La generazione elettrica da carbone attraverso cicli a CO2 supercritica

Il presente lavoro descrive il sistema di conversione dell'energia basato sul ciclo Brayton a CO2 supercritica (sCO2), applicato alla generazione elettrica da combustibili fossili

Date:
07 June 2018

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CCC/280

Qian Zhu

Il presente lavoro descrive il sistema di conversione dell'energia basato sul ciclo Brayton a CO2 supercritica (sCO2), applicato alla generazione elettrica da combustibili fossili, in particolare da carbone, riportandone i recenti sviluppi.

Il ciclo di potenza sCO2 rappresenta un concetto innovativo: utilizza l’anidride carbonica allo stato supercritico come fluido di lavoro in un ciclo Brayton chiuso o semi-chiuso.

Questi cicli di potenza presentano diversi vantaggi, come un’alta efficienza termica (superiore al 50%), contenute dimensioni dell’impianto (e quindi inferiori costi capitali) e potenzialità nell’ambito della cattura dell’anidride carbonica. La massimizzazione di questi vantaggi dipenderà da come verranno intraprese le differenti sfide riguardanti progettazione, tecnologie e materiali, che l’implementazione di tale sistema impone. Diversi significativi progressi sono stati fatti nello sviluppo di piccoli sistemi a bassa temperatura, ormai emergenti nel mercato, ed un impianto dimostrativo alimentato a gas naturale è attualmente in fase di costruzione. Se questa promettente tecnologia maturerà con successo, potrà indirizzare il cambiamento radicale dell’industria della generazione di potenza.

Un fluido supercritico descrive qualsiasi sostanza che si trovi alle condizioni di temperatura e pressione al di sopra del suo punto critico, in cui le fasi liquida e gassosa non risultano più distinguibili. La CO2 supercritica ha diverse proprietà che la rendono un fluido di lavoro ideale. Essa non è esplosiva, infiammabile, tossica ed è facilmente reperibile a basso costo. Piccole variazioni di temperatura vicino al punto critico causano variazioni di densità, similmente alle condizioni di ebollizione in corrispondenza delle quali un liquido si trasforma in vapore. Il cambiamento di densità, tuttavia, è solo di un fattore di tre o quattro, non di mille, come quando l'acqua diventa vapore a pressione atmosferica. La capacità termica del fluido in prossimità del punto critico, è inoltre molto elevata. Tutte queste proprietà rendono la CO2 supercritica un fluido di lavoro ideale per l’applicazione in cicli Brayton.

Il ciclo sCO2 funziona in una singola fase senza condensazione. La CO2 ha una pressione critica e una temperatura critica relativamente basse, rispettivamente pari a 7,4 MPa e 31 ° C. Di conseguenza il fluido può essere compresso e riscaldato ad uno stato supercritico prima dell'espansione. In un motore termico, ciò facilita una buona corrispondenza tra il calore nel ciclo e la fonte di calore. La maggiore densità energetica dell’sCO2 rispetto ad altri fluidi di lavoro, comporta la notevole riduzione delle dimensioni della maggior parte dei componenti del sistema, come la turbina e la pompa, portando ad inferiori ingombri d’impianto e più esigui costi capitale.

Sono stati studiati due principali approcci relativi ai cicli di alimentazione per la generazione di energia elettrica: cicli di Brayton chiusi a riscaldamento indiretto e cicli di ossi-combustione semichiusi a combustione diretta.

Cicli Brayton sCO2 ad anello chiuso e riscaldamento indiretto

Un ciclo di Brayton sCO2 a ciclo chiuso e riscaldamento indiretto è applicabile alla maggior parte delle fonti di energia termica, come nucleare, solare, geotermia, combustibili fossili e rifiuti.

Ciclo Brayton closed-loop

[caption id="attachment_8726" align="alignleft" width="300"] Figura 1 - Ciclo Brayton indiretto, closed-loop.[/caption]

La figura 1 mostra il diagramma di un semplice ciclo Brayton a ciclo chiuso. La CO2 viene riscaldata indirettamente da una fonte di calore attraverso uno scambiatore di calore (riscaldatore). Durante l’espansione della CO2 in turbina avviene la cessione di energia al sistema. La CO2 uscente dalla turbina viene quindi raffreddata in un refrigeratore alla temperatura desiderata per l'ingresso al compressore. Avvenuta la compressione, la CO2 viene inviata al riscaldatore per la chiusura del ciclo. L'efficienza del ciclo è funzione del rapporto tra le pressioni in ingresso e in uscita dalla turbina e della temperatura di ingresso in turbina (TIT). Inoltre essa è fortemente dipendente dalla pressione minima del ciclo. Ad esempio, ponendo una TIT di 700 °C e pressione di uscita dalla turbina di circa 8,27 MPa, questo ciclo permetterebbe di ottenere un rendimento massimo del 34,5%.

