Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Maggiore flessibilità operativa e miglior ritorno economico
L. Mancuso - Foster Wheeler Italiana - Power Division
N. Ferrari - Foster Wheeler Italiana - Power Division
J. Davison - IEA Greenhouse Gas R&D Programme
Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia –11 Luglio 2011
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Premessa
IEA GHG R&D Programme
Organizzazione internazionale (19 nazioni, EC, OPEC e 25 sponsors)
finalizzata allo studio delle tecnologie per limitare le emissioni di gas serra
Background dello studio
Gli impianti di produzione d’energia elettrica devono necessariamente far
fronte alla richiesta variabile del mercato, alla luce anche di un incremento
significativo delle fonti rinnovabili
Anche gli impianti futuri con CCS dovranno rispondere a questa richiesta
Principali obiettivi
Identificare i maggiori fattori che limitano la flessibilità degli impianti CCS
Valutare la fattibilità tecno-economica di stoccaggio dell’energia, come mezzo
per migliorare la flessibilità operativa ed il ritorno economico
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Agenda

Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali

Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS)

Stoccaggio di energia in impianti CCS

Conclusioni
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali

Liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica

Variabilità del prezzo dei combustibili e dell’energia elettrica

Ruolo chiave delle fonti rinnovabili

Capacità installata di generazione da fonti fossili superiore alla domanda

Deindustrializzazione dei paesi sviluppati e crisi economica
Elevata flessibilità operativa richiesta agli impianti
 Variazione della richiesta dell’energia elettrica
 Partecipazione ai servizi di rete
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Introduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile
Plant load (Monday to Friday1)
110%
100%
Peak: 80
ore/settimana
Peak hours
90%
80%
70%
60%
NGCC
PC-IGCC
50%
40%
30%
20%
Off-peak: 88
ore/settimana
Off peak hours
10%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Note 1: NGCCs @ 0% load during week-end.IGCC, USCPC and OXY-USCPC @ 50% load during week-end
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS)
 NGCC
• Capacità di operare in modo ciclico: elevata
• Buona efficienza ai carichi parziali
• Turn-down dipende dal minimo tecnico ambientale della TG (30-50%)
 USC PC
• Capacità di operare in modo ciclico: media
• Discreta efficienza a carichi parziali
• Turn down: 30%
 IGCC
• Capacità di operare in modo ciclico: bassa
• Turn-down treno di generazione del syngas: 50%
Minimo tecnico ambientale della TG a syngas: 60% (bruciatori a diffusione)
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di energia nei futuri impianti CCS
OBIETTIVO: Mantenere inalterata la flessibilità operativa
Lo stoccaggio di energia è una strategia fondamentale :

Maggiore generazione durante i periodi di picco

Maggiore capacità di rispondere alle variazioni di carico
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Forma di stoccaggio dipende dalla tipologia di impianto

Stoccaggio di idrogeno o combustibile ad elevato contenuto di idrogeno
IGCC con cattura pre-combustione della CO2

Stoccaggio di ossigeno
IGCC con cattura pre-combustione della CO2,
Impianti con combustione ad ossigeno

Stoccaggio di solvente
Impianti con cattura post-combustione della CO2
(NGCC, USC PC)
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di idrogeno: caratteristiche
 Tipologie
• Rocce porose: giacimenti esauriti e falde acquifere
• Caverna: caverne artificiali e miniere
 Capacità: 105-106 m3
• Proporzionale alla pressione di stoccaggio del gas
• Il volume totale deve includere la quantità necessaria di ‘gas cuscinetto’
 Pressione: 10-270 bar
• Dipende dalla profondità di stoccaggio
 Meccanismo di prelievo
• Pressione costante
• Volume costante
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di idrogeno: una tecnologia già nota!
 Inghilterra, Teesside, Yorkshire (SABIC, ex ICI)




