LA CATTURA E LO STOCCAGGIO DELLA CO2
Ingegner
Ezio Nicola D’Addario
Presidente Gruppo di Lavoro AIDIC sulla CCS
Facoltà di Ingegneria Università La Sapienza
Roma 19 Aprile 2012
CCS: Carbon Capture and Storage
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
AGENDA
L’AIDIC e gli scopi istituzionali
Il contesto CCS: lo sviluppo, le esigenze energetiche e l’ambiente
I settori di provenienza della CO2
Le opzioni tecnologiche per la riduzione delle emissioni di CO2
Sistemi, tecnologie e costi per la cattura della CO2
Sistemi, tecnologie e costi per lo stoccaggio della CO2
Sistemi, tecnologie e costi per il trasporto della CO2
Confronti e prospettive
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
SCOPI ISTITUZIONALI AIDIC
Diffondere tra gli associati le conoscenze tecnico-scientifiche e i risultati
dello sviluppo tecnologico ed ingegneristico nei settori chimico,
petrolchimico, alimentare, delle biotecnologie, dei materiali, della sicurezza
e dell’ambiente
Contribuire alla formazione e all’aggiornamento dei tecnici …
collaborando con Istituti Universitari e di ricerca in Italia e all’estero
Essere di riferimento dell’interesse congiunto, industriale ed
accademico, nei campi dell’evoluzione della tecnologia chimica e delle sue
applicazioni industriali per quanto riguarda sia la progettazione sia la
gestione produttiva
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
PRODOTTO LORDO MONDIALE
SRES: Special Report
Emissions, IPCC 2000
Per far fronte all’aumento demografico e alle esigenze di benessere
bisogna produrre di più
Riferimento 1990: 5,3 miliardi persone; 21,9 biliardi $; 4.700 $/per capita (Italia 17.310)
William Moomaw (USA), Francis Yamba (Zambia). IPCC Special Report Renewable, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
ESIGENZE ENERGETICHE
SRES: Special Report
Emissions, IPCC 2000
Per aumentare il prodotto lordo c’è bisogno di più energia
Riferimento 1990: 5,3 miliardi persone, 400*1018 J, ca.1,5 TEP/per capita
Energia primaria: fonti rinnovabili (solare, eolico, idroelettrico, geotermico), fonti esauribili (petrolio, gas, carbone), nucleare
William Moomaw (USA), Francis Yamba (Zambia). IPCC Special Report Renewable, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA
Le emissioni di carbonio per unità di energia primaria tendono a
diminuire
William Moomaw (USA), Francis Yamba (Zambia). IPCC Special Report Renewable, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
EMISSIONI DI GAS SERRA
GASi
GWP100
g CO2 eq/gi
CO2
1
CH4
23
N20
296
Halon 1301
5600
Carbon
tetrafluoride
6500
Nonostante i miglioramenti di “carbon intensity” le emissioni di
carbonio potrebbero aumentare
CO2 emissions = Population x (GDP/population) x (TPES/GDP) x (CO2 / TPES), TPES Total Primary Energy Supply
William Moomaw (USA), Francis Yamba (Zambia). IPCC Special Report Renewable, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
AUMENTO DELLA TEMPERATURA DELLA SUPERFICIE TERRESTRE
Il riscaldamento del pianeta potrebbe arrivare a livelli allarmanti
Dipende da quello che facciamo
William Moomaw (USA), Francis Yamba (Zambia). IPCC Special Report Renewable, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LE PRINCIPALI SORGENTI DI GAS SERRA
Carbon Sequestration leadership forum. Technology roadmap, 2011
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LA CO2 DAL SETTORE INDUSTRIALE, anno 2007
I cementifici, le industrie chimiche e quelle metallurgiche contribuiscono
per circa tre quarti alle emissioni totali
IEA Energy Technology Perspectives , Scenario & Strategies to 2050, 2010
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LA CO2 DALLA PRODUZIONE ELETTRICA
Produzioni globali
di elettricità
Emissioni di CO2
IEA Energy Technology Perspectives , Scenario & Strategies to 2050, 2010
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LE OPZIONI TECNOLOGICHE PER LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DI CO2
IEA Blue map
Scenario
