Lo stoccaggio di energia negli impianti di CCS

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Lo stoccaggio di energia negli impianti di CCS

  1. 1. 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 ProgrammeCattura e Stoccaggio della CO2 Evoluzione del Quadro Normativo e Prospettive di Filiera Industriale Convegno WEC Italia - 18 Ottobre 2011 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved.
  2. 2. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSPremessaIEA GHG R&D ProgrammeOrganizzazione internazionale (19 nazioni, EC, OPEC e 25 sponsors)finalizzata allo studio delle tecnologie per limitare le emissioni di gas serraBackground dello studioGli impianti di produzione d’energia elettrica devono necessariamente farfronte alla richiesta variabile del mercato, alla luce anche di un incrementosignificativo delle fonti rinnovabiliAnche gli impianti futuri con CCS dovranno rispondere a questa richiestaPrincipali obiettiviIdentificare i maggiori fattori che limitano la flessibilità degli impianti CCSValutare la fattibilità tecno-economica di stoccaggio dell’energia, come mezzoper migliorare la flessibilità operativa ed il ritorno economico 2
  3. 3. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSAgenda Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS) Stoccaggio di energia in impianti CCS Conclusioni 3
  4. 4. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSIntroduzione: 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 4
  5. 5. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Introduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile Plant load (Monday to Friday1) - Two operating regimes110%100%90% Peak: 80 ore/settimana80%70%60% PC - IGCC50% NGCC40%30%20% Off-peak: 8810% ore/settimana 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 Mercato elettrico a Note 1: NGCCs @ 0% load during week-end.IGCC, USCPC and OXY-USCPC @ 50% load during week-end tariffa bi-oraria 5
  6. 6. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSIntroduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile Plant load (Monday to Friday1) - Three operating regimes130% Peak: 2120% ore/giorno110%100% 90% Normal: 14 ore/giorno 80% 70% PC - IGCC 60% NGCC 50% 40% 30% 20% Off-peak: 8 10% ore/giorno 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 Mercato elettrico conNote 1: NGCCs @ 0% load during week-end.IGCC, USCPC and OXY-USCPC @ 50% load during week-end picco di richiesta 6
  7. 7. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSFlessibilità 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) 7
  8. 8. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di energia nei futuri impianti CCSOBIETTIVO: Mantenere inalterata la flessibilità operativaLo stoccaggio di energia è una strategia fondamentale :  Maggiore generazione durante i periodi di picco  Maggiore capacità di rispondere alle variazioni di carico 8
  9. 9. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSForma 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) 9
  10. 10. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio 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 10
  11. 11. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio 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 11
  12. 12. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio 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) 12
  13. 13. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. 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% TIC60,00040,000 10000020,000 80000 [m3]00,000 Hydrogen rich gas stored volume [kg/h]80,000 60000 Syngas flowrate60,00040,000 4000020,000 00 2000020,00040,000 SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT 0 0 24 48 72 96 120 144 168 time [hours] 13
  14. 14. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. 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 90000.0 [m3] 80000.0 Hydrogen rich gas stored volume 70000.0 60000.0 50000.0 40000.0 30000.0 20000.0 10000.0 SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 time [hours] 14
  15. 15. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio 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 15
  16. 16. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. 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 elettrica prodotta (picco 16 h/d):+6 9% (ASU al 70%) - Stoccaggio LOX-LIN: +2-4% TIC • Energia elettrica prodotta (picco 2 h/d):+9 12% (ASU al 50%) - Stoccaggio LOX-LIN: +1-2% TIC Design dell’ASU a capacità ridotta (Scenario 2) • Energia elettrica prodotta: +3 6% - Capacità ASU ridotta (82%) + stoccaggio LOX: TIC invariato 7000.0 Case 2a - Scenario 1 Case 2a - Scenario 2 6000.0 5000.0 [m3] 4000.0 Sored Oxygen 3000.0 2000.0NB: 1000.0 Back-up Oxygen volumeIntegrazione ASU - TG puòcostituire un limite alla flessibilità SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 time [hours] 16
