Doc Combustibili Fossili - old.enea.itold.enea.it/com/inf/dir/Tematiche/Tema13_Fossili.pdf · Una road-map per i combustibili fossili, ... dovuti all’inquinamento dell’aria, in

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I Combustibili Fossili per applicazioni energetiche: ruolo dell’ENEA per il loro uso efficiente

e per la valutazione degli effetti sull’ambiente

Autori:

S.Giammartini (ENE); A.Calabrò (ENE); P.Deiana (ENE); V.Pfister (MAT); G.Zanini (PROT)

Giugno 2006

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Indice

1. Il quadro generale di riferimento …………………………….…………………………………….4

2. La domanda di energia e la collocazione dell’ENEA ..…………………………………………5

3. I cicli avanzati: stato dell’arte e cicli innovativi …….…………………………………………….9

3.1 Cicli alimentati a gas …………………………………………………………… ………10

3.2 Cicli alimentati a carbone ……………………………………………………………….10

4. Una road-map per i combustibili fossili, verso “l’emissione zero”………………………….. 13

5. La proposta ENEA ………………………………………………………………………………...15

5.1 La proposta per il breve/medio periodo…….………………………… ……………...17

5.2 La proposta per il medio/lungo periodo: i cicli a carbone ad emissione nulla……...17

6. Il ventaglio dell’offerta ENEA …………………………………………………………………….20

6.1 La simulazione ed i metodi di progettazione ………………………………………….20

6.2 I nuovi materiali …………………………………………………………………………..23

6.3 La diagnostica e la sperimentazione …………………………………………………..24

6.4 Le facility sperimentali ……… …… …………………………………………………..25

6.5Il trattamento gas …………… …………………………………………………………...27

6.6 L’impatto ambientale …………………………………………………………………….28

6.7 L’ottimizzazione globale dei processi ………………………………………………….31

7. Programmi …………………………………………………………………………………………31

7.1Programmi internazionali … …………………………………………………………….31

7.2Programmi nazionali ……… …………………………………………………………….32

8. Conclusioni ………………………………………………………………………………………...37

9. Bibliografia …………………………………………………………………………………………39

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Hanno collaborato alla redazione del presente documento:

C.Amorino (SOTACARBO) M.Annunziato (ENE) D.Bardaro (CETMA) L.Barone (CETMA) I.Bertini (ENE) G.Braccio (ENE) M.Casarci (PROT) P.Fiorini (ENE) E.Giacomazzi (ENE) G.Girardi (ENE) M.Labanti (MAT) O.Manni (CETMA) A.Pettinau (SOTACARBO) F.R.Picchia (ENE) R.Romani (PROT) S.Sangiorgi (MAT)

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1. Il Quadro generale di riferimento Vi è un sostanziale accordo nel ritenere che ci troviamo di fronte a cambiamenti climatici globali che sono legati all’aumento della concentrazione dei gas serra in atmosfera, incrementando l’effetto omonimo. L’anidride carbonica è il più importante dei gas serra, e la sua concentrazione è in continua crescita a partire dalla rivoluzione industriale (+30%)

La domanda di energia primaria nel mondo è in continua ascesa: le previsioni della IEA (IEA World Energy Outlook) indicano tra il 2000 ed il 2030 un consumo crescente di circa l’1,8% l’anno spinto dalla crescita economica e dall’aumento della popolazione. In questo ambito i paesi industrializzati mostrano un rallentamento della loro domanda energetica (0,4 % l’anno nella UE), mentre di gran lunga superiore alla media è il tasso di crescita dei paesi in via di sviluppo. Per questa via si prevede che nel 2030 il 55% circa della domanda energetica mondiale verrà dai paesi in via di sviluppo, rispetto all’attuale 40%.

Il sistema energetico mondiale continuerà ad essere dominato dai combustibili fossili: si prevede che nel 2030 essi rappresenteranno circa il 90% della domanda energetica totale. Conseguenza di ciò sarà una crescita continua delle emissioni globali di CO2, ad un tasso leggermente maggiore del consumo energetico (2,1% l’anno in media), corrispondente ad un aumento totale del 60% circa, pari a oltre 32 miliardi di tonnellate nel 2030. Nella UE le emissioni di CO2 aumenteranno prevedibilmente del 18% rispetto al livello 1990. Negli USA l’aumento previsto e di circa il 50%, mentre le emissioni da Paesi in via di sviluppo rappresenta il 30% del totale. Questi Paesi nel 2030 emetteranno più della metà delle emissioni di CO2 a livello mondiale. La Cina da sola contribuirà nelle misura del 25%.

In questo quadro ancora un miliardo di persone non avrà accesso all’elettricità, mentre la fornitura di energia dipenderà principalmente da poche regioni, in gran parte caratterizzate da instabilità sociale e politica.

Nello stesso periodo le emissioni globali di NOx, VOCs e CO dai veicoli saranno più del doppio del livello del 1990, con effetti sia sulla salute della popolazioni che sulla produttività dei raccolti.

È ben chiaro quindi che la crescita della domanda energetica non potrà essere soddisfatta dalle tecnologie tradizionali, basate sull’uso di combustibili fossile, senza aumentare fortemente la pressione sull’ambiente, sulle risorse naturali, sulla salute ed il benessere pubblici e sulla sicurezza energetica

Nei prossimi trenta anni, il sistema energetico globale dovrà affrontare quattro sfide principali:

1. l’aumento dei costi esterni per la salute, dovuti all’inquinamento dell’aria, in termini di morbilità e mortalità, principalmente nelle aree urbane;

2. una riduzione delle emissioni di anidride carbonica di almeno il 50% rispetto ai livelli del 1990, per soddisfare la stabilizzazione delle concentrazioni di CO2 nell’ambiente, ad un livello tale da non aumentare al temperatura media e conseguentemente il livello del mare;

3. uno sforzo straordinario in termini di ricerca e innovazione, che rendano disponibili ed economiche nuove fonti e tecnologie per un’energia pulita e sicura, nonché misure contenitive molto più efficaci di quelle previste nell’ambito del Protocollo di Kyoto, coinvolgenti sia Paesi sviluppati che quelli in via di sviluppo;

4. la diversificazione delle risorse energetiche, in relazione al raggiungimento dei picchi di produzione per il petrolio ed il gas naturale, per ridurre la vulnerabilità e per assicurare la sicurezza negli approvvigionamenti energetici.

Quanto descritto rende dunque evidente la necessità di politiche energetiche globali atte ad assicurare consistenti riduzioni nella produzione di CO2, senza per questo penalizzare lo sviluppo economico e industriale che, nei prossimi decenni, dipenderà ancora, come visto, dalle fonti fossili.

A tal fine è necessario un insieme di misure di governo ed indirizzo tra le quali:

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- incremento della efficienza, sia nella produzione che nell’uso dell’energia; - incremento dell’uso di fonti rinnovabili; - impiego pulito delle fonti fossili, compresa la cattura e neutralizzazione definitiva della CO2, sviluppando tecnologie per l’impiego pulito di combustibili fossili (CCS; Carbon Capture and Storage). Quest’ultimo punto costituirà una delle vie per l’affermarsi di “nuove energie” basate sull’idrogeno, che rappresenta la migliore opzione per aumentare la sicurezza energetica e per affrontare le problematiche locali e globali.

2. La domanda di energia e la collocazione dell’ENEA Nel 2004 circa l’88 % dell'energia elettrica richiesta in Italia è stata prodotta con combustibili fossili, sostanzialmente mediante centrali termoelettriche di tipo tradizionale con ciclo a vapore a condensazione. L'uso dell'olio combustibile, anche se complessivamente in diminuzione, è stato ancora rilevante (45%) , ma lo sarà sempre di meno. Gli scenari futuri per la generazione elettrica da combustibili fossili prevedono un crescente ricorso al gas naturale come elemento chiave per il miglioramento compatibilità ambientale. Anche per questa fonte, comunque, esistono problemi di criticità di approvvigionamento e di dinamica dei prezzi. In questo quadro si inseriscono le iniziative per l'utilizzo più efficiente e pulito del carbone, è infatti unanimemente condiviso il ritenere tale opzione essenziale per la competitività sui mercati mondiali. Il carbone risulta infatti molto attraente per le sue caratteristiche di ampia disponibilità nel tempo (riserve stimate per 300 – 400 anni) e sicurezza di approvvigionamento (ridotti rischi geopolitici). Si tratta, in sintesi, di rispondere ad alcune domande di fondo:

- ridurre sempre più le emissioni di gas serra, principalmente CO2, e le emissioni di inquinanti, macro e micro, compresi polveri fini e ultrafini e metalli pesanti (mercurio);

- ridurre l’impiego di combustibili fossili, diversificando le fonti per garantire la stabilità dell’offerta;

- incrementare l’impiego delle fonti rinnovabili; - passare, nel lungo periodo, da una economia basata sui combustibili fossili ad una

economia basata sulle fonti rinnovabili e su diversi vettori energetici (elettricità e idrogeno). La soluzione non è univoca, ma consiste in un mix di azioni volte a: 1) aumentare l’efficienza di conversione energetica degli impianti in esercizio; 2) sviluppare tecnologie, di componente e di sistema, basate sull’impiego di fonti rinnovabili ed incrementarne l’uso ; 3) sviluppare tecnologie per l’impiego pulito di combustibili fossili (CCT : Clean Coal Tech. e CCS). Tutte le simulazioni concordano nel prevedere un raddoppio nel 2030 dei consumi di carbone. Tale raddoppio seguirà, a seconda degli osservatori, trend differenti che porteranno al raggiungimento delle seguenti percentuali relative:

- carbone convenzionale: dal 36 % del 2000 al 12 % nel 2030 - gas : da 16% del 2000 al 25% nel 2030 - carbone “avanzato” al 33% nel 2030.

Più della metà dell’energia prodotta nel 2030 deriverà da tecnologie energetiche messe a punto o sviluppate nei prossimi anni:

- GTCC

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- CCT - Rinnovabili.

Nella sola Europa, il progressivo invecchiamento degli impianti con loro conseguente sostituzione (replacement) , e la nuova domanda di energia fanno prevedere per il 2030 550 GW da impianti di nuova generazione che, collocandosi temporalmente proprio a cavallo della “crisi” del petrolio, impongono il deciso ricorso all’uso di carbone. Ovviamente il ricorso massiccio al carbone impone lo sviluppo di tecnologie più avanzate dal punto di vista delle performance ambientali Esistono due “route” per ridurre le emissioni di CO2 da combustibili fossili in impianti di potenza (Fig. 1) : la “zero emission route” comprendente la “Carbon Capture and Storage” (CCS) ha ovviamente obiettivi a lungo termine. Parallelamente ad essa significativi risultati devono essere raggiunti tramite la “increasing plant efficiency route”, che punta su efficienza e flessibilità operativa (syngas, combustibili di opportunità, ecc.), requisiti propedeutici ad un’ottica di “zero emission”, poiché la complicazione crescente dei cicli implica una perdita di efficienza che va comunque recuperata per altra via.

Fig. 1: Possibili strategie per uuna riduzione delle emissioni di CO2 nel medio-lungo termine

Occorre porsi l’obiettivo strategico di contribuire allo sviluppo del settore energetico nazionale nel breve, medio e lungo periodo, puntando su un mix di tecnologie basate sull’incremento dell’efficienza di sistema, sulla diversificazione delle fonti, sullo sfruttamento di combustibili di opportunità, con l’obiettivo diretto od indiretto di limitare le emissioni inquinanti e dei gas serra. Gli interventi devono avere le seguenti linee guida : - realizzazione in Italia di nuovi impianti a più elevata efficienza attraverso l’ammodernamento e

repowering di impianti esistenti e la realizzazione di nuove installazioni, puntando anche alla diversificazione delle fonti mediante il ricorso a combustibili di opportunità ed al carbone;

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- diffusione della produzione di energia elettrica distribuita e di impianti integrati con il sistema produttivo comprensoriale, favorendo la diversificazione/integrazione delle fonti primarie ed il ricorso alle fonti rinnovabili ed a nuovi combustibili;

- studio e sviluppo di soluzioni altamente innovative che traguardano il medio-lungo periodo, con riferimento a nuove tecnologie per la produzione di idrogeno ( da carbone e dalla fonte solare) e per la sua conversione energetica.

Sulla base di queste considerazioni, il carbone appare dunque come una fonte da valorizzare. La condizione perchè ciò accada risiede nello sviluppo di tecnologie pulite (CCT) tali, cioè, da garantire livelli di emissione sempre più bassi - tendenzialmente zero - di macro e micro inquinanti (ossidi di zolfo e azoto, particolato specialmente quello di granulometria più bassa, metalli pesanti, composti clorurati, ecc..). Parlando di utilizzo “pulito” del carbone, si fa oggi riferimento a tre categorie impiantistiche, che vengono elencate in ordine decrescente rispetto alla loro maturità tecnologica: a) impianti termoelettrici supercritici (SC) e ultra supercritici (USC); b) impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycles); c) impianti di gassificazione del carbone con sequestrazione (separazione + stoccaggio definitivo)

della CO2 (esempio: impianto ZECOMIX proposto dall'ENEA). L’obiettivo strategico per ENEA deve necessariamente essere rivolto alla terza tipologia d’impianto, che rappresenta la “sfida”, e la più valida soluzione per garantire ed accelerare la transizione verso l’economia basata sull’idrogeno: il processo di gassificazione del carbone con CO2 Capture and Storage sembra oggi quello più promettente nel lungo periodo, secondo le valutazioni della IEA sui costi di produzione dell’idrogeno. La sfida tecnologica e politica consiste nel puntare decisamente su incremento di efficienza e su fonti rinnovabili, sviluppando parallelamente le tecnologie “Clean Coal” e “Carbon Capture and Storage”, dimostrandone la convenienza economica non disgiunta dalla accettazione da parte delle popolazioni. Tutti gli organisti di anali europei e mondiali concordano nel prevedere un grosso mercato nei prossimi decenni per queste tecnologie In questo contesto è auspicabile la transizione, inevitabilmente su tempi lunghi, verso un’economia basata su vettori energetici puliti, vale a dire vettori che possano essere trasportati e riconvertiti in loco in un’altra forma di energia (meccanica, termica, frigorifera, elettrica, etc. ) senza generare inquinamento, sia in termini di emissioni nocive, sia in termini di emissioni di gas serra. I due vettori energetici “totalmente puliti” sono l’elettricità e l’idrogeno, ma mentre la prima è sempre più diffusamente impiegata, l’idrogeno occupa oggi una frazione modesta, di nicchia nel quadro energetico mondiale. Nel breve termine la soluzione più realistica per la produzione di idrogeno è l’utilizzo di combustibili fossili. L’utilizzo dell’idrogeno come combustibile intermedio tra le risorse fossili e l’utilizzo finale di energia (nei trasporti, nel settore industriale e residenziale) permetterebbe di evitare l’emissione di anidride carbonica in sede di utilizzo, ma non risolverebbe il problema in termini globali visto che la maggior parte dell’idrogeno è oggi prodotto da processi di conversione dell’energia più o meno efficienti, ma non può essere al momento prodotto in quantità significative o comunque in modo economico, da fonti rinnovabili. Il punto chiave e vincente è rappresentato dalla contemporanea adozione (nelle centrali di produzione elettrica che diverrebbero anche di produzione di H2) di sistemi di cattura e stoccaggio di lungo periodo dell’anidride carbonica. In questo modo si avrebbe una produzione concentrata, controllata e poi confinata di CO2 con notevole beneficio ambientale. La novità rispetto alle tecnologie attuali di produzione dell’idrogeno da combustibili fossili che emettono CO2 nell’atmosfera (Fig. 2) è rappresentata dall’introduzione di una fase di cattura e sequestro dell’anidride carbonica mediante un opportuno stadio di trattamento chimico (Fig. 3) .