IEA Energy Technology Perspectives , Scenario & Strategies to 2050, 2010
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
SISTEMI PER LA CATTURA E LO STOCCAGGIO DELLA CO2
E Rubin, RITE Int. Workshop on CO2 geological storage, Tokyo 20 Feb 2006
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
SISTEMI DI CATTURA DELLA CO2
E Rubin, RITE Int. Workshop on CO2 geological storage, Tokyo 20 Feb 2006
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
TECNOLOGIA DI CATTURA POST COMBUSTIONE
Assorbimento Chimico: reazione chimica, ammine: Fluor Daniel, BASF, Dow
Assorbimento fisico (Henry): metanolo, Rectisol (Lurgi); glicole polietilenico e dimetiletere,
Selexol (Norton); propilen carbonato (Fluor Daniel)
Adsorbimento (interazione fisica con la matrice solida): generalmente usati per
purificazione gas, in fase di R&D per cattura CO2; allumina, zeoliti (naturali ed artificiali),
carboni attivi
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
AMMINE e REAZIONI
2RNH2 + CO2
RNHCOONH3R sale amminico dell’acido carbammico
2RNH2 + CO2 + H2O
(RNH3)2CO3 + CO2 + H2O
(RNH3)2CO3
carbonato
2 RNH3HCO3
bicarbonato, più
veloce rispetto alle prime due
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CENTRALI A CARBONE POLVERIZZATO CON CATTURA DELLA CO2 CON AMMINE
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
SCHEMA DI PROCESSO IMPIANTO AD AMMINE, NGCC 200 MW
43 °C
102 °C
113 °C
43 °C
150 °C
46 °C
232 °C
SRI Process Economic Program Report N. 180 1987
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
IMPIANTO AD AMMINE E A CARBONATO, DATI DI BASE, NGCC 200 MW
Energia rigenerazione ammine 900 Kcal / Kg CO2
Energia rigenerazione carbonato 950 Kcal / Kg CO2
SRI Process Economic Program Report N. 180 1987
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
IMPIANTO AD AMMINE, NGCC 200 MW, 360 000 t CO2/anno
Caratteristiche apparecchiature
SRI Process Economic Program Report N. 180 1987
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
PROBLEMATICHE AMMINE
MEA più reattiva (maggiore alcalinità ) di DEA e TEA
Calore di rigenerazione MEA ca. 900 Kcal /Kg CO2, DEA e TEA 50 e 75 % MEA
Capacità assorbente soluzioni acquose MEA più alte (più basso peso molecolare 61,1 Vs
149 TEA )
Soluzioni MEA molto corrosive (si opera al 15-18 % con una capacità assorbente di 25
gCO2/100 g MEA)
Corrosione più alta in presenza di ossigeno
Necessaria rimozione spinta di SOx e NOx (e H2S) che formano sali stabili con le
ammine e conseguente perdita di capacità assorbente
Ricerca indirizzata a trovare inibitori di corrosione, a ridurre il calore di rigenerazione
(impedimenti sterici) e a aumentare la selettività per la CO2
In presenza di inibitori di corrosione MEA può essere usata al 40-45 %
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
ALTRE TECNOLOGIE DI CATTURA DELLA CO2
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
AGGRAVI ENERGETICI E COSTI DOVUTI ALLA CATTURA DELLA CO2
CENTRALE A CARBONE DA 500 MW
CICLO COMBINATO A GAS DA 500 MW
Membrane + MEA sembrano in grado di migliorare l’efficienza e nel caso del gas di
ridurre anche i costi
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CONFRONTO PRINCIPALI IMPIANTI DI POTENZA, capacità 500 MW
IGCC: pochi impianti realizzati Oxyfuel: non completamente matura
Fonte: IEA 2000
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
AUMENTO CONSUMO COMBUSTIBILI PER CCS
Fonte: IEA 2000
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CENTRALI A CARBONE
COSTI CATTURA E COMPRESSIONE / LIQUEFAZIONE, valori EURO/ MWh
736 MWe Pulverized Fuel Ultra supercritica (ciclo a vapore 280 bar 600/620ºC)
Efficienza 46%
Fuel cost €2.4/GJ
IGCC: pochi impianti realizzati Oxyfuel: non completamente matura
European Technology Platform 2000 for Zero Emissions Fossil Fuel Power Plant, Capture Report 2009
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CENTRALI A CARBONE
COSTI CATTURA E COMPRESSIONE / LIQUEFAZIONE, valori EURO/ t CO2
736 MWe Pulverized Fuel Ultra supercritica (ciclo a vapore 280 bar 600/620ºC)
