ENEA: la sfida per l’Energia “Zero Emission” da combustibili fossili

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ZECOMIX

Il ciclo “ZECOMIX”

di Felice Lucia

La produzione di energia “Zero Emission” da combustibili fossili rappresenta una delle sfide tecnologiche più rilevanti nel campo dell’impiantistica energetica, per limitare, nel breve e medio termine, gli effetti negativi dell’emissione di CO2 nell’ambiente.
L’aumento dell’efficienza delle centrali energetiche, avvenuto con continuità negli ultimi decenni, ha contribuito notevolmente alla diminuzione delle emissioni specifiche di CO2; tuttavia è evidente che, per continuare ad utilizzare i combustibili fossili per i prossimi decenni senza aumentare in modo sensibile l’effetto serra, è necessario ricorrere a processi che consentano di annullare del tutto o quasi le emissioni in atmosfera; tali processi sono alla base delle tecnologie di cattura e sequestro della CO2 (tecnologie CCS).
L’affermazione commerciale delle tecnologie CCS può avvenire solamente minimizzando le penalizzazioni energetiche ed economiche che la loro applicazione agli impianti energetici comporta. La ricerca di innovative tecnologie, che vadano verso lo sviluppo di nuovi materiali ed una maggiore integrazione e semplicità impiantistica, è la strada obbligata per assicurare, a medio termine, costi e prestazioni energetiche paragonabili a quelli degli attuali processi di produzione di energia. La tecnologia Z.E.CO.MIX (Zero Emission Coal Mixed technology), attraverso l’omonima piattaforma sperimentale, rappresenta la proposta ENEA a questa sfida e si annovera tra le infrastrutture di ricerca più innovative in Europa.
L'obiettivo della piattaforma ZECOMIX è quello di dimostrare, attraverso una serie di attività modellistiche e sperimentali, la fattibilità di un nuovo processo innovativo per la produzione di energia elettrica ed idrogeno “zero emission” da carbone.
In sostanza ZECOMIX si presenta come un mix di diversi processi, che vanno dalla gassificazione del carbone alla pulizia del syngas, alla cattura e sequestro della CO2, alla combustione dell’idrogeno in turbina a gas , la cui integrazione rappresenta il fattore chiave delle sue elevate prestazioni energetiche e della sua ottimizzazione impiantistica.
Gli studi preliminari, effettuati negli anni precedenti da ENEA su una configurazione di impianto che coniugava un processo di decarbonizzazione e clean-up del syngas senza raffreddamenti ad un ciclo termodinamico H2/O2/vapore ad elevata efficienza, avevano fornito risultati eccezionalmente positivi in termini di rendimento elettrico netto, con valori prossimi al 50%.
La taglia di impianto fissata, 50 kg/h di carbone, e la scelta di operare a pressione atmosferica (dettata principalmente da motivi legati alla minore onerosità progettuale ed autorizzativa) hanno portato ad una dimensione impiantistica tale da permettere di testare tutti i processi su scala significativa; per tale motivo l’impianto può catalogarsi come pilota.
L’idea di base del nuovo ciclo è quella di utilizzare due processi non convenzionali, uno di gassificazione del carbone e l’altro di decarbonizzazione del syngas, caratterizzati da forte integrazione e sinergia che determinano, da una parte, una notevole efficienza energetica, dall’altra una maggiore semplicità impiantistica rispetto ai sistemi “convenzionali”.
La gassificazione del carbone viene effettuata utilizzando una percentuale (dal 30 al 50%) del syngas ad alto contenuto di idrogeno prodotto a valle del processo di decarbonizzazione, piuttosto che ossigeno e vapore come nei gassificatori convenzionali.
La reazione chiave è nel nostro caso la reazione di idrogassificazione del carbone: C + H2 → CH4 Tale reazione contribuisce a produrre, all’ uscita del reattore di idrogassificazione, un syngas ricco di metano (circa il 15% in volume) ad una temperatura di circa 800 °C.
L’idrogassificazione è un processo in realtà già noto, su cui si è rivolta l’attenzione attorno alla metà del secolo scorso per produrre metano da carbone, ma presto abbandonato perché le rese da questo punto di vista si sono rivelate non sufficientemente elevate. Diversa è la situazione nel nostro caso, in cui appare sufficiente una resa in metano del 15- 20% per sostenere il ciclo nelle condizioni volute.
La decarbonizzazione del syngas viene effettuata mediante un processo di reforming del metano prodotto nell’idrogassificatore, accoppiato con un processo di assorbimento della CO2 mediante ossido di calcio; quest’ultima reazione, essendo fortemente esotermica, sostiene energeticamente il reforming del metano e ne sposta tra l’altro l’equilibrio verso temperature più basse (da 800-900 °C a 500-600 °C). Il bilancio che ad oggi è possibile trarre delle attività incentrate sull’impianto ZECOMIX è già molto positivo:
• attività sia modellistiche che di laboratorio, hanno consentito di sviluppare notevoli competenze nel campo della caratterizzazione dei sorbenti per CO2 e H2S, della cinetica delle reazioni eterogenee gas-solido, della termofluidodinamica dei letti fluidi, della combustione dell’idrogeno;
• è stato attivato e coordinato, a livello nazionale, un filone di ricerca di base che ha coinvolto i maggiori istituti universitari con risultati scientifici di rilievo;
Le attività future sull’impianto ZECOMIX daranno la possibilità di studiare, in scala significativa:
• le problematiche impiantistiche legate al processo di cattura della CO2 e dell’H2S mediante sorbenti solidi ad elevata temperatura;
• la gassificazione in letto fluido di varie tipologie di combustibile, o miscele degli stessi, che vanno dalla biomassa a carboni anche di difficile utilizzo, come quello del Sulcis, con la possibilità di effettuare una prima desolforazione durante la gassificazione stessa attraverso l’additivazione di opportuni sorbenti;
• la combustione di idrogeno/vapore in una microturbina in condizioni di reale funzionamento.