Ciclo Brayton closed loop con recupero

[caption id="attachment_8727" align="alignleft" width="300"] Figura 2 - Ciclo Brayton indiretto, closed-loop, con recupero.[/caption]

Una versione più avanzata del ciclo Brayton a combustione indiretta incorpora il recupero termico. In questo ciclo, vengono introdotti uno o più scambiatori di calore tra lo scarico della turbina e lo scarico del compressore.

L'introduzione di un recuperatore, attraverso il quale una parte del calore sensibile disponibile allo scarico della turbina possa essere utilizzato per preriscaldare il fluido di lavoro prima di entrare nel riscaldatore, migliora l'efficienza del ciclo riducendo la perdita di calore nel refrigeratore.

Uno svantaggio di questo approccio è rappresentato dal fatto che, poiché in prossimità del suo punto critico la capacità termica della CO2 aumenta significativamente con l'aumentare della pressione, la capacità termica sul lato a bassa pressione del recuperatore risulta molto inferiore a quella sul lato ad alta pressione. Facendo funzionare le pressioni del ciclo in questa regione risulta limitata la temperatura della CO2 ad alta pressione che lascia il recuperatore, riducendo in tal modo l'efficienza di recupero.

Ciclo Brayton a ciclo chiuso a ricompressione con recupero

[caption id="attachment_8728" align="alignleft" width="300"] Figura 3 - Ciclo di Brayton a ricompressione.[/caption]

La figura 3 mostra Lo schema di un ciclo Brayton sCO2 a riscaldamento indiretto e recupero e ricompressione. Le differenze con il ciclo a semplice recupero risiedono a valle del punto H in figura. Nel ciclo a ricompressione, il flusso di CO2 a bassa pressione che esce dal recuperatore è diviso in due. Una parte viene mandata al refrigeratore e poi inviata al compressore principale prima di essere riscaldata nel recuperatore di bassa temperatura.

L'altro flusso bypassa il refrigeratore di CO2 e viene portato alla pressione massima del ciclo. Viene quindi miscelato con la corrente uscente dal recuperatore a bassa temperatura e mandato, attraverso il recuperatore ad alta temperatura, verso il riscaldatore.

Questa configurazione permette il raggiungimento di una più elevata efficienza di recupero (e quindi del ciclo), tuttavia la sua complessità comporta costi più elevati, in particolare a causa della necessità di un compressore aggiuntivo, oltre che un incremento della quantità di energia richiesta per la compressione di CO2.

Al rapporto di pressione ottimale per la massima efficienza del ciclo, l'efficienza del ciclo a ricompressione risulta essere superiore di oltre il 5% rispetto a quella del ciclo semplicemente recuperato.

Cicli Brayton semi-chiusi con ossi-combustione Il diagramma di un ciclo sCO2 semichiuso ad ossicombustione diretta semplificato è mostrato nella figura seguente. Il riscaldatore di CO2 viene sostituito con un combustore a ossicombustione pressurizzato. Il combustibile viene bruciato nel combustore in condizioni quasi stechiometriche di ossigeno relativamente puro ed il flusso risultante, che contiene principalmente CO2 e H2O, viene inviato in turbina per la produzione di lavoro. Il calore contenuto nel gas in uscita dalla turbina viene recuperato ed il flusso ulteriormente raffreddato per la condensazione dell'acqua. In tal modo si ottiene un flusso ad alta concentrazione di CO2. Una porzione di questo viene compresso ed inviato al recuperatore per essere preriscaldato e quindi riciclato nel combustore come diluente. Il resto della CO2 è invece pronto per essere compresso per le operazioni di storage.

[caption id="attachment_8729" align="alignleft" width="300"] Figura 4 - Ciclo Brayton semi-chiuso con ossicombustione diretta semplificato.[/caption]

Questo tipo di ciclo è particolarmente adatto alla ossicombustione di combustibili gassosi come gas naturale o syngas derivato ​​dalla gassificazione del carbone, in particolare quando è richiesta la cattura dell’anidride carbonica. Poiché in un ciclo sCO2 a combustione diretta si può ottenere un TIT molto più alto, l’efficienza risulta significativamente maggiore rispetto a quella dei cicli chiusi a riscaldamento indiretto. La configurazione del ciclo può inoltre essere più semplice poiché non sono necessarie la ricompressione e le altre misure generalmente utilizzate per massimizzare l'efficienza.

I cicli a CO2 supercritica nelle applicazioni per la generazione di energia.

La Tabella seguente riassume le potenziali aree di applicazione e i vantaggi di questi sistemi.

In futuro i cicli a riscaldamento indiretto a carbone potrebbero utilizzare la combustione a polverino (PC) o la combustione a letto fluido circolante (CFB), mentre i sistemi a combustione diretta verrebbero applicati al gas di sintesi (syngas) derivante dalla gassificazione del carbone. Entrambi gli approcci hanno il potenziale per aumentare significativamente l'efficienza e ridurre il costo dell'elettricità. Un ciclo semichiuso di ossicombustione a combustione diretta permetterebbe di abbinare un'elevata efficienza dell'impianto alla cattura del carbonio. Nel caso del ciclo sCO2 chiuso con riscaldamento indiretto, l'aumento dell'efficienza compenserebbe la perdita di energia derivante dall’utilizzo di tecnologie CCS.

