Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia –11 Luglio 2011 © Foster Wheeler All rights reserved. L. Mancuso - Foster Wheeler Italiana - Power Division N. Ferrari - Foster Wheeler Italiana - Power Division J. Davison - IEA Greenhouse Gas R&D Programme Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Maggiore flessibilità operativa e miglior ritorno economico

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 2 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 denergia 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 dellenergia, come mezzo per migliorare la flessibilità operativa ed il ritorno economico

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 3 © Foster Wheeler All rights reserved. Agenda Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS) Stoccaggio di energia in impianti CCS Conclusioni

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 4 © Foster Wheeler All rights reserved. Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Liberalizzazione del mercato dellenergia elettrica Variabilità del prezzo dei combustibili e dellenergia 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 dellenergia elettrica Partecipazione ai servizi di rete

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 5 © Foster Wheeler All rights reserved. Introduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile Peak: 80 ore/settimana Off-peak: 88 ore/settimana

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 6 © Foster Wheeler All rights reserved. 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)

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 7 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di energia nei futuri impianti CCS Maggiore generazione durante i periodi di picco Maggiore capacità di rispondere alle variazioni di carico OBIETTIVO: Mantenere inalterata la flessibilità operativa Lo stoccaggio di energia è una strategia fondamentale :

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 8 © Foster Wheeler All rights reserved. Forma di stoccaggio dipende dalla tipologia di impianto Stoccaggio di idrogeno o combustibile ad elevato contenuto di idrogeno IGCC con cattura pre-combustione della CO 2 Stoccaggio di ossigeno IGCC con cattura pre-combustione della CO 2, Impianti con combustione ad ossigeno Stoccaggio di solvente Impianti con cattura post-combustione della CO 2 (NGCC, USC PC)

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 9 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di idrogeno: caratteristiche Tipologie Rocce porose: giacimenti esauriti e falde acquifere Caverna: caverne artificiali e miniere Capacità: m 3 Proporzionale alla pressione di stoccaggio del gas Il volume totale deve includere la quantità necessaria di gas cuscinetto Pressione: bar Dipende dalla profondità di stoccaggio Meccanismo di prelievo Pressione costante Volume costante

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 10 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di idrogeno: una tecnologia già nota! Inghilterra, Teesside, Yorkshire (SABIC, ex ICI) Stoccaggio di idrogeno puro: 1 milione di Nm 3 (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 Nm 3 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 m 3 Pressione: bar Cecoslovacchia Stoccaggio di gas 50% di idrogeno in falda acquifera

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 11 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio sotterraneo di idrogeno: IGCC con cattura pre-combustione Co-produzione di energia elettrica e idrogeno Stoccaggio intermedio di combustibile ad elevato contentuto di H 2 La linea di produzione del combustibile opera a pieno carico, mentre i treni di potenza variano la generazione come richiesto dal mercato Syngas ricco di H 2 in eccesso a stoccaggio (in parte a PSA) Peak Off - peak Syngas ricco di H 2 proveniente dallo stoccaggio alimentato a TG

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 12 © Foster Wheeler All rights reserved. Impianti di co-produzione di EE e H 2 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 0

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 13 © Foster Wheeler All rights reserved. Impatto dello stoccaggio intermedio del syngas ricco di H 2 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

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 14 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di ossigeno: IGCC e Oxy-USC PC ASU al minimo carico nei periodi di picco (scenario 1) Design dellASU a capacità ridotta (scenario 2) La potenza netta, generata nei periodi di picco, aumenta perchè i consumi elettrici dellASU diminuiscono. Lo stoccaggio si effettua nei periodi di bassa richiesta di energia

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 15 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 dellASU a capacità ridotta (scenario 2) Energia prodotta: +3 ÷ 6% - Capacità ASU ridotta (82%) + stoccaggio LOX: TIC invariato NB: Integrazione ASU - TG può costituire un limite alla flessibilità

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 16 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 dellASU a capacità ridotta (scenario 2) Energia elettrica prodotta: +1 ÷ 3% - Capacità ASU ridotta (80%) + stoccaggio LOX: - 1 ÷- 3% TIC Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti Oxy-fuel tradizionali

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 17 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post combustione: schema

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 18 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 CO 2 disciolta Minimizzare contatto con ossigeno Serbatoi a tetto mobile Tenuta con azoto/CO 2 Rivestimento anti-corrosione Degradazione del solvente trascurabile Stoccaggio sicuro

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 19 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 CO 2 costante La rigenerazione del solvente si può effettuare in tempi diversi rispetto alla cattura della CO 2 dai fumi, riducendo il consumo di vapore e di energia elettrica dellimpianto durante i periodi di picco

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 20 © Foster Wheeler All rights reserved. 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 dellunità di rigenerazione Carico costante dellunità di rigenerazione Significativo impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 21 © Foster Wheeler All rights reserved. Carico ridotto delunità di rigenerazione (50%) Capacità rigeneratore ridotta (75%) TIC % Minimizzazione stoccaggio TIC % EE = + 6÷8%

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 22 © Foster Wheeler All rights reserved. Rigenerazione costante: CO 2 costante ai BL Capacità rigeneratore ridotta (60%) TIC % (esclusa la riduzione della linea di trasporto della CO 2 : -170,000 /km) EE = + 4÷6%

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 23 © Foster Wheeler All rights reserved. Stoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone Fermata dellunità di rigenerazione nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi Rigenerazione durante le ore di bassa richiesta di energia mentre limpianto 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 allimpianto senza stoccaggio. Nel caso di rigenerazione costante, la riduzione di costo della linea di trasporto è circa 100,000 /km

Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS 24 © Foster Wheeler All rights reserved. Conclusione 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 Lincremento del costo di investimento è contenuto nella maggior parte dei casi Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS consente di mantenere una flessibilita operativa analoga a quella degli impianti senza cattura ed offre lopportunita di migliorare il ritorno economico dellinvestimento

Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia –11 Luglio 2011 © Foster Wheeler All rights reserved. Grazie per lattenzione