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Fig. 2: Gassificazione del carbone e successivo impiego del syngas prodotto in turbina a gas

Fig. 3: Gassificazione del carbone, trattamento del syngas per concentrazione della CO2

e successivo suo sequestro, ed impiego dell’Idrogeno in turbina a gas Si ottiene così una corrente concentrata di anidride carbonica che viene portata allo stato liquido a pressioni ipercritiche attraverso compressione e raffreddamento ed inviata in serbatoi naturali come acquiferi profondi che la trattengono per tempi teoricamente infiniti senza rilasciarla in atmosfera. L’ampia disponibilità accertata, unitamente alla sicurezza di approvvigionamento per ridotti rischi geopolitici, costituisce un terreno fertile per lo sviluppo delle cosiddette clean coal technologies, ossia di quelle tecnologie che consentono di estrarre, trattare e utilizzare il carbone in maniera efficiente e con emissioni limitate. Tra i principali processi che consentono di produrre energia elettrica da carbone con emissioni limitate si possono individuare gli impianti di gassificazione. Proprio questi, in particolare, sono estremamente interessanti per il fatto che il gas prodotto (syngas o gas di sintesi ) può essere utilizzato, oltre che come combustibile per la produzione di energia elettrica, anche come materia prima per la produzione di numerosi prodotti chimici e, soprattutto, di diversi combustibili strategici, come idrogeno, metanolo e benzine sintetiche. Anche in quest’ottica, pertanto, il carbone può essere un ottimo sostituto del petrolio. I sottoprodotti dei

COMPRESSORE TURBINAA GAS

GENERATOREELETTRICO

aria

CCGasificazionedel carbone

Syngas PURIFICAZIONEPURIFICAZIONE


GENERATOREELETTRICO

aria

CCGasificazionedel carbone

Syngas PURIFICAZIONEPURIFICAZIONE

Gasificazionedel carbone

Syngas

Rimozionedi H2S

COShift

Separazionedi CO2

H2S CO2

STORAGESTORAGE


GENERATOREELETTRICO

aria

CCH2

Gasificazionedel carbone

Syngas

Rimozionedi H2S

COShift

Separazionedi CO2

H2S CO2

STORAGESTORAGE


GENERATOREELETTRICO

aria

CCH2

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processi di gassificazione, inoltre, possono essere opportunamente trattati per una loro commercializzazione (come nel caso dello zolfo), o sono resi disponibili come inerti facilmente smaltibili in apposite discariche ( come avviene con le ceneri ). Le peculiari caratteristiche di tali tecnologie, infine, hanno recentemente consentito di formulare il concetto di impianto di generazione elettrica, da carbone, a emissioni nulle ( Zero Emission Coal, ZEC ), basato sulla separazione dell’anidride carbonica dal syngas e sulla successiva combustione dell’idrogeno (in realtà una miscela idrogeno-vapore d’acqua ) in cicli a vapore avanzati. Uno scenario energetico basato sui “vettori puliti” ottenuti mediante l’uso di un combustibile ritenuto fortemente inquinante come il carbone, è certamente attraente. Tale concetto, una volta sviluppato, costituirebbe una vera e propria rivoluzione nel campo della produzione di energia elettrica. In quest’ottica, ed in virtù della politica di diversificazione delle fonti energetiche attuata dall’Italia, l’ENEA sta studiando sistemi energetici innovativi per lo sfruttamento dei combustibili fossili ed in particolare del carbone. 3. I cicli avanzati : stato dell’arte e cicli innovativi Sulla base degli scenari energetici del nostro Paese che, nel breve e medio periodo, prevedono:

- il progressivo ridimensionamento dell’olio combustibile come fonte energetica primaria, sia per motivi legati all’impoverimento delle riserve “convenzionali”, sia per motivi di opportunità geopolitica ;

- il consistente ricorso al gas naturale come elemento chiave per il miglioramento della compatibilità ambientale;

- il crescente interesse ad un utilizzo “pulito” ed efficiente del carbone, come necessaria transizione verso l’economia dell’idrogeno;

possiamo individuare due fondamentali filoni di “domanda” di ricerca, sintetizzabili in:

- cicli alimentati a gas, che presuppongono di utilizzare gas naturale (o syngas o biogas derivante da biomasse o combustibili di opportunità) come opzione concreta per il breve e medio periodo;

- cicli alimentati a carbone in un’ottica realisticamente di medio-lungo periodo. La figura seguente (Fig. 4) pone in luce i principali cicli e tecnologie più avanzate per uno sfruttamento sempre più ecosostenibile delle fonti energetiche gassose e solide (in evidenza i settori nei quali è operante l’ENEA). Fig. 4

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3.1 Cicli alimentati a gas In questo settore i cicli che a tutt’oggi garantiscono maggiori rendimenti (58% – 60%), con discreta affidabilità e bassi costi d’impianto, sono rappresentati da cicli combinati NGCC (natural gas combined cycle - turbina a gas alimentata a gas naturale + ciclo a vapore sottoposto). L’elemento innovativo può essere rappresentato dalla introduzione di una tecnica di combustione avanzata denominata MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) o combustione “senza fiamma”, caratterizzata da bassissime emissioni (1/10 o meno di quelle proprie delle “Best Available Tech.” Del settore), alta stabilità ed efficienza di combustione, il che, a parità di potenza prodotta, determina un minor consumo di combustibile e quindi minori emissioni di CO2. Altro elemento di novità può essere rappresentato dall’impiego di syngas di varia provenienza (anche dalla gassificazione di biomasse) caratterizzati da una significativa percentuale di idrogeno. Questo determina necessariamente minori emissioni di CO2, e, per contro, implica l’integrale riprogettazione del dispositivo di combustione (basso potere calorifico [kJ/Nm3] : circa 1/3 o meno di quello del gas naturale; basso ritardo di ignizione; ecc). L’impiego di siffatti combustibili impone peraltro la necessità di trattamenti preliminari del gas per l’eliminazione di composti indesiderati. Infine altri aspetti innovativi possono riguardare il monitoraggio ed il controllo che si traduce in un aumento della “disponibilità” ed “affidabilità” dell’impianto, e nella maggiore flessibilità di esercizio per renderli più adatti a regolare la produzione elettrica in funzione della richiesta sulla rete. Su tutte queste tematiche (combustione MILD, utilizzo di Syngas, ecc.) l’ENEA è impegnato (progetti HYDROSYN; HIT-WASTE; MICROTURBINA; SEAL) e può fornire un significativo contributo all’innovazione, in collaborazione con i partner (Ansaldo Energia; Ansaldo Cadaie; Ansaldo Ricerche; TURBEC; ITEA; Università varie) 3.2 Cicli alimentati a carbone Si fa oggi riferimento alle cosiddette “Clean Coal Technologies”, ossia alle più moderne tecnologie che consentono un utilizzo efficiente e pulito del carbone. In particolare, le quattro categorie impiantistiche su cui attualmente si punta per un utilizzo efficiente e pulito del carbone, vengono di seguito elencate in ordine decrescente rispetto alla maturità tecnologica e crescente rispetto alla qualità degli effluenti prodotti:

a) impianti termoelettrici supercritici (SC) e ultra supercritici (USC); b) impianti a letto fluido AFBC e PFBC; c) impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycles); d) impianti a oxy-combustione; e) impianti di gassificazione del carbone con sequestrazione (separazione + stoccaggio

definitivo) della CO2 (esempio: impianto ZECOMIX proposto dall’ENEA), cioè impianti a “zero emission”.

Nella sostanza tali cicli prevedono l’utilizzo diretto del carbone in impianti a cicli termodinamici ad alto rendimento, o la gassificazione dello stesso, e l’utilizzo del syngas prodotto come vettore energetico.

3.2.1 Combustione di Carbone a) Impianti termoelettrici PF (Pulverisez Fuel) supercritici (SC) e ultra supercritici (USC) Gli impianti a vapore avanzati operano con vapore surriscaldato caratterizzato da valori di pressione e temperatura superiori a quelli relativi al punto critico del vapore. Le prime applicazioni di tali sistemi risalgono ai primi anni ’60 e operavano con pressioni leggermente superiori al valore critico (tra 240÷250 bar). Nei decenni successivi la tecnologia supercritica fu gradualmente abbandonata a causa di numerosi problemi tecnici ed economici e si ritornò ai tradizionali impianti

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subcritici, caratterizzati da efficienze minori ma da costi inferiori e da una tecnologia ampiamente consolidata. Negli ultimi decenni, invece, la sempre più pressante necessità di ridurre le emissioni e i notevoli sviluppi nel campo dei materiali, hanno consentito la messa a punto dei cosiddetti impianti a vapore ultrasupercritici, funzionanti a pressioni e temperature decisamente superiori a quelle adottate negli impianti convenzionali. Operando con pressioni di circa 300÷320 bar e con temperature prossime ai 600°C si riesce ad ottenere efficienze globali dell’ordine del 45÷47% (anche in presenza di sistemi di abbattimento degli inquinanti, che ovviamente riducono il rendimento netto dell’impianto).

L’obiettivo prefissato per il prossimo futuro è quello di raggiungere efficienze di conversione dell’ordine del 50%, utilizzando leghe a base di nichel per la realizzazione dei componenti soggetti alle temperature maggiori (che verrebbero incrementate fino a 700°C). Per raggiungere tale obiettivo l’Unione Europea ha finanziato un ambizioso progetto, finalizzato allo sviluppo di impianti ultrasupercritici a polverino di carbone caratterizzati da elevate prestazioni e ridotto impatto ambientale . Tale progetto, al quale prendono parte numerose aziende europee, ed a cui partecipa anche ENEA (MAT), è stato denominato AD700 (Advanced 700°C Pulverized Coal-Fired Power Plant) e si propone di incrementare la temperatura massima del ciclo fino a 700°C e la pressione a 375 bar, con un corrispondente aumento dell’efficienza dell’impianto (di taglia commerciale compresa tra 400 e 1000 MWe) fino al 50÷55%. E’ significativo osservare che un’efficienza del 50% comporterebbe una riduzione di emissioni di CO2 del 25% rispetto alle tecnologie attuali (efficienza : 40%). b) Impianti a Letto fluido CFB (Circulating Fluidised Bed) Rappresentano un’interessante alternativa agli impianti PF con il vantaggio di poter utilizzare combustibili di bassa qualità, biomasse, rifiuti, ottenendo buone prestazioni ambientali. Si possono distinguere applicazioni a pressione atmosferica e pressurizzate. b1) Impianti AFBC In questo tipo di sistemi (Atmospheric Fluidized Bed Combustion) il carbone polverizzato viene immesso, insieme ad una certa quantità di materiale inerte (generalmente sabbia) e calcare, all’interno di un combustore a letto mantenuto in condizioni di fluidità da un getto d’aria comburente opportunamente insufflata. Le piccole dimensioni e il continuo moto turbolento delle particelle di carbone all’interno del letto favoriscono una rapida ed efficiente combustione caratterizzata da temperature relativamente basse, dell’ordine degli 800÷900°C. Proprio le basse temperature in fase di combustione limitano la formazione degli NOx termici. Inoltre, per tali valori della temperatura, il calcare presente nel letto da origine a reazioni di calcinazione e forma così CaO, che reagisce con gli ossidi di zolfo dando luogo alla formazione di gesso, che viene quasi totalmente rimosso insieme alle ceneri, allo stato secco, in corrispondenza del fondo del reattore. Durante la combustione il calore prodotto viene trasferito al ciclo a vapore, per mezzo di fasci tubieri immersi nel letto fluido, e convertito in energia elettrica mediante cicli a vapore convenzionali. La forza di questo tipo di impianti sta, più che nell’efficienza (in linea con gli impianti termoelettrici tradizionali: < 40%), nel loro livello di emissioni intrinsecamente basso anche con combustibili difficili (poveri e/o ad elevato contenuto di zolfo) al quale si accompagna un elevata movimentazione di sorbenti solidi e ceneri. I costi di impianto si mantengono in qualche modo (circa 10-15%) inferiori alle tecnologie convenzionali. b2) Impianti PFBC In questi impianti (Pressurized Fluidized Bed Combustion) il carbone viene bruciato utilizzando, come comburente, aria compressa (fino a 10÷15 bar). Buona parte dell’energia termica derivante dalla combustione viene utilizzata per generare vapore che poi evolve in un ciclo ordinario. I gas effluenti, caratterizzati da valori ancora elevati di temperatura e pressione, vengono inizialmente depolverizzati mediante un ciclone funzionante ad alta temperatura, dopodiché vengono inviati in una turbina a gas, che ne converte l’energia termica e di pressione in energia meccanica, con la quale vengono mossi il compressore e il generatore elettrico. L’energia termica ancora posseduta dai gas all’uscita della turbina viene infine recuperata (mediante degli economizzatori) e integrata nel ciclo a vapore sottoposto. Come per gli AFBC l’aggiunta di calcare all’interno del letto consente

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la desolforazione “in situ”, mentre le modeste temperature (900°C), contenute anche per evitare effetti di agglomerazione del letto, limitano fortemente la formazione di NOx. Uno dei principali problemi da risolvere per incrementare l’efficienza riguarda la temperatura di immissione dei gas in turbina essa è vincolata superiormente dalla temperatura del letto fluido. La tecnologia PFBC è più semplice comparata a quella degli impianti IGCC sia sul versante del controllo delle emissioni che su quello del ciclo. Comunque, al giorno d’oggi, non può ancora ritenersi matura dal punto di vista commerciale. Sono attualmente operanti pochi impianti, per lo più di taglia inferiore ai 100 MWe, che operano in condizioni subcritiche e raggiungono rendimenti dell’ordine del 44%. c) Oxy - combustione MILD La contemporanea opportunità di bruciare carbone in atmosfera ricca di Ossigeno, e di determinare le condizioni di combustione MILD (forte ricircolo dei prodotti di combustione, pari a 3-4 volte il comburente fresco), offrono la possibilità di ottenere un effluente gassoso che, oltre ad essere intrinsecamente pulito perché con contenuti estremamente bassi di particolato solido, di NOx e di metalli pesanti, è composto essenzialmente da CO2 e vapore, il che rende possibile la separazione dell’anidride carbonica con tecniche molto semplici (condensazione). Inoltre, la composizione dell’effluente (come detto vapore per una percentuale superiore all’80% ed il resto CO2 ), unita ad un elevato contenuto entalpico, rende possibile l’adozione di cicli di recupero energetico particolarmente efficienti (superiori al 60%). 3.2.2 Gassificazione del Carbone e combustione del syngas prodotto a) Impianti IGCC Producono energia elettrica mediante un ciclo combinato con turbine a gas ed a vapore, dove la turbina a gas è alimentata da un syngas (miscela essenzialmente di H2 e CO) prodotto mediante gasificazione del carbone (Fig. 5) sono stati realizzati impianti dimostrativi (si cita quello di Puertollano finanziato dalla UE) che hanno dato risultati incoraggianti. I principali impianti IGCC su scala commerciale hanno dimostrato di poter operare con un rendimento netto del 40÷45% paragonabile a quello dei migliori impianti a vapore. Dal punto di vista ambientale la superiorità degli IGCC rispetto alle altre tecnologie consolidate è fuori discussione. b) Tecnologie “Zero Emission” Si tratta delle tecnologie più promettenti per la rimozione della CO2 . Esse si basano, per grosse linee, sulla gassificazione del carbone con produzione di un syngas sostanzialmente composto da H2 e CO. Quest’ultima, in presenza di vapore, subisce la reazione di shift a CO2 (Fig. 3). Al termine del processo di concentrazione, la CO2 può essere rimossa, rendendo disponibile per l’impiego energetico un syngas ricco di Idrogeno . In questo ambito esistono alcune importanti iniziative internazionali, tra le quali il progetto FUTURE GEN (USA) che prevede la realizzazione di un impianto dimostrativo da 275 Mwe per la fine del 2013, ed il progetto HYPOGEN (CE), progetto a cui anche l’Italia e l’ENEA partecipano, che prevede la realizzazione di un dimostrativo per il 2015 (finanziamenti in FP6 e FP7 / 8). Nel medio termine, questi grossi progetti dimostrativi daranno forte visibilità pubblica alle tecnologie innovative che sottendono. A questa tipologia di ciclo appartiene il dimostrativo ENEA - ZECOMIX, un impianto caratterizzato da un innovativo processo di idrogassificazione anaerobica del carbone, con produzione di un syngas che, previa trattamenti di carbonatazione e successiva calcinazione, viene trasformato in:

- una corrente concentrata di CO2 pura sequestrabile; - un syngas ricco (80% - 90% in volume) di Idrogeno.