• Stoccaggio di idrogeno puro: 1 milione di Nm3 (3 caverne)
• Profondità: 400 m
Francia, Beynes, Ile de France (Gaz de France)
• Stoccaggio di gas 50-60% di idrogeno in falda acquifera: 330 milioni di Nm3
• 20 anni in operazione senza perdita di contenimento o problemi di sicurezza
Russia
• Stoccaggio di idrogeno puro
• Pressione: 90 bar
Germania
• Stoccaggio di gas 62% di idrogeno in caverna: 32,000 m3
• Pressione: 80-100 bar
Cecoslovacchia
• Stoccaggio di gas 50% di idrogeno in falda acquifera
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio sotterraneo di idrogeno: IGCC con cattura pre-combustione

Co-produzione di energia elettrica e idrogeno

Stoccaggio intermedio di combustibile ad elevato contentuto di H2
La linea di produzione del combustibile opera a pieno carico, mentre i treni
di potenza variano la generazione come richiesto dal mercato
• Peak
Syngas ricco di H2 proveniente dallo stoccaggio alimentato a TG
• Off - peak
Syngas ricco di H2 in eccesso a stoccaggio (in parte a PSA)
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Impianti di co-produzione di EE e H2 vs. IGCC tradizionali
•
•
•
Energia elettrica prodotta: +2÷4%
Produzione di idrogeno tramite PSA: +1÷3% TIC
Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1÷3% TIC
60,000
100000
40,000
20,000
[m3]
80000
[kg/h]
Hydrogen rich gas stored volume
00,000
80,000
Syngas flowrate
60000
60,000
40,000
40000
20,000
00
20000
20,000
40,000 SAT
0
SUN
MON
TUE
WEN
THU
FRY
SAT 0
24
48
72
96
120
144
168
time
[hours]
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Impatto dello stoccaggio intermedio del syngas ricco di H2 in IGCC tradizionali
Energia elettrica prodotta: +2÷5%
Treno di generazione del syngas di capacità ridotta: - 5÷-8% TIC
Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1÷3% TIC
Stoccaggio di azoto per le TG
110000.0
100000.0
[m3]
90000.0
80000.0
Hydrogen rich gas stored volume
•
•
•
•
70000.0
60000.0
50000.0
40000.0
30000.0
20000.0
10000.0
0.0
SAT
SUN
MON
0
24
48
TUE
72
time
WEN
THU
FRY
SAT
96
120
144
168
[hours]
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di ossigeno: IGCC e Oxy-USC PC
 ASU al minimo carico nei periodi di picco (scenario 1)
 Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2)
La potenza netta, generata nei periodi di picco, aumenta perchè i consumi
elettrici dell’ASU diminuiscono. Lo stoccaggio si effettua nei periodi di
bassa richiesta di energia
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti IGCC tradizionali
 ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1)
• Energia prodotta: +6÷9% (ASU al 70%) - Stoccaggio LOX-LIN: +2-4% TIC
 Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2)
• Energia prodotta: +3÷6% - Capacità ASU ridotta (82%) + stoccaggio LOX: TIC
invariato
7000.0
Case 2a - Scenario 1
Case 2a - Scenario 2
6000.0
[m3]
5000.0
Sored Oxygen
4000.0
3000.0
2000.0
NB:
Integrazione ASU - TG
può costituire un limite
alla flessibilità
1000.0
0.0
Back-up Oxygen volume
SAT
0
SUN
MON
TUE
24
48
72
time
WEN
THU
FRY
96
120
144
[hours]
SAT
168
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti Oxy-fuel tradizionali
 ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1)
• Energia elettrica prodotta: +4÷7% (ASU al 55-60%) - Stoccaggio LOX : +1÷3% TIC
 Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2)
• Energia elettrica prodotta: +1÷3% - Capacità ASU ridotta (80%) + stoccaggio LOX: 10000.0
Scenario 1
Scenario 2
9000.0
8000.0
[m3]
7000.0
6000.0
Stored Oxygen
1÷-3% TIC
5000.0
4000.0
3000.0
2000.0
1000.0
0.0 SAT
0
SUN
12
24
MON
36
48
TUE
60
WEN
72
84
time
96
[h]
THU
108
120
FRY
132
144
SAT
156
168
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post combustione: schema