Principali vantaggi

Il principale vantaggio dei cicli sCO2 è l'elevata efficienza termica a temperature moderate dovuta al basso lavoro di compressione e alla grande quantità di calore allo scarico della turbina che viene recuperato e trasformato in energia. L’elevata densità di potenza comporta dimensioni più ridotte per tutti i componenti del sistema e costi capitale potenzialmente inferiori.

Il basso salto di pressione in turbina riduce il numero di stadi richiesti. Ricompressione, espansione e rigetto del calore avvengono in un'unica fase e la complessità del sistema risulta ridotta. Sono possibili inoltre minori costi operativi e di manutenzione perché non è più necessario il ricorso al personale per il trattamento dell'acqua e il controllo di qualità che si trovano tipicamente nelle centrali a vapore.

Nell'ultimo decennio, in tutto il mondo ed in particolare negli Stati Uniti, c’è stato un intenso lavoro di ricerca e sviluppo sulla tecnologia relativa alla CO2 supercritica; gran parte dello sforzo si è concentrato sullo sviluppo di turbomacchine, sui metodi di progettazione e costruzione di scambiatori di calore e sui test sui materiali.

Sfide Tecnologiche

Le principali sfide nello sviluppo di sistemi di generazione sCO2 derivano dai fattori che portano a una maggiore efficienza del ciclo, indispensabile per il successo commerciale degli stessi: scambiatori di calore, materiali compatibili con il funzionamento ad alta pressione e temperatura, integrazione termica e ottimizzazione a livello di ciclo e di processo.

In particolare, si prospetta la necessità di ulteriore lavoro di ricerca e sviluppo per i seguenti aspetti:

  • turbine a CO2: sviluppo del progetto e validazione delle prestazioni, selezione dei materiali, metodi di raffreddamento e rivestimento delle palettature per il funzionamento ad alta temperatura e resistenza a corrosione ed erosione;
  • recuperatori: sviluppo e ottimizzazione di progetti per componenti ad alta efficienza e perdite di carico minime, test sui materiali e processi di fabbricazione innovativi per recuperatori durevoli e a basso costo;
  • combustori: progettazione e test su combustori per ossicombustione e funzionamento ad alta pressione;
  • materiali: test per identificare materiali compatibili per il funzionamento ad alte temperature e alta pressione in cicli sCO2;
  • configurazione del ciclo: identificazione di layout ottimizzati per il ciclo di potenza sCO2;
  • modelli informatici: valutazione delle prestazioni e dei costi dei cicli sCO2 e dei singoli componenti.

I cicli sCO2 proposti hanno condizioni operative di picco rispettivamente di 500-700 °C / 20 MPa e di 1200 °C / 30 MPa per i casi con riscaldamento indiretto e diretto. Queste rappresentano delle condizioni operative molto critiche per i materiali costruttivi: pochi sono quelli ritenuti adatti ad applicazioni commerciali a lungo termine in tali condizioni; tra i principali candidati ci sarebbero leghe a base di Nichel. I materiali selezionati per i sistemi a vapore ultrasupercritici avanzati e le leghe utilizzate nelle turbine a gas convenzionali potrebbero rappresentare un buon punto di partenza ed essere utilizzabili a seconda del progetto. Numerosi test sono stati condotti in tutto il mondo, ma saranno necessari ulteriori sperimentazioni per comprendere al meglio le caratteristiche ed il comportamento dei materiali nelle condizioni considerate.

Sono state valutate diverse proposte per i cicli sCO2, ma è possibile che il ciclo ottimale non sia stato ancora identificato. Diversi progetti concettuali per impianti alimentati a carbone sono stati sviluppati ma la validità di questi deve essere ancora provata.

Un primo motore termico a ciclo Brayton SCO2 chiuso da 8 MW, sviluppato da Echogen Energy Systems, è stato immesso sul mercato nel 2014: può trasformare il calore residuo proveniente da diversi processi industriali in elettricità e funziona a temperature relativamente basse. La continua commercializzazione dei motori termici di Echogen indica la fattibilità tecnica ed economica dei cicli a CO2 supercritica per la produzione di energia.

Il lavoro più notevole nella ricerca del ciclo sCO2 semi-chiuso ad ossicombustione diretta e recupero è però rappresentato dallo sviluppo del ciclo Allam, che può raggiungere un'elevata efficienza dell'impianto con un’efficienza di cattura del carbonio prossima al 100%. Una centrale elettrica dimostrativa da 25 MWe basata su tale ciclo è in costruzione in Texas (USA). SMeloni

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