Quest’ultimo può essere utilizzato come vettore energetico o per produrre energia in un ciclo avanzato ad alto rendimento.

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4 Una “Road - Map” per i combustibili fossili, verso “ l’emissione zero ” La Comunità europea, negli ultimi anni, ha delineato una credibile road - map per quanto riguarda l’impiego di combustibili fossili. Su questa base essa intende focalizzare i finanziamenti, utilizzando questi ultimi come strumenti di indirizzo al fine di “attrezzare” l’industria europea a reggere la sfida energetica mondiale. A conferma di ciò in Fig. 6 vengono riportati i temi prioritari di FP7, da cui si evince come siano fondamentali i temi di :

- Energy efficiency ; - CO2 capture and storage, technology for zero emision power generation ; - Clean coal technology.

Fig. 5: Impianto IGCC

Fig. 6

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La road-map tiene conto dello stato attuale di sviluppo di alcune tecnologie, le più promettenti, sinteticamente descritte nel paragrafo 3, e dei programmi internazionali attualmente in corso. Per la futura generazione di potenza, includendo tecnologie CCT e CCs descritte, uno degli elementi chiave sarà rappresentato dalle turbomacchine (a gas o a vapore). In particolare la turbina a gas è il componente con più ampi margini di miglioramento, sia in termini di efficienza che di flessibilità di impiego. Non è un caso che, dalla fine degli anno ’90 le turbine a gas rappresentino oltre il 60% di tutti gli ordini annauli per nuova generazione. Gas naturale, syngas da gassificazione di carbone o di biomasse, idrogeno convergono tutti su tale elemento, per cui la flessibilità, ossia la possibilità di impiegare gas poveri, o di opportunità assurge al massimo interesse, allorché il prezzo del gas naturale continua a crescere. Sulla base di queste considerazioni la road-map (Fig. 7) vede nel breve periodo (2005 – 2015) un forte impegno per l’ottimizzazione degli impianti GTCC, con particolare enfasi per quanto attiene alla flessibilità di impiego per combustibili non standard, contenenti crescenti percentuali volumetriche di idrogeno.

Fig. 7

Intorno all’anno 2010 è previsto il raggiungimento della maturità tecnologica per impianti CFB, con la realizzazione di unità di potenza significativa. Il decennio 2010 – 2020 vedrà la piena dimostrazione tecnologica di impianti di produzione di Idrogeno dalla massificazione del carbone, con parallelo sequestro della CO2 concentrata prodotta (CCT + CCS). A questi appartengono i grossi dimostrativi FUTURGEN (USA) e HYPOGEN (CE) ed il nostro ZECOMIX , che in una scala piccola ma significativa(120 kWe) vuol dimostrare un innovativo processo di “idrogassificazione” del carbone. Verso la metà dello stesso decennio (2015) gli impianti IGCC raggiungeranno la loro maturità tecnologica.

Economia totalmente basatasu tecnologie tradizionali per

lo sfruttamento di combustibili fossili

ZERO EMISSION

2040

2030

2020

2000

2010

Dimostrazione Produzione H2 da combustibili fossili e sequestro CO2

Significativa produzione di H2 da combustibili fossili (CCT + CCS), compresa gassificazione biomasse

Impiego massiccio di combustibili fossili con tecnologie CCT e CCS –Penetrazione commerciale

Dimostrativi CCT + CCS:HYPOGEN (CE)FUTUR GEN (USA

ZECOMIX(dimostratico CCT-CCS)

ROAD – MAP PER: “NEAR ZERO EMISSION” DA COMBUSTIBILI FOSSILI

Incremento efficienza negliimpianti e flessibilitànei combustibili(GTCC)

IGCC: maturità tecnologica

USC : maturità tecnologica

Dimostrazione OXY Combustion

Maturità tecnologica CFB (unità da 600 – 800 Mwe in connessione con cicli USC)

GTCC: Gas Turbine Combined Cicle IGCC: Integrated Gas Combined CicleCFB: Circulating Fluidised BedUSC: Ultra SuperCriticCCT: Clean Cola TechnologyCCS: Carbon Capture and Storage

Economia totalmente basatasu tecnologie tradizionali per

lo sfruttamento di combustibili fossili

ZERO EMISSION

2040

2030

2020

2000

2010

Dimostrazione Produzione H2 da combustibili fossili e sequestro CO2

Significativa produzione di H2 da combustibili fossili (CCT + CCS), compresa gassificazione biomasse

Impiego massiccio di combustibili fossili con tecnologie CCT e CCS –Penetrazione commerciale

Dimostrativi CCT + CCS:HYPOGEN (CE)FUTUR GEN (USA

ZECOMIX(dimostratico CCT-CCS)

ROAD – MAP PER: “NEAR ZERO EMISSION” DA COMBUSTIBILI FOSSILI

Incremento efficienza negliimpianti e flessibilitànei combustibili(GTCC)

IGCC: maturità tecnologica

USC : maturità tecnologica

Dimostrazione OXY Combustion

Maturità tecnologica CFB (unità da 600 – 800 Mwe in connessione con cicli USC)

GTCC: Gas Turbine Combined Cicle IGCC: Integrated Gas Combined CicleCFB: Circulating Fluidised BedUSC: Ultra SuperCriticCCT: Clean Cola TechnologyCCS: Carbon Capture and Storage

GTCC : Gas Turbine Combined Cicle IGCC : Integrated Gasification Combined Cicle CFB : Circulating Fluidised Bed USC : Ultra Super Critical CCT : Clean Coal technology CCS : Carbon Capture and Storage

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Nella seconda metà del decennio 2020 – 2030 è inoltre prevista la dimostrazione tecnologica di grosse unità ad oxy-combustione. Il decennio 2020-2030 vedrà una significativa produzione di idrogeno da combustibili fossili, tramite tecniche di “per-combustion CO2 capture” (CCT + CCS), e costituirà la fase preliminare alla massiccia penetrazione commerciale. Le tecnologie fin qui descritte sono caratterizzate da alti costi capitali, se paragonate all’attuale stato dell’arte rappresentato dagli impianti a ciclo combinato GTCC, ciò è principalmente legato alla complessità dei cicli ed alla opzione “CO2 capture”. Tuttavia nel settore dei grossi sistemi di generazione, la maggiore driving force è costituita dai costi dell’elettricità (COE in c$/kWh). La Tabella 1 sintetizza tali costi.

(*) costi del “CO2 storage” e del trasporto non inclusi Come si evince dalla tabella, i costi di elettricità (CoE in c$/kWh) riequilibrano il panorama, favorendo la soluzione ZECOMIX, in relazione al sensibile incremento di rendimento, molto conservativamente posto al 50%. Alla luce della road-map e dei costi sinteticamente illustrati, vanno considerati gli interventi che l’ENEA intende effettuare nel breve-medio periodo. 5. La proposta ENEA La proposta ENEA si articola in interventi sul breve-medio e medio-lungo periodo, caratterizzati da stretta interconnessione e sequenzialità. Sul breve-medio periodo l’interesse è focalizzato sull’utilizzo di syngas ricchi di idrogeno, provenienti dalla gassificazione di carbone (ed anche biomasse), in impianti a ciclo combinato, con il duplice scopo di limitare le emissioni (inquinanti e gas serra) incrementando l’efficienza energetica dei sistemi. Il target finale è duplice, da un lato la grossa cogenerazione, dall’altro la micro e poli-generazione distribuita per produzione combinata di energia e calore. Per raggiungere gli obiettivi citati lo sforzo di ricerca è e sarà concentrato sui seguenti temi:

- sviluppo di efficienti metodi di gassificazione e gas-cleaning del syngas prodotto - sviluppo tecnologia di combustione MILD; - sviluppo di una filiera di bruciatori Trapped Vortex (TV) che realizzano principi di

combustione MILD; - sviluppo di materiali per le alte temperature con particolare riferimento alla camera di

combustione ed alla turbina;

Tab 1: comparazione costi elettricità no CO2 capture CO2 capture (*) capital cost COE efficiency capital cost CoE efficiency $/kW c$/kWh $/kW c$/kWh GTCC 536 3,3 55,4% 998 4,9 48,2% IGCC (shell gasifier; pre-combustion CO2 capture) 1371 4,8 43% 1860 6,3 35% IGCC (Texaco gasifier ; pre-combistion CO2 capture) 1187 4,5 38% 1495 5,6 32% SC (post combustion CO2 capture, MHI Amine tech.) 1171 4,3 44% 1858 6,3 35% Oxy-fuel + USC 1171 4,3 44% 1858 6,3 35% ZECOMIX - - - 2716 5,2 50%

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- sviluppo di metodologie per la progettazione di componenti e l’ottimizzazione di processi; - sviluppo di diagnostica avanzata e metodologie di controllo anche attivo; - studi di impatto ambientale.

Nel medio-lungo periodo, l’interesse è concentrato sulle tecnologie “Clean Coal Zero Emission” ossia sui processi ad alto rendimento ed emissione nulla di CO2. In questo ambito, gli obiettivi della ricerca si possono riassumere nei seguenti punti:

- analisi e sviluppo di cicli innovativi di gassificazione “zero emission”; tra questi un significativo ampio sforzo è concentrato sul ciclo ZECOMIX più oltre descritto. Il risultato di tale sforzo sarà lo sviluppo di una tecnologia che permetterà di produrre energia elettrica ed idrogeno utilizzando carbone in maniera pulita e sequestrando la CO2, con livelli di efficienza molto elevati (superiori al 60%);

- analisi e sviluppo di tecnologie di oxi-combustione del carbone abbinati a cicli di recupero energetico ad elevata efficienza e “zero emission”.

La figura seguente (Fig. 8) illustra per titoli i temi suddetti in relazione alla tempistica ed alla reciproca interconnessione (le attività nel breve-medio periodo risultano fondamentali e propedeutiche per la loro applicazione nelle attività proprie del medio-lungo periodo).

Fig. 8: La proposta ENEA nel breve, medio e lungo periodo

Me

dio

e L

un

go

Pe

rio

do

Cicli avanzati basati su“Clean Coal Technologies”:

-Oxy-Combustione-Tecnologia ZECOMIX



Energia da Carbonead “EMISSIONI ZERO”


Me

dio

e L

un

go

Pe

rio

do







Bre

ve

e M

ed

io P

eri

od

o

Insieme di tecnologiepropedeutiche all’utilizzo

di syngas ricchi di H2 ed allacombustione “senza fiamma”

(MILD)



(MILD)

Incremento efficienza,Contenimento emissioni

già in impiantia ciclo combinato



Bre

ve

e M

ed

io P

eri

od

o



(MILD)



(MILD)





17

5.1 La proposta per il breve/medio periodo Sulla base delle considerazioni tecnico-economiche in precedenza fatte, che delineano, da un lato lo stato dell’arte delle tecnologie, dall’altro lo scenario di sviluppo dei prossimi trenta anni, fortemente condizionato dai consumi crescenti, dai rischi di cambiamenti climatici e dal progressivo esaurimento o sempre più difficile reperibilità di alcune fonti, l’ENEA intende operare una precisa scelta di campo, puntando su combustibili complessi, meno nobili, più economici ma “sporchi”, in primis il carbone, ma anche residui dell’industria petrolchimica, catrami, CDR, biomasse, ponendo in essere il meglio delle tecnologie per renderli compatibili con l’ambiente. In questa azione l’ENEA pone l’accento sui due principali punti di forza nel settore:

- le consolidate capacità di progettazione sistemica di cicli avanzati - le competenze multidisciplinari nel settore delle tecnologie della combustione ed in

particolare di quella MILD.

Nel breve-medio periodo la proposta ENEA si concentra pertanto sull’utilizzo di syngas ricchi di idrogeno, provenienti dalla gassificazione di carbone (o di biomasse), in impianti a ciclo combinato, al fine di limitare le emissioni di inquinanti e gas serra, incrementando contemporaneamente l’efficienza energetica. Lo sviluppo si rivolge al settore della grossa cogenerazione, come quello della micro e poli-generazione distribuita. Quest’ultima si basa sulla diffusione della produzione di energia elettrica distribuita e di impianti integrati con il sistema produttivo comprensoriale ed il suo contesto socio-economico (district), favorendo la diversificazione e integrazione delle fonti primarie ed il ricorso alle fonti rinnovabili (biomasse) e di nuovi combustibili ( rifiuti, syngas, Idrogeno). Numerosi sono i temi di ricerca, sui quali l’ENEA è già impegnato:

- sviluppo di efficienti metodi di gassificazione e gas-cleaning del syngas prodotto. Infatti, perché il gas sia utilizzabile in turbina, esso deve subire una fase di trattamento per la eliminazione di composti aggressivi (solfuri, cloruri, ecc.) ed un moderato arricchimento in H2 mediante separazione, almeno parziale, della CO2.

- sviluppo della tecnologia di combustione MILD, che realizza l’ossidazione del combustibile in un volume esteso piuttosto che nel fronte di fiamma. Ciò si traduce in elevata controllabilità e stabilità di combustione, emissioni contenute, alta efficienza e quind,i a parità di potenza prodotta, minori emissioni di CO2 . Questo tema presuppone il parallelo sviluppo di una filiera di bruciatori Trapped Vortex (TVC) che realizzano in maniera passiva, e con bassissime perdite di pressione, i principi della combustione MILD;

- analisi e sviluppo di materiali per le alte temperature con particolare riferimento alla camera di combustione ed alla turbina. Si tratta di introdurre materiali ceramici, in grado di sopportare i riflessi dell’elevata temperatura adiabatica dell’Idrogeno, nella fabbricazione di raccordi, palettature fisse e mobili, nonché nel rivestimento della camera di combustione;

- messa a punto di metodologie per la progettazione di componenti e l’ottimizzazione di processi. Si tratta di strumenti numerici zero-dimensionali o tridimensionali per il progetto, la validazione e l’ottimizzazione di componenti singoli o dell’intero ciclo. Tali strumenti minimizzano lo sforzo di validazione sperimentale delle soluzioni tecnologiche proposte;

- diagnostica avanzata e metodologie di controllo per il monitoraggio in fase di sviluppo sperimentale e di esercizio dei dispositivi ed impianti reali. Particolare interesse riveste lo sviluppo di dispositivi e metodologie per il controllo attivo;

- studi di impatto ambientale al fine di valutare gli effetti sull’ecosistema locale ed incrementare il livello di accettazione delle popolazioni.