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di solvente: caratteristiche
 Temperatura
• Minima: temperatura ambiente per evitare precipitazione dei sali (HSS)
• Massima: temperatura di fondo colonna di assorbimento per evitare rilascio della
CO2 disciolta
 Minimizzare contatto con ossigeno
• Serbatoi a tetto mobile
• Tenuta con azoto/CO2
 Rivestimento anti-corrosione
 Degradazione del solvente trascurabile
 Stoccaggio sicuro
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post-combustione
 Capacità ridotta o minimo carico durante le ore di picco
 Ottimmizzare i volumi di stoccaggio
 Adeguare il dimensionamento per ottenere una portata di CO2 costante
La rigenerazione del solvente si può effettuare in tempi diversi rispetto alla
cattura della CO2 dai fumi, riducendo il consumo di vapore e di energia
elettrica dell’impianto durante i periodi di picco
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di solvente nei cicli combinati
• Rigenerazione al minimo tecnico nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi
• GT al minimo tecnico ambientale durante le ore di bassa richiesta di
energia per rigenerare il solvente stoccato (fermata notturna non fattibile)
• Energia elettrica prodotta nelle ore di picco aumenta
•
•
Carico ridotto dell’unità di rigenerazione
Carico costante dell’unità di rigenerazione
• Significativo impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Carico ridotto del’unità di rigenerazione (50%)
Solvent storage
80,000
Scenario 1 - rich solvent
Scenario 1 - lean solvent
60,000
Capacità rigeneratore ridotta (75%)
TIC + 20-23%
EE = +6÷8%
Scenario 1 - semi lean solvent
Scenario 2 - rich solvent
40,000
Scenario 2 - lean solvent
Scenario 2 - semi-lean solvent
[m3]
20,000
Stored volume
00,000
80,000
60,000
40,000
20,000
0MON
TUE
WEN
THU
FRI
SAT
0
24
48
72
96
120
Minimizzazione stoccaggio
SUN
MON
TIC + 18-20%
144
168
Time [hours]
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Rigenerazione costante: CO2 costante ai BL
130,000
rich solvent
lean solvent
semi lean solvent
120,000
110,000
EE = +4÷6%
Capacità rigeneratore ridotta (60%)
TIC + 13-15%
(esclusa la riduzione della linea di
trasporto della CO2:
-170,000 €/km)
100,000
[m3]
90,000
80,000
Stored volume
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
MON
0
TUE
WEN
0
24
48
THU
FRI
SAT
SUN
MON
72
96
120
144
168
Time [hours]
22
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Stoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone
• Fermata dell’unità di rigenerazione nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi
• Rigenerazione durante le ore di bassa richiesta di energia mentre
l’impianto è a carico parziale
• Energia elettrica prodotta:
+4÷6% (ridotta rigenerazione)
+3÷5% (rigenerazione costante)
• Maggiore impatto sul TIC (stoccaggi e costo iniziale del solvente): circa
il 5% in più rispetto all’impianto senza stoccaggio.
Nel caso di rigenerazione costante, la riduzione di costo della linea di
trasporto è circa 100,000 €/km
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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Conclusione
Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS consente di mantenere una
flessibilita operativa analoga a quella degli impianti senza cattura ed offre
l’opportunita di migliorare il ritorno economico dell’investimento
Infatti:

Gli impianti (anche IGCC) seguono la richiesta variabile di energia, ad
eccezione della marcia dei cicli combinati nelle ore di bassa richiesta

La generazione di energia aumenta durante le ore di picco

L’incremento del costo di investimento è contenuto nella maggior parte dei casi
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Grazie per l’attenzione
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