Efficienza 46%
Fuel cost €2.4/GJ
IGCC: pochi impianti realizzati Oxyfuel: non completamente matura
European Technology Platform 2000 for Zero Emissions Fossil Fuel Power Plant, Capture Report 2009
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CENTRALE OXY-FUEL A CARBONE
COSTI IN FUNZIONE DEL PREZZO DEL CARBONE
568 MWe, Efficienza 36%
European Technology Platform 2000 for Zero Emissions Fossil Fuel Power Plant, Capture Report 2009
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
OPZIONI DI STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
STOCCAGGIO GEOLOGICO On-Off-Shore
Esistono giacimenti naturali di petrolio, gas e CO2
Viene correntemente effettuato lo stoccaggio del gas naturale
Viene praticato l’Enhanced Oil Recovery (EOR) con CO2
I giacimenti naturali possono essere simulati con modelli matematici
Possono essere modellate anche le perdite dai pozzi
In Salah /Krechba (Algeria)
Source: BP
Sleipner, Norvegia
Esistono progetti di stoccaggio della CO2 in giacimenti di olio e gas e in acquiferi salini ma
non in miniere di carbone non estraibile
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
SICUREZZA DELLO STOCCAGGIO GEOLOGICO On-Off-Shore
800 m condizioni
supercritiche
E’ necessaria la selezione
accurata dei siti
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
STOCCAGGIO GEOLOGICO On-Off-Shore COSTI E RISCHI
DOGF: Depleted Oil GAS Field; Leg. Esistenti; SA Saline Acquiferi
Principali parametri: Capacità del giacimento, Numero di pozzi necessari, “Iniettività” e sue variazioni
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
STOCCAGGIO NEGLI OCEANI
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
STOCCAGGIO NEGLI OCEANI PROs & CONs
Potenzialità di stoccaggio: migliaia di Gt CO2 (giacimenti Oil & Gas 800,
Acquiferi salini > 1000)
Rilascio graduale attraverso gli anni in dipendenza dalla profondità di
iniezione
100 anni 65 – 100 %
500 anni 30 – 85 %
Effetti sull’ambiente e sugli organismi non conosciuti
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
STOCCAGGIO NEGLI OCEANI MECCANISMI
CO2 liquida
Idrato
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CARBONATAZIONE DEI MINERALI
Reazioni esotermiche
La formazione di carbonato ferma le reazioni
Necessaria la purificazione dei minerali
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
TRASPORTO Opzioni
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
ONSHORE PIPELINE ESISTENTI NEGLI USA
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
COSTI TRASPORTO 2,5 Mt/anno, Valori Euro /t CO2
Compressione fino a 100 bar inclusa in CCS
Ulteriore compressione fino a 200 sufficiente per reiniezione in Acquiferi salini
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
COSTI TRASPORTO CLUSTER 20 Mt/anno, Valori Euro /t CO2
Compressione fino a 100 bar inclusa in CCS
Ulteriore compressione fino a 200 sufficiente per reiniezione in Acquiferi salini
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
OPZIONI DI CCS POST COMBUSTIONE. CONFRONTI E COSTI
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LIVELLO DI SVILUPPO DELLE TECNOLOGIE E PROGETTI IN CORSO
234 Progetti Totali, 74 Large Scale Integrated Project, 8 Operativi
e 6 in Costruzione
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
LIVELLO DI SVILUPPO DELLE TECNOLOGIE
234 Progetti Totali, 74 Large Scale Integrated Project, 8 Operativi
e 6 in Costruzione
PORTO TOLLE
BRINDISI
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
CONCLUSIONI
Le istituzioni chiamano la CCS a dare un contributo significativo
alla riduzione dell’effetto serra
Spazi più favorevoli per le sue applicazioni sono offerti
dall’uso del carbone e dall’enhanced oil recovery
Molto lavoro di ricerca è stato fatto, ma ne occorre ancora tanto
Restano da approfondire aspetti ambientali
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica
……. e se volete approfondire ……
[email protected]
Associazione Italiana Di
Ingegneria Chimica