Problema principale dell’impiego di gas ricchi di idrogeno in turbina è il basso potere calorifico per unità di volume che, unitamente al breve ritardo di ignizione, all’alta temperatura adiabatica ed agli ampi limiti di infiammabilità dell’drogeno, determina la necessità di una integrale riprogettazione del sistema di combustione. Su questo tema si concentra gran parte degli sforzi di ricerca. 5.2 La proposta per il medio/lungo periodo: i cicli a carbone a “emissione nulla”. Obiettivo principale della proposta ENEA per il medio/lungo periodo è lo studio e lo sviluppo di cicli

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avanzati per l’utilizzo del carbone ad alta efficienza e ad emissione nulla di inquinanti in atmosfera. Questa tipologia di processi dovrebbe consentire di ottenere efficienze energetiche intorno al 60%, ossia di almeno venti punti percentuali in più rispetto alle prestazioni ottenibili con le attuali tecnologie. Due sono i cicli di questa tipologia che si intende analizzare: il ciclo Zecomix ed il ciclo oxy-combustione. Sul ciclo ZECOMIX l’ENEA ha iniziato una intensa attività sia teorico che sperimentale, che si concretizzerà nella realizzazione di una facility di notevole complessità tecnologica. Si ritiene quindi opportuno effettuarne di seguito una descrizione più dettagliata. 5.2.1 Il Ciclo ZECOMIX Cuore della proposta ENEA per il medio/lungo periodo è rappresentato dal ciclo ZECOMIX, che consentirà la produzione di idrogeno ed elettricità con efficienze elevate (superiori al 60%) e concomitante sequestrazione della CO2. Questa iniziativa fa parte di un più ampio progetto che, proposto e coordinato da ENEA (UTS ENE), coinvolge sia partner industriali, come Ansaldo Ricerche e Sotacarbo, sia Università quali il Politecnico di Milano, le tre Università di Roma e le Università di Cassino, l’Aquila, e Napoli nella cornice del programma “Nuove tecnologie e processi per la transizione verso il Sistema Idrogeno”. Tale programma di ricerca finanziato dal Governo Italiano (in ambito FISR – PNR) per la durata di tre anni, è orientato allo sviluppo di sistemi, tecnologie e componentistica avanzata al fine di promuovere la diffusione dell’idrogeno come vettore energetico utilizzabile con emissioni nulle nei diversi settori di applicazione. In quest’ambito un impianto pilota con tecnologia ZECOMIX verrà realizzato a partire dal 2006 presso il Centro di Ricerca ENEA di Casaccia.

Il ciclo descritto nella figura seguente (Fig. 9), prevede due sezioni principali, fortemente interconnesse dal punto di vista energetico:

• una sezione di gassificazione del carbone (ZEC - Zero Emission Coal), che integra un particolare processo di gassificazione in assenza di ossidante (idrogassificazione) con un innovativo sistema di cattura della CO2 a caldo realizzato in un apposito reattore mediante l’azione di un sorbenti a base di ossido di calcio miscelato con opportuni catalizzatori;

• una sezione di potenza, che utilizza la tecnologia ZECOTECH ( Zero Emission Combustion TEChnology using Hydrogen). Tale tecnologia si basa sulla combustione dell’idrogeno prodotto nella sezione di gassificazione e la produzione di energia elettrica attraverso un ciclo a vapore ad elevata temperatura. Ci si avvale a tale scopo di una combustione di idrogeno con ossigeno puro come agente ossidante, per produrre vapore ultrasurriscaldato che poi viene fatto espandere in una turbina a gas. Nella camera di combustione, che opera con un elevato ricircolo di vapore, si và a realizzare la cosiddetta combustione MILD, caratterizzata da una forte diluizione e da un’elevata temperatura di preriscaldamento della miscela di combustibile e ossidante.

ASU

CARBONE

GAS POW

CAL CO2

IDROGENO

OSSIGENO

ANIDRIDE CARBONICA

SORBENTE SOLIDO

VAPORE

ENERGIA ELETTRICA

SYNGAS

ALLO STORAGE

Fig. 9: Ciclo ZECOMIX

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Le due sezioni sono naturalmente connesse in modo da ottimizzare i flussi energetici e massimizzare l’efficienza globale del processo, sfruttando tutte le risorse termiche disponibili. Infatti grazie alle alte temperature raggiunte dal vapore, prossime e in futuro superiori a quelle tipiche dei sistemi turbogas convenzionali, il rendimento del ciclo “fully zero emission” risulta dell’ordine del 65%. Le ricadute delle attività di ricerca e sviluppo, in termini sia tecnologici che di bagaglio di conoscenze di base, saranno le seguenti:

• lo sviluppo del reattore di idrogassificazione e le basi per la progettazione di un prototipo industriale;

• lo sviluppo del reattore di carbonatazione/calcinazione (la rigenerazione del sorbente utilizzato per la cattura della CO2 viene effettuato mediante la reazione inversa, la calcinazione, in una camera di reazione fortemente interconnessa a quella di carbonatazione) e le basi per la progettazione di un prototipo industriale;

• lo studio di sistemi di desolforazione ad elevata temperatura, fortemente integrati con il sistema di decarbonatazione;

• l’analisi e lo sviluppo della combustione idrogeno-ossigeno con diluizione di vapore; • lo sviluppo di modellistica, sia di cinetica chimica che di combustione con idrogeno.

5.2.2 L’Oxy - combustione La tecnologia di Oxy-combustione permette lo sviluppo di sistemi innovativi in grado di produrre energia a basso costo, da combustibili problematici di basso pregio, con impatto ambientale “near zero emission”. Essa rientra nel novero delle tecnologie di “post combustion CO2 capture”. L’obiettivo è quello di realizzare un flusso altamente concentrato di CO2 , tale che sia poi facile ed economicamente conveniente la sua successiva rimozione (Fig. 10). La tecnologia è ancora lontana dal dimostrare la sua fattibilità tecnica, permanendo problemi di controllo della combustione, e problemi di corrosione delle superfici di scambio termico della caldaia in via di soluzione. ENEA intende risolvere la problematica del controllo facendo leva sulla combustione avanzata di tipo MILD, in precedenza descritto, già testata a livello dimostrativo. Si prevede di sviluppare l’Oxy-combustione nel contesto delle tecnologie industriali di produzione di energia, secondo due filiere tecnologiche: quella più tradizionale combustore-caldaia USC, e quella più avanzata, concettualmente prossima al ben noto ciclo combinato con turbina a gas. Il nuovo sistema di combustione opera in pressione, a temperatura alta ed uniforme. Azzera nei fumi gli organici tossici, fonde le ceneri incombustibili e consente la rimozione della CO2 con semplici tecniche di condensazione, impiegando combustibili di qualsiasi tipo, gassosi liquidi ma in particolare solidi. Riduce pertanto drasticamente le problematiche legate alle caratteristiche dei fumi di combustione da qualsivoglia combustibile, non esclusi i combustibili complessi e “sporchi” (carbone, carbone Sulcis, biomasse, CDR), offrendo di conseguenza una drastica riduzione dei limiti e delle complessità, connesse ai sistemi pratici di produzione ed al raggiungimento di valori di efficienza di conversione elevati (superiori al 60%). La versatilità della tecnologia consente inoltre di prefigurare significativi vantaggi anche nei sistemi tradizionali di logistica e di utilizzo dei combustibili usuali. Infatti si è in grado di trattare combustibili solidi sotto forma di slurry acquosi a granulometrie dell’ordine dei millimetri. Si annullano così le problematiche di storage ed handling del carbone polverizzato, e diventano gestibili alimentazioni di diversi combustibili in contemporanea. Altro vantaggio riguarda le ceneri incombustibili, che risultano “carbon free” e totalmente inerti.

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6. Il ventaglio dell’offerta ENEA L’ENEA mette a disposizione del sistema-paese, sul tema dei combustibili fossili, una serie di “Laboratori”, ciascuno inteso come l’insieme integrato di competenze, attrezzature sperimentali, risorse di calcolo, facility sperimentali e reti integrate di collaborazioni con il mondo della ricerca e quello dell’industria, afferenti ad importati temi di indagine relativi allo sviluppo, all’ottimizzazione, alla diffusione e promozione di un impiego “pulito ed efficiente” dei combustibili fossili. Di seguito vengono brevemente illustrate le principali potenzialità dell’offerta ENEA, distribuite tra le Unità ENE, PROT, MAT e le partecipate SOTACARBO e CETMA. 6.1 La simulazione ed i metodi di progettazione La comprensione delle fenomenologie fisico-chimiche, lo studio di cicli di processo e del comportamento di componenti e sistemi non è sempre possibile, od economicamente affrontabile, attraverso attività sperimentali, quindi sempre più si investe nello sviluppo di modelli numerici e codici. Tale sviluppo è notevolmente favorito dall’evoluzione tecnologica nel settore del calcolo e del supercalcolo, che rende disponibili macchine parallele ad elevate performance, permettendo lo studio di sistemi sempre più complessi con tempi di calcolo compatibili con le esigenze industriali. Diverse sono le tipologie di codici e competenze che l’ENEA può mettere a disposizione, in particolare:

• Codici di processo. Per l’analisi energetica, termodinamica ed economica dei processi coinvolti nella produzione di energia è necessario lo sviluppo di un modello fisico-matematico che consente di stabilire, attraverso opportuni bilanci di energia e di massa, le principali caratteristiche delle trasformazioni che interessano l’intero processo in esame. In particolare l’interesse dello studio per i nuovi impianti è concentrato sia sul processo “chimico” di generazione di prodotti di sintesi intermedia (syngas a base di idrogeno), sia sulla configurazione “meccanica” dell’impianto per la produzione di potenza. A tale scopo si rende necessario sia lo studio delle reazioni principali della sezione chimica che quello delle trasformazioni termodinamiche proprie del ciclo di potenza, tenendo conto quindi dell’influenza che i diversi parametri (temperatura, pressione e i rapporti tra specie reagenti,

Fig. 10: Oxy-combustione: schema concettuale

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etc) hanno sul comportamento globale del sistema, al fine di ottimizzare le prestazioni dello stesso. Nell’ambito dello studio e dell’analisi dei processi innovativi a combustibili fossili sono stati approntati (ENE-IMP) diversi modelli e simulazioni relative alla gassificazione del carbone in letto fisso e letto fluido, alla carbonatazione e calcinazione di sorbenti solidi in regime statico e dinamico, al reforming del gas naturale con anche produzione di idrogeno e cattura della CO2, ai cicli termochimici per la produzione di idrogeno, ai sistemi di clean-up del syngas prodotto. Altri lavori si sono concentrati sia sull’analisi e l’ottimizzazione di cicli a gas, cicli avanzati a vapore, cicli combinati e misti che sui sistemi globali quali impianti IGCC, impianti a vapore SC, impianti ibridi con celle a combustibile e turbine a gas. Il confronto tra diverse soluzioni e l’ottimizzazione di ognuna di esse, rende necessaria una grande mole di calcoli; è possibile affrontare tale attività grazie all’ausilio di codici modulari di analisi termodinamica di tipo commerciale quali ChemCad, IpsePRO, ASPEN, GateCycle, etc.. Tali codici per analisi di sistema a largo spettro, rappresemtano ambienti software per la modellizzazione e l’analisi dei processi dell’ingegneria chimica ed energetica in generale che, possono trattare processi continui, il calcolo delle proprietà fisiche di sostanze e composti, il dimensionamento e la valutazione dei costi di apparecchiature e altri calcoli tipici dell’ingegneria impiantistica. I diversi moduli sono integrati tra loro, ed hanno implementati al proprio interno dei robusti algoritmi che permettono una rapida convergenza e quindi tempi di calcolo relativamente ridotti. In generale tali codici, pur offrendo un efficace strumento d’analisi grazie alle interfacce di tipo grafico e ai rapidi metodi di calcolo che consentono una grande flessibilità, presuppongono, da parte dell’utente, sia un accurato studio della fenomenologia in esame, sia una particolare attenzione nella realizzazione delle interconnessioni tra moduli e nella scelta dei parametri operativi più adatti allo scopo prescelto.

• Codici per la simulazione termo-fluidodinamica (CFD).

Per quanto concerne le attività orientate alla progettazione e limitate ad analisi di tipo stazionario di componenti, viene utilizzato il codice FLUENT (codice di tipo RANS: che fornisce cioè medie temporali delle variabili di processo), che è tra i codici CFD (Computer Fluid Dynamics) più accreditati per le attività inerenti lo studio di processi termofluidodinamici. Nell’ambito della combustione di combustibili di origine fossile, siano essi solidi, liquidi o gassosi, si deve sottolineare che uno dei temi di studio di maggior interesse industriale riguarda la predizione di fenomeni non stazionari e di transitori che possono condurre alla perdita di efficienza del processo ed alla produzione di inquinanti, quando non addirittura a danni strutturali. E’ ormai consolidata la tesi che l’approccio numerico migliore per poter affrontare questo tipo di problematiche è rappresentato dalla tecnica Large Eddy Simulation (LES). L’approccio LES, pur richiedendo capacità di calcolo notevoli, è quello che consente di catturare bene la dinamica dei flussi, in quanto risolve lo studio della turbolenza sia nello spazio che nel tempo. Con tale approccio si riesce ad effettuare una predizione accurata della fluidodinamica e dell’interazione tra la turbolenza e le reazioni chimiche, ed ottenere una predizione altrettanto accurata delle fenomenologie chimiche. E’ per questo motivo che l’ENEA (ENE-IMP), pur avendo una notevole esperienza in simulazioni RANS, ha investito sull’approccio LES, sviluppando un proprio codice denominato HeaRT (Heat Release and Turbulence) già alla sua terza release. L’aspetto che maggiormente caratterizza un codice CFD commerciale è l’ampio spettro applicativo, la sua robustezza dal punto di vista numerico, l’applicabilità a geometrie complesse; di contro la generalità implica l’utilizzo di modelli di letteratura non sempre allo stato dell’arte delle conoscenze nel settore specifico di applicazione, spesso una minore accuratezza numerica ed una minore performance computazionale. Questi motivi, assieme ad un ambiente lavorativo favorevole, hanno incentivato le attività di sviluppo modellistico all’interno della UTS ENE. La presenza di competenze integrate (ingegneria dei processi, modellazione numerica, informatica avanzata) e delle infrastrutture sperimentali permettono infatti di attivare il circolo virtuoso che partendo dalla conoscenza del processo passa attraverso la definizione teorica di un modello matematico, la sua implementazione

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software, la sua validazione attraverso esperimenti specifici, per ritornare infine ad un affinamento del modello. Gli studi con approccio LES, affiancati da attività sperimentali con tecnologie avanzate di diagnostica (LDA, PIV, tecniche spettroscopiche), hanno avuto una particolare rilevanza nello sviluppo di strategie di controllo attivo/passivo su fenomeni di instabilità di fiamma che si è concretizzata nello sviluppo e brevettazione di strumenti di diagnosi e controllo.

• Codici di cinetica chimica.

