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Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS
Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Maggiore flessibilità operativa e miglior ritorno economico L. Mancuso - Foster Wheeler Italiana - Power Division N. Ferrari - Foster Wheeler Italiana - Power Division J. Davison - IEA Greenhouse Gas R&D Programme Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia –11 Luglio 2011 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Premessa IEA GHG R&D Programme Organizzazione internazionale (19 nazioni, EC, OPEC e 25 sponsors) finalizzata allo studio delle tecnologie per limitare le emissioni di gas serra Background dello studio Gli impianti di produzione d’energia elettrica devono necessariamente far fronte alla richiesta variabile del mercato in vista anche di un incremento significativo delle fonti rinnovabili. Anche gli impianti futuri con CCS dovranno rispondere a questa richiesta Principali obiettivi Identificare i maggiori fattori che limitano la flessibilità degli impianti CCS Valutare la fattibilità tecno-economica di stoccaggio dell’energia, come mezzo per migliorare la flessibilità operativa ed il ritorno economico 2 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Agenda Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CSS) Lo stoccaggio di energia in impianti CCS: flessibilità e ritorno economico • • • Idrogeno Conclusioni Ossigeno Solvente saturo di CO2 3 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Introduzione: lo scenario energetico attuale nei paesi industriali Liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica Variabilità del prezzo dei combustibili e dell’energia elettrica Ruolo chiave delle fonti rinnovabili Capacità installata di generazione da fonti fossili superiore alla domanda Deindustrializzazione dei paesi sviluppati e crisi economica Elevata flessibilità operativa richiesta agli impianti Variazione della richiesta dell’energia elettrica Partecipazione ai servizi di rete 4 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Introduzione: richiesta di EE per impianti a combustibile fossile Plant load (Monday to Friday1) 110% 100% Peak: 80 ore/settimana Peak hours 90% 80% 70% 60% NGCC PC-IGCC 50% 40% 30% 20% Off-peak: 88 ore/settimana Off peak hours 10% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Note 1: NGCCs @ 0% load during week-end.IGCC, USCPC and OXY-USCPC @ 50% load during week-end 5 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Flessibilità operativa degli impianti convenzionali (no CCS) NGCC • Capacità di operare in modo ciclico: elevata (hot start-up: 45-55 min, rampa della TG 50MW/min ) • • Efficienza ai carichi parziali: - 2/3% al 60% Turn-down dipende dal minimo tecnico ambientale della TG (30-50%) USC PC • Capacità di operare in modo ciclico: media (hot start up 90-150 min, rampa di carico del boiler 4-5%/min ) • • Efficienza a carichi parziali: - 2/4% al 75% Turn down: 30% IGCC • Capacità di operare in modo ciclico: bassa (hot start up 6-8 ore, rampa di carico dell’ASU 3%/min) • Turn-down treno di generazione del syngas: 50% Minimo tecnico ambientale della TG a syngas: 60% (bruciatori a diffusione) 6 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di energia negli impianti CCS OBIETTIVO: Mantenere inalterata la flessibilità operativa dei futuri impianti Lo stoccaggio di energia è una strategia fondamentale : Maggiore generazione durante i periodi di picco Maggiore capacità di rispondere alle variazioni di carico 7 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Forma di stoccaggio dipende dalla tipologia di impianto Stoccaggio di idrogeno o combustibile ad elevato contenuto di idrogeno IGCC con cattura pre-combustione della CO2 Stoccaggio di ossigeno IGCC con cattura pre-combustione della CO2, Impianti con combustione ad ossigeno Stoccaggio di solvente Impianti con cattura post-combustione della CO2 (NGCC, USC PC) 8 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio sotterraneo di idrogeno Co-produzione di energia elettrica e idrogeno Stoccaggio intermedio del syngas ricco di H2 alimentato alle TG La linea di produzione del combustibile opera a pieno carico, mentre i treni di potenza variano la generazione come richiesto dal mercato • Peak Syngas ricco di H2 proveniente dallo stoccaggio alimentato a TG • Off - peak Syngas ricco di H2 in eccesso a stoccaggio (in parte a PSA) 9 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di idrogeno: caratteristiche Tipologie • • Rocce porose: giacimenti esauriti e falde acquifere Caverna: caverne artificiali e miniere Capacità: 105-106 m3 • • Proporzionale alla pressione di stoccaggio del gas Il volume totale deve includere la quantità necessaria di ‘gas cuscinetto’ Pressione: 10-270 bar • Dipende dalla profondità di stoccaggio Meccanismo di prelievo • • Pressione costante Volume costante 10 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di idrogeno: una tecnologia già nota! Inghilterra, Teesside, Yorkshire (SABIC, ex ICI) • • Stoccaggio di idrogeno puro: 1 milione di Nm3 (3 caverne) Profondità: 400 m Francia, Beynes, Ile de France (Gaz de France) • • Stoccaggio di gas 50-60% di idrogeno in falda acquifera: 330 milioni di Nm3 20 anni in operazione senza perdita di contenimento