  17. 17. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. 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 (picco 16 h/d): +4 7% (ASU al 55-60%) - Stoccaggio LOX : +1 3% TIC • Energia elettrica prodotta (picco 2 h/d): +5 7% (ASU al 50%) - Stoccaggio LOX : <1% TIC Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2) • Energia elettrica prodotta: +1 3% - Capacità ASU ridotta (80%) + stoccaggio LOX: -1 -3% TIC 10000.0 Scenario 1 Scenario 2 9000.0 8000.0 7000.0 [m3] 6000.0 Stored Oxygen 5000.0 4000.0 3000.0 2000.0 1000.0 0.0 SAT SUN MON TUE WEN THU FRY SAT 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 time [h] 17
  18. 18. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di solvente negli impianti con cattura post combustione: schema 18
  19. 19. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio 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 19
  20. 20. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. 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 Ottimizzare 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 20
  21. 21. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di solvente nei cicli combinati Mercato elettrico con due regimi operativi (tariffa bi-oraria)• 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 21
  22. 22. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Carico ridotto del’unità di rigenerazione (50%) Solvent storage Capacità rigeneratore ridotta (75%)80,000 Scenario 1 - rich solvent TIC + 20-23% Scenario 1 - lean solvent EE = +6 8%60,000 Scenario 1 - semi lean solvent Scenario 2 - rich solvent40,000 Scenario 2 - lean solvent Scenario 2 - semi-lean solvent20,000 [m3]00,000 Stored volume80,00060,00040,00020,000 Minimizzazione stoccaggio 0MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON TIC + 18-20% 0 24 48 72 96 120 144 168 Time [hours] 22
  23. 23. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Rigenerazione costante: CO2 costante ai BL130,000 Capacità rigeneratore ridotta (60%) rich solvent TIC + 13-15%120,000 lean solvent EE = +4 6% (esclusa la riduzione della linea di semi lean solvent110,000 trasporto della CO2: -170,000 €/km)100,000 90,000 [m3] 80,000 70,000 Stored volume 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 MON TUE WEN THU FRI SAT SUN MON 0 0 24 48 72 96 120 144 168 Time [hours] 23
  24. 24. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di solvente nei cicli combinati Mercato elettrico con tre regimi operativi (2 ore di picco) NO rigenerazione nelle due ore di picco: +11 13% EE Rigenerazione del solvente stoccato nelle ore di normale operazione • Sovradimensionamento sezione rigenerazione e compressione • Riduzione energia elettrica (-2 -3% EE) Solvente rigenerato/stoccato con andamenti ciclico giornaliero: volumi e superfici più contenuti Impatto sul TIC (stoccaggi e costo iniziale del solvente, adeguamento ciclo a vapore) +8-10% TIC 24
  25. 25. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone Mercato elettrico con due regimi operativi (tariffa bi-oraria) • 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 25
  26. 26. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSStoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone Mercato elettrico con tre regimi operativi (2 ore di picco) NO rigenerazione nelle due ore di picco: +20 23% EE Rigenerazione durante le ore di bassa richiesta di energia mentre l’impianto è a carico parziale Solvente rigenerato/stoccato con andamenti ciclico giornaliero: volumi e superfici più contenuti Impatto sul TIC (stoccaggi e costo iniziale del solvente, adeguamento ciclo a vapore) +4-7% TIC 26
  27. 27. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCSConclusioneLo stoccaggio di energia negli impianti CCS consente di mantenere unaflessibilita operativa analoga a quella degli impianti senza cattura ed offrel’opportunita di migliorare il ritorno economico dell’investimentoInfatti: Gli impianti (anche IGCC) seguono la richiesta variabile di energia, ad eccezione della marcia dei cicli combinati nelle ore di bassa richiesta e con tariffa bi-oraria La generazione di energia aumenta durante le ore di picco L’incremento del costo di investimento è contenuto nella maggior parte dei casi 27
  28. 28. Grazie per l’attenzione luca_mancuso@fwceu.com noemi_ferrari@fwceu.com john.davison@ieaghg.orgCattura e Stoccaggio della CO2 Evoluzione del Quadro Normativo e Prospettive di Filiera Industriale Convegno WEC Italia - 18 Ottobre 2011 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved.

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