A parte l’utilizzo del già citati ChemCAD, AspenPLUS e FLUENT che hanno una parte di analisi di cinetica chimica, il codice industriale che rappresenta al momento lo stato dell’arte è il codice CHEMKIN . CHEMKIN è un pacchetto di software sviluppato nei laboratori SANDIA, usato a livello mondiale nel campo della combustione e dell’industria chimica. Contiene al suo interno un set di “attrezzi” flessibili e potenti per incorporare le cinetiche chimiche e le complesse simulazioni di reattori di flusso. Grazie al CHEMKIN si è capaci di investigare migliaia di meccanismi di reazione per sviluppare la conoscenza di un particolare processo che comporterebbe tempi lunghissimi. Si è quindi in grado di modellare complessi processi chimici, che coinvolgono centinaia di reazioni e composti, in processi di ossidazione totale o parziale, massificazione, ecc., ricavando “schemi cinetici ridotti” frutto di una scelta ragionata delle reazioni o dei cammini reattivi perdominanti e di quelli, al contrario, trascurabili.

• Codici per analisi strutturali e termofluidodinamiche su nuovi materiali Nell’ambito della simulazione e più in generale delle metodologie di progettazione l’ENEA potrà avvalersi del Consorzio CETMA. In particolare l’area Modellistica e Simulazione della Divisione di Ingegneria dei Materiali e delle Strutture del CETMA mette a disposizione le sue competenze nell’ambito della modellazione numerica di fenomeni complessi (CFD, Crash), nell’ambito della simulazione e messa a punto di modelli numerici per la previsione del comportamento di materiali tradizionali (ceramici tradizionali, metalli) ed avanzati (ceramici avanzati, materiali compositi). Si riportano di seguito le tipologie di analisi e gli esempi applicativi più significativi, con indicazione dei codici di calcolo utilizzati. Analisi strutturali lineari e non lineari − Analisi elastico lineari per il dimensionamento e posizionamento della camicia metallica,

delle colonne e piattaforme costituenti uno statore ceramico di una turbina a gas (HyperMesh/Optistruct, Nastran)

− Simulazione e validazione del modello numerico di leghe d’alluminio base e saldato (LS-Dyna).

− Simulazione e validazione del modello numerico di compositi termoplastici (LS-Dyna); − simulazione di prove a norma come: prova di trazione, di flessione, charpy, ball drop

test e penetrazione per lo studio delle caratteristiche del materiale (LS-Dyna); − Simulazione del processo di cottura di ceramici tradizionali (Ansys);

Analisi termiche e fluidodinamiche (CFD) − Analisi termica per la determinazione dei gradienti termici di uno statore ceramico per

turbine a gas di motori aeronautici (Fluent, Ansys); − Analisi della fluidodinamica di profili immersi in un fluido ; − Studio ed ottimizzazione di scambiatori di calore aventi particolare geometria (Fluent) − Analisi accoppiate (termostrutturali - termofluidodinamiche); − Analisi termostrutturale di uno statore ceramico per turbine a gas di motori aeronautici ; Analisi accoppiate (termostrutturali termofluidodinamiche,…)

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- Analisi termostrutturale di uno statore ceramico per turbine a gas di motori aeronautici (Ansys);

Ottimizzazione strutturale - Ottimizzazione di forma, topografica, topologica e di spessori ; Analisi affidabilistiche di materiali ceramici - Analisi affidabilistica (fast fracture, fatica statica, dinamica e ciclica) di un vane ceramico

per turbine a gas di motori aeronautici (CARES/Life).

L’ampia gamma di codici di calcolo di cui dispone il CETMA consente di affrontare la stragrande maggioranza di problematiche ingegneristiche: progettazione 3D, analisi strutturale, analisi dinamiche, termiche, fluidodinamiche, analisi di fenomeni d’urto etc.

6.2 I nuovi materiali Un settore di particolare interesse, legato alle alte temperature in turbina, giustificate sia per motivi di rendimento, che per la percentuale massiccia di idrogeno nel combustibile, è rappresentato dai materiali strutturali e dai rivestimenti di componenti fissi (camere di combustione, elementi statorici, elementi di raccordo) e mobili (elementi rotorici) delle macchine. Le principali attività che ENEA (MAT-ING Faenza) può sviluppare a supporto delle attività sull’innovazione di turbine/microturbine per generazione di energia riguardano essenzialmente lo studio e sviluppo di materiali ceramici, compositi ceramici e coatings per componenti innovativi da utilizzare in condizioni di esercizio severe (alta temperatura, alte sollecitazioni, ambienti ossidanti o aggressivi). In particolare, dettagliando:

- sviluppo di componenti in materiale ceramico (es. base SiC o Si3N4) monolitico o rinforzato con particolato, anche nanostrutturato, per applicazione in turbina in condizioni statiche (es. pale statoriche, anelli di supporto) o in microturbina anche per componenti rotanti ;

- sviluppo di materiali ceramici/refrattari di composizione innovativa per liners per camera di combustione;

- sviluppo di materiali ceramici compositi (es. SiC-SiC per infiltrazione CVI) per applicazioni in componenti statici (es. liners di camere di combustione, con protezione EBC-TBC) o rotanti (es. pale di turbine non raffreddate, con protezione EBC-TBC);

- sviluppo di coatings innovativi metallici/ceramici realizzati con diverse tecnologie (es. APS, sol-gel/slurry) e con diversi materiali (es. zirconia con yttria, ceria, multilayer Si-mullite-alluminosilicati con Ba, etc) con funzione di barriera termica e di protezione contro l’ossidazione e la corrosione/erosione;

- caratterizzazione microstrutturale e termomeccanica ad alta temperatura dei materiali metallici di interesse per le turbine/microturbine (es. resistenza a frattura, tenacità, propagazione di cricche per fatica (FCG), LCF, creep, etc);

- caratterizzazione microstrutturale e termomeccanica dei materiali metallici, ceramici/refrattari, compositi (es. tenacità, flessione , SCG e fatica in temperatura, creep, etc.) e coatings (es. adesione) e caratterizzazione chimico fisica (es. ossidazione, corrosione da alcali, da vapore, etc.).;

- analisi della affidabilità dei componenti realizzati con materiali fragili (es. ceramici/refrattari) ed analisi di durata di vita (danneggiamenti da creep, ossidazione, corrosione, etc.) mediante modelli di calcolo EF integrati con processori statistici.

L’unità MAT può inoltre intervenire con Laboratori specifici sui temi pertinenti alle tematiche energetiche in precedenza descritte:

- Laboratorio Membrane, per misure di permeazione, absorbimento e desorbimento dei gas nei materiali a temperature fino a 1800 °C. Identificazione di materiali a permeazione selettiva, es. O2, per processi di parziale ossidazione degli idrocarburi e produzione di CO+H2 ;

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- Laboratori Rivestimenti, per la deposizione di strati spessi (Advanced Plasma Spray) e sottili (rf-dc magnetron sputtering, evaporazione da fascio elettronico e da fascio ionico) di ricoprimenti (nitruri e ossidi metallici) per migliorare la proprietà di usura, durezza, resistenza alla corrosione e alla temperatura di materiali utilizzati in campo energetico. Misura dell’adesione dei rivestimenti tramite scratch, pull e peel test dei ricoprimenti;

- Caratterizzazione non distruttive, per il controllo di difetti e variazioni strutturali dovute all’esercizio o al processo di formatura, tramite radiografia a raggi X (microfocus), microscopia acustica, ultrasuoni, eddy current (correnti indotte);

- Impianto LASER, per lo sviluppo di processi di saldatura e trattamento superficiale di materiali metallici. Laser di potenza fino a 10 kW. Possibilità di saldate leghe di acciaio, inox, nichel, titanio ed alluminio ed eseguire trattamenti superficiali di tempra controllata o cladding con sistema a polveri. Saldatura fra materiali dissimili e di placcati con l’impiego di materiale d’apporto e/o ibrido con zona di transizione estremamente ridotta. Produzione di prototipi, definizione di WPS di saldatura e caratterizzazione metallografia;

- Impianto Fascio Elettronico, per saldatura e trattamenti superficiali. Potenza fino a 50 kW. Trattamenti superficiali di tempra controllata su palette di turbine, rifusione e placcatura superficiale con l’impiego di materiale d’apporto. Saldatura fra materiali dissimili (es. Inox-Rame, Inox-Inconel).

Nell’ambito dello studio e sviluppo di nuovi materiali ceramici il CETMA integrerà le competenze ENEA per quanto attiene la progettazione affidabilistica di componenti soggetti in esercizio ad elevati stress termomeccanici. L’attività propria del CETMA riguarda la modellazione con codici agli elementi finiti e la verifica di affidabilità con l’impiego di postprocessori probabilistici dei componenti ceramici da progettare. La rottura di un componente ceramico è determinata dalla presenza o formazione di un difetto critico. Per componenti di geometria semplice (barre, cilindri, piatti, etc.) sottoposti a sollecitazioni semplici, è possibile, con modelli analitici, prevedere la probabilità di rottura di un componente, basandosi sui dati sperimentali ottenuti testando campioni di piccole dimensioni. Nel caso di geometrie più complesse (es. pale statoriche e rotoriche di turbine) e/o sollecitazioni complesse l’analisi di affidabilità del componente può essere condotta accoppiando l’analisi termostrutturale effettuata mediante codici agli elementi finiti (Ansys, Abaqus, Nastran, etc.) all’analisi statistica (Weibull, Evans, etc.) effettuata con post processori statistici (CARES, CERAM, etc.). Anche se con alcuni limiti di applicabilità, legati ai complessi meccanismi di crescita della cricca, i codici affidabilistici, come CARES (Ceramic Analysis and Reliability Evaluation of Structures), associati ad un codice FEM, costituiscono uno strumento estremamente potente per la descrizione del comportamento di componenti in materiale ceramico fornendo una indicazione della probabilità di sopravvivenza nelle condizioni di esercizio. Occorre, infine sottolineare che tale approccio metodologico potrà essere applicato a tutti i materiali per i quali le proprietà meccaniche sono tali da rendere inapplicabile un approccio deterministico, caratteristico dei materiali più convenzionali. 6.3 La diagnostica e la sperimentazione Nel settore della sperimentazione delle nuove soluzioni tecnologiche in campo energetico, l’ENEA (UTS ENE) mette a disposizione un notevole e consolidato know-how che si traduce in:

• avanzate potenzialità diagnostiche nei settori della chimica e termofluidodinamica, basate su: - Laboratorio di spettroscopia molecolare, per lo sviluppo e l’applicazione di tecniche di

misura non invasive finalizzate alla mappatura del campo di temperatura e della composizione delle miscele gassose reagenti, dei radicali intermedi marcatori del fronte di fiamma o dei prodotti di reazione, basate sull’impiego di spettroscopia lineare e non, in molti casi fondate sull’impiego di laser di potenza;

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- Laboratorio di fluidodinamica per l’applicazione di tecniche di diagnostica laser non invasiva, ad alta risoluzione spaziale e temporale, finalizzate alla misura e caratterizzazione di campi fluidodinamici (velocità, turbolenza, ecc) in sistemi reagenti;

- Laboratorio di chimica ed analisi gas, per l’analisi in linea e fuori linea di effluenti prodotti di combustione gassosi, e particolato. Il laboratorio si basa sull’impiego di sistemi per gas-cromatografia, spettrometria di massa ed spettrometria nell’infrarosso ed analizzatori di particolato;

• capacità di altissimo livello per lo sviluppo di dispositivi diagnostici innovativi finalizzati allo studio fenomenologico ed al controllo passivo ed attivo di sottosistemi ed impianti. Le capacità si fondano sul consolidato know-how di chimica, fisica, elettronica e trattamento di segnali, specificatamente messo a punto nel settore della combustione ed in particolare delle turbine a gas;

• ampia capacità di operare “in campo”, trasferendo su impianti reali o dimostrativi, le tecniche, le metodologie ed i dispositivi sviluppati, messi a punto ed utilizzati sugli impianti sperimentali in scala di laboratorio.

L’insieme dei metodi e tecnologie citati, consente di valutare tecnicamente le soluzioni ingegneristiche e di validare sperimantalmente i risultati di simulazioni numeriche. 6.4 Le facility sperimentali L’ENEA (UTS ENE, MAT e PROT), e le sue partecipate SOTACARBO e CETMA, mettono in campo un significativo ventaglio di facility sperimentali, particolarmente orientate ai temi specifici delle tecnologie di combustione, della produzione e trattamento di syngas da carbone o biomasse, dei materiali e dei loro trattamenti. Tale ventaglio di “strumenti” può essere caratterizzato dalle diverse condizioni operative (pressione di esercizio, scala di potenza) e dall’impiego di differenti combustibili (gas naturale, carbone, syngas di diversa composizione e provenienza, idrogeno), ecc. Nel dettaglio:

- Forno Sperimentale MCD (Mild Combustion Demonstrator), per R&S nel campo della Combustione MILD o “senza fiamma”, particolarmente idonea al trattamento di idrogeno;

- Impianto COMET-HP (COMbustion Experimental Tests in High Pressure conditions), per la prova di bruciatori per turbogas in condizioni di similitudine spinta (pressione 10 bar, preriscaldamento aria comburente a 450 °C, potenza massima 1 MW). L’impianto è particolarmente rivolto allo studio dei fenomeni di instabilità termoacustiche tipiche della combustione premiscelata a basse emissioni, attraverso lo sviluppo e l’impegno di diagnostica avanzata di brevetto ENEA;

- Impianto BAGIT (Biomass And Gas Integrated CHP Technology) per lo studio della co-combustione di metano e syngas in condizioni MILD in impianti a ciclo combinato. Il test rig consente di testare configurazioni in post combustione ove il bruciatore in prova è alimentato con aria viziata proveniente dallo scarico di un turbogas. La potenza complessiva è pari a 350 KW;

- Impianto IDEA (IDrogeno Experimental Activities) per studi di base sulle tecnologie di combustione di idrogeno o syngas ricchi di idrogeno diluiti in vapore, in bruciatori per turbogas. La potenza dell’impianto è di circa 100 kW;

- Impianto MICOS (Multipurpose Installation for Combustion Studies) per prove di combustione ad alta temperatura policombustibile (tra cui anche idrogeno) finalizzate allo studio della termochimica e fluidodinamica dei processi e dei cicli, ed alla caratterizzazione di materiali sottoposti ad erosione-corrosione ad alta temperatura. La potenza complessiva è pari a 350 KW;

- Impianto ICARO (Impianto per la Cogenerazione Avanzata, Ricerca e Operabilità) per la produzione combinata di energia elettrica e termica e per la sperimentazione sul tema della

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cogenerazione.L’impianto è costituito essenzialmente da una turbina a gas di 2 MWe e da una caldaia a recupero, alimentata dai gas di scarico della turbina, in grado di coprire un carico termico di 5 MWt - incrementabili a 7 MWt con post combustione . Esso alimenta la rete di teleriscaldamento del Centro Ricerche Casaccia. Su questo impianto vengono svolte attività legate allo sviluppo di impianti di taglia medio-piccola integrati con il tessuto produttivo comprensoriale e adatti ad utilizzare combustibili liquidi e gassosi;

- Piattaforma pilota SOTACARBO-ANSALDO per la verifica delle tecnologie di produzione di H2 da carbone con cattura della CO2. Si tratta di un impianto di gassificazione a letto fisso caratterizzato da due linee di gassificazione carbone, con capacità nominali rispettivamente di 35 kg/h e 700 kg/h, in cui si prevede di sperimentare sia processi di desolforazione a caldo del syngas prodotto, sia processi innovativi di CO shift e contemporanea cattura della CO2, con produzione di idrogeno utilizzato in un motore a combustione interna;

- Impianto ZECOMIX (Zero Emission Coal MIXed technology), già descritto nel paragrafo 4.2. Impianto destinato alla idrogassificazione del carbone, al simultaneo reforming-shift e decarbonizzazione del syngas grezzo con produzione di un syngas ad alto contenuto di idrogeno per la sua combustione diretta con ossigeno. Nell’impianto, che si inquadra nei processi ad emissione zero di anidride carbonica, è prevista anche una sezione di separazione dell’anidride carbonica;

