2, che può portare ad un aumento di efficienza di qualche punto percentuale e allo stesso tempo consente di ottenere gas in uscita costituiti quasi esclusivamente da CO2 pura. L’elevata efficienza, le dimensioni ridotte e il layout semplice della tecnologia sCO2 accoppiata con altri sistemi possono portare a una riduzione dei costi e a una diminuzione nelle emissioni di gas serra.

Dalla gasificazione del carbone negli impianti di poligenerazione è possibile ottenere contemporaneamente sia prodotti chimici che elettricità. Impianti che forniscono energia o prodotti chimici in stadi separati sono già commercialmente disponibili; è la combinazione di questi due processi in un impianto flessibile che causa qualche difficoltà. Un impianto di poligenerazione può produrre elettricità quando il suo costo è elevato, e cambiare la produzione verso i prodotti chimici o syngas quando il costo per questi aumenta.

Nella pratica, la spesa extra e la complessità di questi impianti scoraggiano gli investitori che potrebbero dirottare gli investimenti nel medio termine verso prodotti più redditizi. Di fatto, gli impianti di poligenerazione sono stati dapprima installati, poi abbandonati e infine riconvertiti in impianti di generazione di energia o di prodotti chimici. Questo non significa che non possano essere commercialmente vantaggiosi ma necessitano di valutazioni caso per caso. Per esempio, in Pakistan dove il carbone ha un prezzo relativamente basso e dove sono necessari sia energia che prodotti chimici, è ragionevole pensare che un impianto di poligenerazione possa avere successo.

Oltre ad una valutazione geografica, rendere questi impianti economicamente vantaggiosi è possibile integrando questa tecnologia con fonti rinnovabili. Sistemi ibridi nei quali l’energia solare è utilizzata per il preriscaldamento dell’acqua in ingresso nell’impianto, risultano tecnicamente fattibili.

Il Chemical looping combustion (CLC) è un sistema alternativo di generazione di energia dal carbone. L’ossigeno contenuto nell’aria viene trasferito al combustibile attraverso un trasportatore di ossigeno allo stato solido, il quale circola tra i due reattori a letto fluidizzato interconnessi tra loro. Le particelle di solido circolano attraverso il circuito, vengono ossidate dall’aria e successivamente passando attraverso la zona contenente il combustibile, si riducono a scapito del materiale usato come fonte di carbonio (gas, carbone, idrocarburi in generale). N2 e O2 sono spesso presenti nei gas di scarico di molti impianti e ciò rende il CLC adatto per applicazioni CCUS.

La tecnologia CLC basata sull’utilizzo del carbone come combustibile, vista la complessità delle reazioni chimiche coinvolte, ha trovato realizzazione solo in piccoli impianti pilota in particolare negli Stati Uniti. GE, Almston e Los Alamos National Laboratories, hanno lavorato per la realizzazione di impianti su scala pilota utilizzando CaSO4 e FeO2 come trasportatori di ossigeno, testando lignite e antracite come combustibili.

La ricerca scientifica sulla tecnologia CLC in Europa è interessata allo sviluppo e al test di potenziali trasportatori di ossigeno all’interno del circuito. Trovare un materiale economico che sia reattivo e che risulti stabile al trasporto sembra essere difficoltoso.

Un altro sistema alternativo di generazione di energia è il cosiddetto sistema ibrido. In questo caso, si utilizza il calore generato da una fonte rinnovabile che viene alimentata in un impianto che brucia carbone. La fonte rinnovabile può essere utilizzata direttamente per fornire energia all’interno del ciclo, sia come calore che come elettricità. In un impianto convenzionale a carbone, il vapore generato da un’unità fotovoltaica può essere canalizzato direttamente all’interno delle turbine.

I sistemi ibridi solare-carbone offrono la possibilità di integrare gli impianti a carbone già esistenti e contemporaneamente garantiscono la possibilità di ridurre le emissioni di gas in atmosfera. I tentativi per integrare un impianto a carbone con una fonte rinnovabile sono stati abbandonanti negli Stati Uniti e in Cile. In Europa e in Cina, sebbene siano stati considerati alcuni progetti con sistemi ibridi, al momento nessuno di questi è in fase di sviluppo. L’unico Paese con un progetto di tecnologia ibrida attivo è l’India. Nell’impianto Dadri l’energia solare termica è utilizzata per somministrare calore all’acqua nell’impianto a carbone esistente.

Gran parte dei sistemi elencati mirano a migliorare le efficienze, ridurre il più possibile le emissioni, sino a raggiungere emissioni zero, ridurre il consumo di acqua e a produrre CO2 quanto più pura possibile, per poterla utilizzare nelle unità CCUS.

La realizzazione di alcuni progetti basati sull’uso del carbone può attrarre le banche e gli investitori verso queste tecnologie: al crescere del numero di impianti avanzati e dell’esperienza, il rischio sugli investimenti sarà percepito come inferiore. Sino ad allora, l’installazione di impianti con questi avanzamenti tecnologici sarà  vista come rischiosa.

Un altro ruolo importante nello sviluppo di queste tecnologie all’interno del mercato energetico è dato dai sussidi forniti dalle istituzioni. Tuttavia, al momento il sostegno finanziario per la cattura e/o l’utilizzo della CO2 è insufficiente per controbilanciare la costruzione di nuove strutture o i costi operativi necessari per impianti più efficienti.

Resta viva l’esigenza di sistemi più flessibili in grado di fornire energia intermittente: se l’energia a base di carbone deve essere la risposta alla domanda di energia quando le fonti rinnovabili non sono disponibili, allora i prezzi e le tariffe dell’energia devono premiare questa flessibilità.
Il carbone può fornire nel futuro energia a emissioni quasi-zero, ma per raggiungere questo obiettivo sono necessari investimenti per portare queste nuove tecnologie dalla teoria alla pratica. SLai