- Impianto CERTEM (Corrosione, ERosione, TEMperature elevate), per prove (es. corrosione, erosione, ossidazione, ciclaggio termico) su materiali (es. metallici, ceramici) e componenti in scala reale (es. pale turbine, parti di piastre, tubi per recuperatori di calore) riproducendo le condizioni di lavoro operative dal punto di vista dei flussi e delle temperature (superiori a 1300 °C in sezione di prova, 1600 °C di progetto in camera di combustione). Alimentazione dell’impianto tramite metano in aria comburente, eventualmente arricchita con ossigeno (potenza termica finora realizzata pari a 1 MWt, di progetto fino a 4 MWt). Possibilità di sostituire la parte che accoglie i campioni (o sezione di prova) in funzione delle differenti esigenze di prova variandone le dimensioni del canale di fumo e la strumentazione di caratterizzazione prova;

- Impianto LFPG (impianto pilota a Letto Fluido di Pirolisi e Gassificazione di rifiuti e scarti di biomasse) per lo svolgimento di attività di R&S nella produzione di un gas di sintesi (syngas) ricco in idrogeno, a partire da combustibili e materiali di scarto, di capacità pari circa 50 kWt. L’impianto è completo di una sezione di depurazione ed arricchimento del syngas che prevede, oltre all’unità di filtrazione, trattamenti specifici di rimozione dei gas acidi, di steam reforming, di shift ad alta e bassa temperatura, tutti di tipo catalitico;

- Impianto ReMeCo (recupero metalli da combustibili fossili e rifiuti speciali), per il recupero di metalli pesanti. L’impianto è finalizzato alla rimozione e recupero delle componenti inorganiche (metalli pesanti) presenti nelle correnti di lavaggio del gas prodotto da combustione di combustibili fossili e/o rifiuti speciali. E’ costituito da tre sezioni: la prima è una sezione di ultrafiltrazione per la rimozione di particolato fine di natura inorganica ed insolubile; la seconda è una sezione a resine a scambio ionico per la rimozione della componente inorganica in soluzione; la terza sezione è una sezione di precipitazione cui vengono indirizzati i metalli recuperati nella sezione a resine per la loro conversione in solfuri. L’impianto realizza la doppia finalità di rimuovere i metalli pesanti dai reflui di impianto, riducendone l’impatto ambientale, e di recuperarli per una successiva valorizzazione;

- Sezione di purificazione di gas da processi termochimici (combustione e gassificazione). E’ costituita da due moduli: il primo è un reattore a fasi eterogenee dedicato alla rimozione di contaminanti acide (HX ed SOx) per reazione con ossido di calcio in polvere; il secondo è un filtro a maniche in materiale ceramico per la rimozione di particolato. Il sistema opera in depressione e fino a temperature di 600 °C.

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6.5 Il trattamento gas Il gas prodotto da gassificatori quale che sia il combustibile impiegato e la sua applicazione, in ogni caso, necessita di un condizionamento sia in termini di raffreddamento che di pulizia. I tipici sistemi di gas cleanup si compongono generalmente di più sezioni, cicloni, scrubbers, filtri, ognuna delle quali rimuove uno o più contaminanti. Vanno abbattute principalmente le polveri e lo zolfo presente soprattutto come solfuro di idrogeno (H2S). In dettaglio il particolato si compone di materiale in fase solida che entra nel gas prodotto al momento della sua uscita dal reattore, esso include: cenere inorganica (fly ash) e sostanze carbonizzate (char). La presenza di particolato, sebbene inevitabile, deve essere eliminata, infatti le sostanze minerali possono abradere e danneggiare il sistema a valle del reattore e inoltre per le flyashes ci sono limiti di emissione che devono essere rispettati. l’ENEA (UTS-PROT) mette a disposizione un notevole e consolidato know-how che si traduce in tecnologie per:

• rimozione del particolato utilizzando cicloni come parte integrante dei gassificatori specialmente se a letto fluido;

• sistemi di filtrazione a barriera con filtri in ceramica o metallo sinterizzato e filtri elettrostatici.

Esistono altri contaminanti del gas, considerati secondari, come i vapori alcalini la cui presenza deve essere affrontata trattandosi di composti corrosivi per le superfici metalliche. La loro condensazione e rapida deposizione sottoforma di materiale vetroso, crea problemi ad eventuali motori o turbine che, operando ad elevate velocità rotazionali, possono subire uno squilibrio e una rapida avaria. Per questo aspetto si pensa di rimuovere i composti alcalini vaporizzati sottoforma di particolato, raffreddando il gas sotto i 600°C laddove gli stessi condensano. Azoto e cloro sono gli altri elementi, in genere presenti in tracce, che possono interferire con gli utilizzi a monte del gassificatore. L’azoto è presente principalmente come ammoniaca, NOx e in misura minore come HCN. Per questa problematica l’ENEA può offrire una sperimentazione esaustiva mediante:

• wet scrubbing con acqua o soluzioni acquose; • la riduzione catalitica.

Il cloro è normalmente presente come HCl. Per la sua rimozione si pensa di applicare • il wet scrubbing ; • l’absorption su materiale attivo come CaO/MgO.

E’ infine da ricordare la presenza nel gas di tars, cioè miscele complesse di idrocarburi condensabili di elevata complessità, la cui presenza nel gas prodotto rappresenta un problema per la sua tendenza a condensare, formare aerosols e polimerizzare. Per la rimozione del tar, l’ENEA può offrire competenze e sperimentazione sia nell’applicazione di metodologie di tipo fisico che chimico. In particolare, nel campo delle metodologie fisiche, il gas viene prima raffreddato per consentirne la condensazione e le goccioline di aerosol vengono poi rimosse usando tecnologie simili a quelle usate per la rimozione del particolato. Nei processi di tipo chimico invece il tar viene decomposto termicamente tramite cracking catalitico o termico con formazione di nuovo gas. Nel caso di cracking chimico il processo è assistito da catalizzatori, non metallici e metallici. Per quanto concerne il cracking termico c’è da considerare che in assenza di catalizzatore le temperature operative devono essere necessariamente superiori; la temperatura minima richiesta per una efficace distruzione del tar dipende dalla composizione di quest’ultimo, se proviene da un gassificatore updraft (prodotti primari ossigenati), la temperatura deve essere intorno ai 900°C, mentre il tar proveniente da reattori a più alta temperatura è più refrattario e richiede 1200°C o più. Ovviamente, l’ENEA oltre ad offrire competenze e sperimentazione in questa task, è in grado di progettare, costruire laddove necessario, esercire ed effettuare uno scaling-up di un sistema integrato di cleaning del gas e/o dei vettori energetici prodotti.

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Tra la strumentazione disponibile citiamo: sistemi per gas-cromatografia (GC-MS), cromatografia liquida HPLC, spettrofotometria (IR e UV), bilance termogravimetriche, analizzatori elementari (C,H,N,O, S), viscosimetri, pirolizzatori, spettroscopia di assorbimento atomico 6.6 L’impatto ambientale. La qualità dell’aria in un luogo è il risultato di emissioni non solo locali e di scelte che riguardano tutti quei settori che direttamente o indirettamente insistono sul sistema atmosferico con le emissioni e la cui evoluzione può portare a conseguenze non sempre identificabili in modo semplice. Inoltre le sostanze inquinanti che più destano preoccupazione, come l’ozono ed il particolato fine, neppure in prima approssimazione possono essere linearmente correlate con il termine sorgente. E’ altresì vero che le strategie di riduzione volte al contenimento delle emissioni degli inquinanti primari possono agire positivamente anche sul versante del PM10 e PM2.5. Una delle grandi scommesse del prossimo decennio sta nel riuscire a sviluppare strategie che da questa interdipendenza traggano vantaggio. Ciò premesso, e tenendo conto dell’esperienza ENEA (UTS PROT) maturata negli ultimi anni, dovremmo quindi riconsiderare la suddivisione fra utilizzo dei combustiibili fossili nella produzione di energia e quello nei trasporti. L’assetto legislativo da un lato e la stessa fenomenologia dell’inquinamento atmosferico dall’altro, devono infatti indurre a trattare in modo integrato tutti gli aspetti legati alle fonti di emissione più che proporre artificiose distinzioni. In altre parole, se da un punto di vista strettamente ingegneristico/impiantistico, la combustione stazionaria è molto diversa da quella che avviene in un motore per autotrazione, dal punto di vista dell’impatto ha poco senso isolare i due casi. Se puntiamo all’essenza delle norme sulla qualità dell’aria che recepiscono il corpo delle Direttive UE, non può sfuggire l’assetto fortemente “non stazionario” dell’apparato. La valutazione della qualità dell’aria, a qualunque istituzione sia demandata, non è intesa come fotografia istantanea del presente ma come un processo ciclico che evolve per passi: la valutazione preliminare, la zonizzazione, la definizione dei regimi di controllo, la pianificazione degli interventi e il riesame periodico della situazione. In questo quadro non è paradossale pensare che uno degli aspetti più complessi non sia il cosiddetto “piano di risanamento” di una zona con pessima qualità dell’aria ma piuttosto il “piano di mantenimento” di una qualità dell’aria già accettabile secondo gli indicatori vigenti ed in vista della loro evoluzione futura. Le nuove scoperte scientifiche hanno sempre avuto implicazioni politiche, ma forse l’evoluzione delle conoscenze in materia di processi di formazione dell’ozono e del particolato è quella che meglio si presta ad esemplificare come utilizzando nuove conoscenze si possano attuare politiche di contenimento più efficaci e multi scopo. Negli anni ’60 e ’70 si credeva che il solo controllo delle emissioni dei Composti Organici Volatili (COV) avrebbe condotto ad una riduzione netta delle concentrazioni di ozono; successivamente si scoprì che dato un episodio di inquinamento da ozono, su alcune porzioni dell’area in studio era effettivamente efficacie la riduzione dei COV mentre in altre porzioni la riduzione delle concentrazioni di ozono si otteneva controllando le emissioni degli ossidi di azoto (NOx). Questo implica che la riduzione di COV e NOx non sarebbe unicamente definita dal luogo o dal tipo di emissione ma dalle caratteristiche chimiche di ogni “volume elementare” di aria, caratteristiche che variano dinamicamente mentre la parcella di aria si muove trasportata dal vento, si disperde e diventa fotochimicamente “vecchia”. Sempre negli anni ’70 in Europa si guardava al problema dell’inquinamento da ozono come ad una questione prettamente urbana e solo successivamente fu evidente il fatto che episodi acuti potevano essere causati dal trasporto da grande distanza dell’ozono e dei suoi precursori. Lo stesso sta accadendo per il Particolato Atmosferico per il quale è stata messa in luce l’importanza della componente secondaria e la complessità che induce alle politiche di riduzione delle concentrazioni. Anche per le emissioni ci si sta accorgendo come nuovi motori e nuovi combustibili abbiano ridotto le quantità in gioco ma abbiano anche modificato le caratteristiche chimico fisiche delle sostanze esauste oppure come motorizzazioni viste positivamente dai gestori del traffico siano problematiche per il mantenimento di una accettabile qualità dell’aria.

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Fondamentale nell’evoluzione del processo conoscitivo sono state le misure ma anche l’impiego di modelli di simulazione in cui vengono riprodotti matematicamente il trasporto e la diffusione degli inquinanti, la loro trasformazione chimica e fisica in atmosfera per giungere infine alla descrizione della distribuzione spazio temporale delle concentrazioni e deposizioni al suolo delle diverse sostanze. Guardando alle vicende degli ultimi anni, non c’è dubbio che le concentrazioni della maggior parte di inquinanti siano costantemente diminuite, ma è altrettanto vero che la successione di “emergenze” : l’ossido di carbonio, le polveri totali sospese, gli ossidi di azoto, l’ozono, il benzene, il particolato fine, sono state percepite come accadimenti imperscrutabili e inaspettati mentre erano ben prevedibili, almeno fenomenologicamente, se si fossero lette le politiche della mobilità o gli sviluppi motoristici o la politica fiscale dei combustibili in modo integrato e razionale utilizzando conoscenze scientifiche che vanno costruite con uno sforzo coerente e costante nel tempo e non sollecitate solo in caso di immediata necessità. Le caratteristiche quantitative e qualitative delle emissioni così come l’ambiente atmosferico devono essere compresi per estrarre le interazioni fra emissioni, processi chimico fisici e meteorologia che risultano in concentrazioni e deposizioni rispettivamente in aria ed al suolo variamente distribuite nello spazio e nel tempo. Questo disegno spazio-temporale ha implicazioni dirette sull’esposizione potenziale della popolazione, sull’impatto sanitario ma anche sulla visibilità, il clima e la qualità dei corpi idrici o sullo stress degli ecosistemi e dei materiali esposti. A questo punto la valutazione dei rischi e la definizione di ciò che è accettabile è molto importante e si proietta direttamente nella definizione di obiettivi ambientali da raggiungersi mediante programmi e regole per la riduzione delle emissioni. Nei prossimi anni le nuove direttive su metalli pesanti e Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA), la convenzione UNEP di Stoccolma sugli inquinanti organici persistenti (POP), dovranno trovarci pronti con strumenti interpretativi capaci di spiegare i fenomeni e di porci in posizione non subalterna nei tavoli internazionali. Essere consci della dimensione internazionale del problema è di fondamentale importanza perchè non esiste forse disciplina dove i confini nazionali contino meno. Ovviamente ciò è dato dal carattere stesso dei fenomeni per i quali non esistono impedimenti che li possano contenere e vuoi anche per l’impostazione che ormai da 25 anni domina la scena europea ed internazionale e informa le politiche dell’inquinamento atmosferico: forte consapevolezza scientifica da parte dei gruppi nazionali, condivisione dei risultati e definizione di norme e protocolli coerenti con il quadro conoscitivo. Le caratteristiche stesse degli inquinanti ora dominanti, i cui processi di trasformazione si esplicano su scala continentale ed emisferica, impongono un salto di qualità concettuale ed il raccordo con le esperienze internazionali. Ogni giorno, il Nord Atlantico è solcato da navi i cui motori hanno una potenza complessiva pari a quella installata nelle centrali termiche situate negli stati che compongono l’Unione Europea. Tenuto conto che le navi tuttora bruciano carburanti di pessima qualità, basterebbe questo dato per far riflettere sulla complessità di una valutazione ambientale che si concentri sulla scala locale. L’altro elemento da considerare è l’enorme contributo, in crescita, delle emissioni di NOx e SOx dai paesi del Sud Est Asiatico e dalla Cina. La combustione di combustibili fossili a livello globale è la maggiore sorgente di NOx nella troposfera e la modificazione del potere ossidante dell’atmosfera ha forti ripercussioni nella chimica dell’ozono, del particolato secondario e modifica anche le velocità di deposizione degli ossidi di zolfo. Per quanto riguarda l’emissione di particolato primario, l’incertezza, se possibile, è ancora maggiore. In questo caso infatti non si tratta solo di confrontare la quantità ma anche variazioni di spettro che possono influire sulla valutazione dell’impatto sanitario, in quanto particelle più piccole penetrano più profondamente nell’albero respiratorio. Esiste numerosi esempi che dimostrano la differenza fra il messaggio che raggiunge il pubblico ed una realtà più complessa, con molte sfaccettature. Si sostiene ad esempio che l’evoluzione tecnologica abbia portato l’industria automobilistica alla costruzione di motori ad emissione di particolato trascurabile ( a volte si sente dire ad “emissione zero”). Questa è affermazione vera se

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si confrontano le concentrazioni in massa di particolato emesse per esempio da motori prodotti 10 o 15 anni fa e quelli attuali. Se però si esaminano altre caratteristiche di questo inquinante, si scoprono effetti sorprendenti. La decrescita della concentrazione in massa non è stata infatti seguita da un decremento della concentrazione in numero delle particelle e dell’area della superficie, ma addirittura da una sostanziale crescita. In altre parole aumentano le nano-particelle (diametri 1000 volte inferiori al PM10) che in atmosfera hanno tempi di residenza maggiori ed hanno forti implicazioni dal punto di vista della salute in quanto raggiungono più facilmente gli alveoli rispetto alle particelle di diametri superiori. Le nanoparticelle sono per lo più volatili che si formano nella fase di diluizione-espansione-raffreddamento seguendo sostanzialmente due processi: la nucleazione dei precursori (soprattutto i SOF, soluble organic fraction, frazioni incombuste di lubrificante e combustibile, idrocarburi policiclici aromatici (IPA), ossigeno, azoto e zolfo) o l’assorbimento su altre particelle. Nel corso del 2005 ENEA ha svolto per conto della DSA del Ministero dell’Ambiente una valutazione di quali variazioni alla qualità dell’aria sul Bacino Padano indurrebbe lo scenario energetico al 2010 rispetto all’anno di riferimento 2000. Per tale valutazione si è utilizzato il modello atmosferico che compone il modello MINNI (Modello Intergrato Nazionale a supporto della Negoziazione Internazionale sui temi dell’Inquinamento Atmosferico) messo a punto da ENEA. La particolarità del lavoro risiede non solo nel fatto che si è utilizzato un modello di trasporto chimico completo ma anche nell’aver considerato l’insieme delle sorgenti ed una scala geografica sufficientemente ampia per l’esplicarsi dei fenomeni secondari, nonché le condizioni al contorno determinate da sorgenti non appartenenti al nostro Paese. Questo ha consentito di valutare la formazione di particolato secondario a partire dall’emissione di precursori quali ammoniaca, ossidi di azoto, formaldeide, etc. Nello scenario energetico al 2010 sono state inserite le centrali termiche di nuova costruzione e quelle esistenti modificate in potenza e combustibili, così come fornite dal Ministero delle attività Prodduttive e dalla Commissione VIA. Sono stati considerati i cicli produttivi tipici per il periodo invernale ed estivo di ciascuna centrale. Sebbene le riduzioni delle emissioni di SO2 e PM10 primario dal sistema delle centrali di potenza, siano consistenti per effetto dell’utilizzo del metano in luogo dell’olio combustibile e di nuovi cicli più efficienti rispetto a quelli in essere al 2000, la riduzione rispetto al contributo di tutte le altre fonti è marginale; inoltre la riduzione delle emissioni di NOx è molto meno marcata rispetto agli altri inquinanti tipici. Il risultato complessivo in termini di qualità dell’aria in Pianura Padana, dove più forti sono i problemi di superamento dei limiti per l’ozono ed il PM, sono del tutto insignificanti. In altre parole il livello delle concentrazioni rimane pressochè invariato con qualche zona in cui aumentano le concentrazioni di ozono, a testimoniare, se ancora ce ne fosse bisogno, la natura non lineare di tale inquinante. In conclusione, l’integrazione delle conoscenze a monte della combustione e di quelle a valle dell’emissione in atmosfera possono creare un grande valore aggiunto al processo di conoscenza purchè si esaminino in modo critico anche i combustibili cosiddetti “puliti” o a ridotto impatto. Gli elementi determinanti sono:

• la conoscenza degli inquinanti che si formano nella combustione; • la distinzione fra inquinanti gassosi e particellari con determinazione dello spettro

granulometrico di questi ultimi ; • i possibili processi di nucleazione/aggregazione per gli aerosol emessinel tempo di volo

interno all’impianto; • la valutazione delle emissioni durante i transitori di potenza, aspetto decisamente

trascurato ma fondamentale soprattutto per gli impianti di nuova generazione che più di altri sembrano destinati a modulare le richieste della rete;

• la determinazione degli inquinanti normati e non normati soprattutto quando si caratterizzano combustibili nuovi;

• particolare rilievo dovrà essere dato agli elementi in traccia (metalli), idrocarburi, arsenico etc;

• indicazione di nuovi fattori di emissione in funzione dei combustibili, della rampa di potenza etc.

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6.7 L’ottimizzazione globale dei processi Nell’ultimo decennio l’orizzonte della ricerca nell’industria di processo ha visto un graduale affermarsi di tecnologie per l' ottimizzazione globale del processo produttivo.

Durante l’esercizio di impianto si hanno frequenti cambiamenti di condizioni operative richieste dall’ottimizzazione della gestione del processo o causate dalla presenza di perturbazioni; questo conduce ad un cambiamento del modello del processo ed alla conseguente necessità di apportare delle modifiche al sistema di controllo. L’identificazione e la modellistica di condizioni di esercizio, comprensive anche di situazioni di guasto, e la disponibilità di modelli dinamici con diverso grado di complessità e precisione costituiscono la base di conoscenza su cui è pensabile costruire un sistema di supervisione e gestione intelligente. Si tratta di associare all’evoluzione del processo un sistema di generazione dinamica “d’indicatori sintetici” (basato sia su dati storici sia su dati prodotti dai modelli di simulazione) su cui costruire un indice di prestazione. Il nuovo fronte di ricerca, che si basa su sistemi dinamici ad eventi, il cui scopo è quello di realizzare una progressiva ottimizzazione in linea delle condizioni di riferimento o delle prestazioni della supervisione e della conduzione. Per lo più le metodologie impiegate mirano a realizzare un continuo adattamento del sistema sulla base di modelli non predefiniti ma da misure continuamente effettuate sul processo. L’aspetto positivo di questo approccio consiste nella capacità di modificare le strutture di controllo insieme alla evoluzione del processo attraverso metodi cosiddetti “evolutivi”. In tale contesto l’ENEA (UTS ENE), che ha già realizzato un progetto comunitario pilota su termovalorizzatori (HERA – Ferrara), è attualmente coinvolta in un progetto di ricerca con altri partners, fra cui Ansaldo, allo scopo di applicare tali metodologie su un sistema industriale complesso come un impianto a ciclo combinato, esperienza unica a livello internazionale. I vantaggi di un tale sistema consistono in:

• capacità di identificare velocemente le condizioni ottimali nell’avviamento di un processo; • capacità di modificare nel tempo e nei cicli produttivi le condizioni di riferimento di un

sistema di controllo convenzionale o avanzato adattandolo a variazioni di parametri esterni (i.e. necessità produttive);

• capacità di far fronte a una degenerazione del processo, a causa di guasti minori o invecchiamento di componenti, attraverso una gestione alternativa del processo;

• capacità di integrare, in un’unica funzione di prestazione, molteplici obiettivi di natura diversa connessi al controllo del processo (funzioni obiettivo sulla produzione), ai vincoli imposti dalla normativa vigente (emissioni di sostanze inquinanti), alle necessità economiche (costi) ed infine alle manutenzioni (funzioni di rischio o di invecchiamento);

• capacità di predire gli andamenti temporali futuri di una vasta gamma di indici di diagnostica e di prestazione attraverso reti neurali che si aggiornano continuamente;

• capacità di valutare in linea lo scostamento tra la predizione degli indici e la misura reale dell’indice stesso.

7. Programmi di ricerca Vengono sinteticamente descritte le principali attività di ricerca programmate in ambito internazionale e nazionale, queste ultime in particolare coinvolgenti l’ENEA. 7.1 Programmi internazionali Numerose sono le iniziative a livello internazionale che hanno lo scopo, attraverso la realizzazione di impianti pilota avanzati, di dimostrare la compatibilità ambientale del carbone, mediante “Clean Coal Technologies”. Tralasciando i programmi genericamente indirizzati ad interveti di controllo sugli inquinanti, in un’ottica di “up-grade” di filiere impiantistiche mature, come pure quelli relativi la

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filiera IGCC, con eventuale sequestro della CO2 , che vede alcune realizzazioni in Giappone, Europa ed Australia, si vuole focalizzare l’interesse su due grandi iniziative internazionali:

• il progetto FUTURE GEN (USA); • il progetto HYPOGEN (EC).

FUTURE GEN Si tratta di un progetto finanziato dal governo, e dalla grande industria statunitense per la realizzazione di un impianto dimostrativo finalizzato alla produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone, con cattura e sequestro della CO2. L’impianto ha una potenza elettrica dichiarata di 275 Mwe e sarà progettato per produrre una quantità di energia elettrica equivalente a quella utilizzata da 150.000 famiglie medie statunitensi. Il carbone verrà trattato attraverso un processo che convertirà il carbone in gas di sintesi che consiste soprattutto di idrogeno e monossido di carbonio. Il gas di sintesi reagirà con vapore per produrre idrogeno supplementare ed un flusso concentrato di CO2 catturata al 90%. L’idrogeno prodotto potrà essere usato come combustibile pulito in sistemi basati su turbine, celle a combustibile, o combinazioni ibride di queste tecnologie sia per generazione elettrica che per trazione veicolare e come base nell’industria chimica. La CO2 sarà separata dall’idrogeno verrà immagazzinata permanentemente in formazioni saline profonde, in giacimenti di carbone “unmineable”, in bacini petroliferi esausti. Il progetto nasce nel febbraio 2003 con un impegno finanziario previsto di un miliardo di dollari distribuiti in un orizzonte temporale di 10 anni. Nel dicembre 2005, il DOE ha firmato un accordo co-operativo con la FuturGen Alliance, cordata di partner industriali che hanno aderito al progetto. Il processo di selezione del sito di installazione dell’impianto è in divenire ed entro maggio 2006 si attendono le prime valutazioni. In contemporanea verrà avviato il progetto di massima dello stesso. HYPOGEN Anche in Europa l’interesse per questo tipo di tecnologia e di impianti è molto forte. HYPOGEN, dall’acronimo inglese HYdrogen and POwer GENeration, è l’analogo del progetto statunitense sopradescritto. Si tratta anche qui della realizzazione di un impianto dimostrativo di larga scala capace di produrre idrogeno ed energia elettrica a partire da combustibili fossili come il carbone. E’ un progetto che si inserisce a partire dai FP6 e FP7 nell’ambito dello studio di nuove tecnologie per la produzione di idrogeno (Hydrogen QuickStart Programme). La durata prevista è di 10 anni a partire dal 2005. Nelle prime stime i finanziamenti si attestavano attorno 3 milioni di Euro di stanziamenti comunitari. L’ENEA in primis, ha partecipato allo studio di prefattibilità dell’impianto presentato alla comissione europea nel dicembre 2004. A valle di questa prima fase è stato finanziato a dicembre dello scorso anno uno studio dettagliato di fattibilità (progetto DYNAMIS) della durata di tre anni per un importo intorno ai 4 M€. Si prevede che l’impianto sarà funzionante a partire dal 2012. E’ opportuno infine sottolineare che l’Italia ha aderito al “Carbon Sequestration Leadership Forum” (CSLF), un’iniziativa di collaborazione internazionale di tipo multilaterale promossa dal Governo americano per finalizzare e concentrare gli sforzi per lo sviluppo di tecnologie e di politiche volte alla limitazione delle emissioni di anidride carbonica. All’iniziativa hanno aderito 12 paesi (3 europei – Gran Bretagna, Italia e Norvegia – e poi Russia, Giappone, Australia, India, Cina, Colombia, Brasile, Canada e Messico) e una delegazione della UE. Sono stati formalmente costituiti due gruppi: il “Policy Group” e il “Technical Group” composti ciascuno da due rappresentanti per ciascuno Stato aderente: Al Technical Group del CSLF partecipa, con proprio rappresentate, anche l’ENEA.

7.2 Programmi nazionali Progetto COHYGEN Il programma riguarda il progetto, la realizzazione e la sperimentazione di un impianto in scala pilota per la produzione di un syngas, ed elevato contenuto di idrogeno, dalla gassificazione di

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carbone del Sulcis. La facility sarà realizzata presso il Centro Ricerche Sotacarbo, nel Sud-Est della Sardegna. Il progetto è coordinato da Sotacarbo con la collaborazione di Ansaldo Ricerche, ENEA ed Università di Cagliari. L’impianto include le seguenti sezioni: coal gasification, gas cleaning, CO-shift conversion, separazione di CO2 ed Idrogeno. In una seconda fase l’impianto sarà integrato da una miniturbina. Scopo del programma è mettere a punto i singoli macrocomponenti, nonchè le tecnologie di gas-cleaning e di separazione applicate al carbone del Sulcis Scala del progetto: R & D – Scala Pilota Partner : Sotacarbo – Società Tecnologie Avanzate Carbone-SpA (coordinatore); Ansaldo Ricerche-SpA; ENEA; Università di Cagliari – Dip. Ingegneria Meccanica. Costi: circa 11.000.000 € Data inizio:1 Gennaio 2003 Data fine: 1 Gennaio 2008 Finanziamento: MIUR legge 297/99 Progetto ZECOMIX Circa le finalità e gli aspetto tecnici si rimanda all’ampia descrizione in 4.2 In questa sede si pone l’accento su alcune attività di R/D prioritarie:

- viene studiato un nuovo processo di gassificazione del carbone (idrogassificazione); - vengono sviluppate tecnologie di cattura con sorbenti a base di ossido di calcio e sistemi di

desolforazione ad alta temperatura, studiandone l’efficienza (riduzione dell’energia netta necessaria, aumento dei tempi di rigenerazione dei reagenti), e di trattamento del syngas;

- viene studiato un ciclo di generazione di potenza ad alta efficienza, sviluppando tecnologie avanzate di combustione di idrogeno (che viene diluito con vapore );

- vengono effettuati studi sulla integrazione di sistema, mediante attività sperimentali finalizzate anche allo sviluppo di un simulatore di sottosistemi e dell’impianto integrato.

Scala del progetto: R & D – Scala Pilota ; Coal mass flow rate: 50 kg/h ; Electric Power: 120 kW Partner :. ENEA (coordinatore), Ansaldo, Sotacarbo, Politecnico di Milano, Università di Roma “La Sapienza”, Università di Roma TRE, Università di Napoli, Università de L’Aquila, Università di Cassino Attività ENEA: 3.760.000 € Data inizio:28 Luglio 2005 Data fine: Dicembre 2008 Finanziamento: MIUR FISR-PNR Altri programmi nazionali: Progetto HIT-WASTE Il progetto si propone lo sviluppo di tecnologie termochimiche ad elevata temperatura ed a basso impatto ambientale, basate sui principi della “MILD Combustione”, per il trattamento di prodotti residuali, di tipo speciale e/o tossico nocivi, a vario potere calorifico, ed il recupero energetico da essi. Le attività, che si concluderanno nel 2006, prevedono la continuazione degli studi di sistema mediante simulazione con codice IPSE e codice FLUENT, nonché l’effettuazione di campagne di misure con il laboratorio mobile e con strumentazione speciale di brevetto ENEA.

Attività ENEA: 3.520.000 € Data inizio: Ottobre 2002 Data fine: Dicembre 2006 Finanziamento: MIUR legge 297/99 Progetto HYDROSYN Il progetto si propone lo sviluppo di tecnologie di produzione e combustione a basso impatto ambientale di combustibili gassosi ad elevato contenuto di idrogeno, partendo dalla massificazione di biomasse. Le attività 2006 riguarderanno studi teorici (simulazioni LES e RANS) di massificazione e di combustione in bruciatori per turbine a gas e per post combustione, in impianti di poligenerazione, e sperimentazione sugli impianti COMET, BAGIT e MICOS

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Attività ENEA: 2.050.000 € Data inizio: 30 Giugno 2003 Data fine: 30 Giugno 2007 Finanziamento: MIUR legge 297/99 Progetto Materiali Leggeri per Turbine Aeronautiche Il Consorzio CETMA e l’Enea svolgono un ruolo attivo nell’ambito di un programma di ricerca avviato da AVIO S.p.A. sui materiali ceramici avanzati. Il progetto si propone di studiare la possibilità di impiego di nuovi materiali a bassa densità nelle parti calde delle turbine di bassa pressione dei motori aeronautici. Attualmente le pale sono realizzate in superleghe base nichel. L’obiettivo è quello di sostituire tali materiali con ceramici avanzati, allo scopo finale di ridurne il peso e di migliorarne le prestazioni. Si prevede quindi di selezionare e caratterizzare il materiale più promettente, di progettare e realizzare un componente significativo, ed effettuare infine una campagna di prove sperimentali ad alta temperatura per valutare prestazioni ed eventuali benefici rispetto alle tecnologie tradizionali. In particolare l’attività condotta dal CETMA riguarda la modellazione con codici agli elementi finiti e la verifica di affidabilità con l’impiego di postprocessori probabilistici dei componenti ceramici selezionati. Tale attività ha l’obiettivo di individuare la probabilità di collasso, in condizioni di esercizio, delle pale statoriche. Attività CETMA: 600.000 € Data inizio: 1 Gennaio 2005 Data fine: 31 Dicembre 2007 Finanziamento: Commessa AVIO Spa Progetto SEAL - MODELLI E METODOLOGIE INNOVATIVE PER IL CONTROLLO, LA DIAGNOSTICA E LA GESTIONE DI IMPIANTI TERMOELETTRICI COMBINATI GAS-VAPORE. Il progetto prevede la realizzazione di un simulatore di impianto a ciclo combinato, che verrà testato con i dati di esercizio dell’impianto di Priolo. L’intervento ENEA è focalizzato sul controllo con metodi avanzati (ENE-SIST), sulla partecipazione alle attività di simulazione (ENE-IMP), ed alla integrazione del lavoro svolto dai vari partner (ENE-IMP/SIST).

Attività ENEA: 1.000.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: MIUR legge 297/99 Stato: in attesa di finanziamento Progetto MICROTURBINA Il progetto prevede lo sviluppo di microturbine e gas con prestazioni avanzate. Le attività ENEA prevedono studi di simulazioni dell’interazione fluidodinamica con il primo stadio di turbina con tecniche RANS e LES, ed una valutazione circa la fattibilità ingegneristica di un nuovo bruciatore operante secondale modalità MILD, oltre a studi sull’impiego di syngas come combustibile. Sono previste, inoltre, sperimentazioni su un nuovo bruciatore, progettato sulla base delle risultanze numeriche, sull’impianto COMET-HP dell’ENEA. Saranno infine condotte sperimentazioni su test-rig di patrner (ARI, TURBEC), utilizzando l’Unità Mobile di Diagnostica della Combustione. Sarà sviluppato di un innovativo sistema di controllo attivo della instabilità di combustione Attività ENEA: 1.270.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: PNR 2005-2007 D.M. 21 luglio 2005 Stato : in attesa di finanziamento dal MIUR Progetto CARBOMICROGEN L’obiettivo del Progetto è di sviluppare le tecnologie per la realizzazione di piattaforme energetiche che, a partire da combustibili fossili quale carbone, fonti rinnovabili quali biomasse ed eventuali altri combustibili solidi, consentano, a livello di distretti industriali, artigianali o commerciali, una microgenerazione distribuita di energia elettrica, termica, raffrescamento e la distribuzione di una gas ricco di idrogeno col suo utilizzo, per la produzione di energia elettrica, tramite sistemi di conversione ad alta valenza ambientale. I prodotti attesi sono costituiti da sottosistemi di microgenerazione di energia elettrica con possibilità di cogenerazione termica a partire da syngas da carbone o da biomasse, sistemi di purificazione del syngas da carbone; sistemi di telecontrollo e telegestione delle piattaforme energetiche; sistemi ibridi celle a combustibili – microturbina a gas; Attività ENEA: 670.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: PNR 2005-2007 D.M. 21 luglio 2005 Stato: in attesa di finanziamento dal MIUR

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Progetto TEXTRA - Tecnologie e Materiali innovativi per i trasporti L’obiettivo del Progetto è la costituzione di un Laboratorio pubblico privato per lo sviluppo di tecnologie e materiali innovativi per il settore dei trasporti. In particolare nell’ambito di un obiettivo realizzativo l’ENEA ed il CETMA, insieme all’Università di Lecce ed AVIO Spa, sono impegnate nello sviluppo di processi di fabbricazione e di metodologie di progettazione di componenti ceramici ad elevata affidabilità per applicazioni nei vettori di trasporto. Lo studio è centrato sullo sviluppo di materiali ceramici e/o compositi rinforzati con particolato o fibre corte per applicazioni nel settore aeronautico. Il principale interesse per l’applicazione aeronautica risiede nella possibilità di utilizzare componenti ceramici negli stadi più caldi delle turbine di bassa pressione. I componenti da sviluppare saranno pale statoriche soggette in esercizio ad elevati stress termomeccanici. Al fine di raggiungere questo obiettivo è necessario migliorare le conoscenze sulle proprietà e sulle caratteristiche dei materiali ceramici, sulle capacità di progettazione e di calcolo, sui metodi di fabbricazione e di controllo, sulla lavorabilità, sul comportamento in esercizio. Attività CETMA: 450.000 € Attività ENEA: 1.500.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: Rif. Decreto Direttoriale MIUR 602/Ric del 14.3.05 per la realizzazione ed il potenziamento di “Laboratori pubblico-privati” Stato: in attesa di finanziamento dal MIUR Progetto S.E.M.P.R.E. – Sviluppo, Elaborazione di Metodologie di Progettazione e nuove soluzioni tecnologiche per il miglioramento del Recupero Energetico in impiantistica complessa: prime sperimentazioni nell’industria del vetro – (attività di ricerca industriale e sviluppo precompetitivo) . Il progetto si propone di ottimizzare i sistemi di recupero termico mediante lo sviluppo di metodologie innovative di progettazione che consentano un recupero energetico efficace nell’ottica del miglioramento del rendimento complessivo di un dato impianto di produzione. Saranno analizzati tutti quei settori dove il consumo energetico e’ elevato e principalmente generato da energia fossile con processi industriali ad alta temperatura (laterizi, ceramica, vetro, alluminio, siderurgia, cemento, ecc.), che sviluppano nei loro processi produttivi elevate quantità di energia termica. In particolar modo saranno studiate le differenti tipologie di scambio termico adottate negli impianti di processo, i cicli di produzione, gli effetti delle variabili di design ed operative sulla performance del trasferimento di calore. Si svilupperanno metodi che permettano di creare ambienti di progettazione polivalenti, nuove architetture per ottimizzare i sistemi di recupero ad alto rendimento ed una serie di materiali avanzati da impiegare nelle soluzioni di recupero energetico innovative. Lo sviluppo dei sistemi di recupero del calore dai gas esausti non ha solo implicazioni energetiche, ma anche importanti implicazioni ambientali essendo i gas il veicolo di una serie di inquinanti verso l’atmosfera. In particolare per il settore del vetro il progetto intende sviluppare un innovativo sistema di recupero energetico ed una sezione per il recupero energetico in scala significativa sarà sperimentata in condizioni reali di lavoro. Partner: CETMA, ENEA, Università degli Studi di Napoli, Ansaldo Ricerche, Stara Glass SpA, Neubor Glass SpA. Costi complessivi: 13.400.000 € Costi ENEA: 2.400.000 € Costi CETMA: 1.500.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: PNR 2005-2007 – GPS (Grandi Progetti Strategici) – Tema 12: Risparmio energetico” Stato: in attesa di finanziamento dal MIUR. Progetto S.E.M.P.R.E. – FIRB - Studio ed Elaborazione di Metodologie di Progettazione e nuove soluzioni tecnologiche per il miglioramento del Recupero Energetico in impiantistica industriale – (attività di ricerca di base). In tutti quei settori industriali ad alto consumo energetico, come l’industria del vetro, del cemento, le fonderie e le fornaci, l’uso di sistemi adeguati per il recupero del calore sta assumendo importanza crescente, oltre che per il risparmio economico possibile per i minori consumi energetici, anche per ridurre le emissioni inquinanti nell’ambiente. In molti casi i fumi sono a temperatura troppo elevata e troppo corrosivi per consentire l’uso dei tradizionali scambiatori metallici. Il progetto intende sviluppare adeguati rivestimenti protettivi (Environmental Barrier Coatings, EBCs) e nuovi materiali ceramici monolitici o compositi, con conseguente aumento dell’efficienza degli scambiatori di calore, consentendo temperature di lavoro più elevate. I ceramici non ossidici presentano ottime proprietà meccaniche a temperature fino a 1500° C, ma sono più sensibili all’ossidazione ed alla corrosione alcalina. A volte la soluzione ottimale è l’utilizzo di un ceramico non ossidico, protetto da un rivestimento ossidico. Le tecnologie di deposizione di rivestimenti protettivi

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ceramici più interessanti a livello industriale sono l’Air Plasma Spray e i metodi a umido. Verrà studiato un materiale ceramico innovativo che presenti elevata durezza, tenacità e buona resistenza all’ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura anche in assenza di EBC. Si prenderanno in considerazione ad es. dei materiali a base di SiC additivati con fasi secondarie e con sintering- aids tali da incrementare le proprietà meccaniche ad alta temperatura. Lo sviluppo dei nuovi materiali, ceramici monolitici, compositi e rivestimenti funzionalizzati, richiede il supporto dell’analisi chimico- fisica e termomeccanica; i materiali più promettenti verranno valutati in diverse condizioni di stress sia termo- meccanico (prove di flessione, di Slow Crack Growth, di creep e di resistenza agli shock termici) che termo- fisico- chimico, come resistenza all’ossidazione e alla corrosione. Per i ceramici avanzati la previsione delle prestazioni è importante nell'assicurare corrette specifiche di progettazione. L’approccio più corretto per tali materiali è quello probabilistico. Saranno quindi sviluppati modelli numerici per la verifica di affidabilità dei componenti selezionati. Saranno infine sviluppati dei modelli costitutivi da interfacciare a codici di calcolo numerico per simulare particolari fenomeni come i processi di corrosione, di ossidazione, l’interazione tra fasi diverse e le reazioni superficiali. Partner: CETMA, ENEA, Università degli Studi di Napoli ed Ansaldo Ricerche Costi: 1.514.000 € Durata: 3 anni Finanziamento: FIRB -PNR 2005-2007 – GPS (Grandi Progetti Strategici) – Tema 12: Risparmio energetico” Stato: in attesa di finanziamento dal MIUR.

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8. Conclusioni L’ENEA può giocare un ruolo importante in ambito nazionale, ed internazionale, sul tema dell’uso “pulito” ed ecosostenibile dei combustibili fossili ad uso energetico, come gli autori sperano di aver dimostrato, sia in termini propositivi e di sistema, che per il know-how e le tecnologie che è in grado di dispiegare. Tale ruolo attivo è anche testimoniato da riconoscimenti in sede internazionale (partecipazione al “Carbon Sequestration Leadership Forum” e partecipazione al progetto EC HYPOGEN). Punto di forza dell’Ente è senza dubbio costituito dalla multidiscinarietà d’approccio, ed altro elemento determinate sarà la prossima disponibilità di facility e dimostrativi, presso ENEA e SOTACARBO, di tecnologie innovative. La figura seguente illustra sinteticamente le capacità dell’Ente sui temi delle Tecnologie di Base e dei Cicli Energetici.

Le unità dell’ENEA citate e coinvolte nella stesura della presente nota (UTS ENE, MAT e PROT), le partecipate SOTACARBO e CETMA, le Industrie e le Università, partner delle numerose iniziative in corso, rappresentano un pool di attori del mondo della ricerca nazionale adeguatamente dimensionato, in termini di competenze (meno in termini di risorse umane, specie per ENEA), per raccogliere la sfida tecnologica con buone prospettive di successo. La strategia di intervento fa leva su due punti di forza, in campo energetico, che l’ENEA può vantare:

- le consolidate capacità di progettazione sistemica di cicli avanzati - le competenze multidisciplinari nel settore delle tecnologie della combustione.

Partendo da questo , gli sforzi si concentreranno nello:

Modellistica Termo-fluidodinamica eCinetica Chimicadi componente

Diagnostica -Sperimentazionedi componente

eTrattamento Gas

Modellazione eSperimentazione

nel settore deiMateriali

Modellisticae sperimentazione

di processo

Ottimizzazionedi processo

Studi diImpatto

Ambientale

GAS

CARBONE

Combustione

Gassificazione

Cicli SC e USC

Oxy- combustioneMILD

Cicli IGCC

Clean Coal Tech.

Combustione Cicli Combinati

Emissioni

FONTE - PROCESSI e TECNOLGIE di BASE - CICLI ENERGETICIModellistica Termo-

fluidodinamica eCinetica Chimicadi componente

Diagnostica -Sperimentazionedi componente

eTrattamento Gas

Modellazione eSperimentazione

nel settore deiMateriali

Modellisticae sperimentazione

di processo

Ottimizzazionedi processo

Studi diImpatto

Ambientale

GAS

CARBONE

Combustione

Gassificazione

Cicli SC e USC


Cicli IGCC

Clean Coal Tech.


Emissioni

GAS

CARBONE

Combustione

Gassificazione

Cicli SC e USC


Cicli IGCC

Clean Coal Tech.


Emissioni

FONTE - PROCESSI e TECNOLGIE di BASE - CICLI ENERGETICI

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1. sviluppo di un ciclo innovativo per l’utilizzo “pulito” del carbone, basato sulla produzione di un syngas, la sua concentrazione in CO2 e successiva rimozione della stessa, la combustione di un syngas ricco, all’80 – 90% in volume, di idrogeno in turbine a gas con ciclo ad altissimo rendimento;

2. sviluppo di una tecnologia per la oxy-combustione diretta (Tec. MILD) di carbone. Le due tecnologie sono peraltro strettamente connesse in relazione alla medesima tecnica di combustione. Ma gli obiettivi di alto livello non potranno essere raggiunti senza il concorso di un ampio ventaglio di fondamentali tecnologie di supporto riguardanti:

- i nuovi materiali; - il trattamento chimico-fisico del syngas; - l’ottimizzazione ed il controllo di processo; - la valutazione di impatto ambientale.

Le strategie di intervento nel breve/medio termine già trovano ampio riscontro in ambito industriale, e lo potranno facilmente trovare anche in ambito locale (regioni, comuni) quando i primi dimostrativi valideranno convincentemente la bontà delle scelte, la loro flessibilità ed efficienza. Le prospettive sul medio/lungo periodo, parimenti, contribuiranno, nella convinzione degli autori, a favorire l’accettabilità dei combustibili fossili, allorché le valutazioni tecniche saranno suffragate da dati quantitativi, e sgombre da preconcetti ideologici. Tali scelte getteranno un ponte verso la “società dell’idrogeno”, favorendo la penetrazione tecnologica ed accelerando i tempi per una concreta adozione di soluzioni basate su tale vettore energetico, in attesa di altre più avanzate fonti.

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9. Bibliografia

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