o problemi di sicurezza Russia • • Stoccaggio di idrogeno puro Pressione: 90 bar Germania • • Stoccaggio di gas 62% di idrogeno in caverna: 32,000 m3 Pressione: 80-100 bar Czechoslovakia • Stoccaggio di gas 50% di idrogeno in falda acquifera 11 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Impianti di co-produzione di EE e H2 vs. IGCC tradizionali Energia elettrica prodotta: +2÷4% • • • Produzione di idrogeno tramite PSA: +1÷3% TIC Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1÷3% TIC 160,000 100000 140,000 120,000 [m3] 80000 [kg/h] Hydrogen rich gas stored volume 100,000 80,000 Syngas flowrate 60000 60,000 40,000 40000 20,000 00 20000 20,000 40,000 SAT 0 SUN 24 MON 48 TUE WEN THU FRY SAT 0 72 96 120 144 168 time [hours] 12 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Impatto dello stoccaggio intermedio del syngas ricco di H2 in IGCC tradizionali Energia elettrica prodotta: +2÷5% Treno di generazione del syngas di capacità ridotta: - 5÷-8% TIC Stoccaggio di syngas ricco di idrogeno: 1÷3% TIC Stoccaggio di azoto per le TG 110000.0 100000.0 [m3] 90000.0 80000.0 Hydrogen rich gas stored volume • • • • 70000.0 60000.0 50000.0 40000.0 30000.0 20000.0 10000.0 0.0 SAT SUN MON 0 24 48 TUE 72 time WEN THU FRY SAT 96 120 144 168 [hours] 13 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di ossigeno: IGCC e Oxy-USC PC ASU al minimo carico nei periodi di picco (scenario 1) Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2) La potenza netta, generata nei periodi di picco, aumenta perchè i consumi elettrici dell’ASU diminuiscono. Lo stoccaggio si effettua nei periodi di bassa richiesta di energia 14 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti IGCC tradizionali ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1) • Energia prodotta: +6÷9% (ASU al 70%) - Stoccaggio LOX-LIN: +2-4% TIC Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2) • Energia prodotta: +3÷6% - Capacità ASU ridotta (82%) + stoccaggio LOX: TIC invariato 7000.0 Case 2a - Scenario 1 Case 2a - Scenario 2 6000.0 [m3] 5000.0 Sored Oxygen 4000.0 3000.0 2000.0 NB: Integrazione ASU - TG può costituire un limite alla flessibilità 1000.0 0.0 Back-up Oxygen volume SAT 0 SUN MON TUE 24 48 72 time WEN THU FRY 96 120 144 [hours] SAT 168 15 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Impatto dello stoccaggio di ossigeno in impianti Oxy-fuel tradizionali ASU al minimo carico efficiente nei periodi di picco di richiesta (scenario 1) • Energia elettrica prodotta: +4÷7% (ASU al 55-60%) - Stoccaggio LOX : +1÷3% TIC Design dell’ASU a capacità ridotta (scenario 2) • Energia elettrica prodotta: +1÷3% - Capacità ASU ridotta (80%) + stoccaggio LOX: -1÷10000.0 Scenario 1 Scenario 2 9000.0 8000.0 [m3] 7000.0 6000.0 Stored Oxygen 3% TIC 5000.0 4000.0 3000.0 2000.0 1000.0 0.0 SAT 0 SUN 12 24 MON 36 48 TUE 60 WEN 72 84 time 96 [h] THU 108 120 FRY 132 144 SAT 156 168 16 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post combustione: schema 17 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di solvente negli impianti con cattura post-combustione Minima rigenerazione durante le ore di picco e capacità ridotta Minima rigenerazione durante le ore di picco e ottimizzazione dello stoccaggio Capacità di design del rigeneratore ridotta con portata di CO2 ai BL costante La rigenerazione del solvente si può effettuare in tempi diversi rispetto alla cattura della CO2 dai fumi, riducendo il consumo di vapore e di energia elettrica dell’impianto durante i periodi di picco 18 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di solvente: caratteristiche Temperatura • • Minima: temperatura ambiente per evitare precipitazione dei sali (HSS) Massima: temperatura di fondo colonna di assorbimento per evitare rilascio della CO2 disciolta Minimizzare contatto con ossigeno • • Serbatoi a tetto mobile Tenuta con azoto/CO2 Rivestimento anti-corrosione Degradazione del solvente trascurabile Stoccaggio sicuro 19 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di solvente nei cicli combinati • Rigenerazione al minimo tecnico nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi • GT al minimo tecnico ambientale durante le ore di bassa richiesta di energia per rigenerare il solvente stoccato (fermata notturna non fattibile) • Energia elettrica prodotta: +6÷8% (minima rigenerazione) +4÷6% (rigenerazione costante) • Significativo impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente 20 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Minima rigenerazione Solvent storage Minima rigenerazione Capacità rigeneratore ridotta TIC + 20-23% 180,000 Scenario 1 - rich solvent Scenario 1 - lean solvent 160,000 Scenario 1 - semi lean solvent Scenario 2 - rich solvent 140,000 Scenario 2 - lean solvent Scenario 2 - semi-lean solvent [m3] 120,000 Stored volume 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0MON TUE WEN THU FRI SAT 0 24 48 72 96 120 Time [hours] Minima rigenerazione SUN MON Minimizzazione stoccaggio 144 168 TIC + 18-20% 21 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Rigenerazione costante Rigenerazione costante TIC + 13-15% (esclusa la riduzione della linea di trasporto della CO2: -170,000 €/km) 130,000 rich solvent lean solvent semi lean solvent 120,000 110,000 100,000 [m3] 90,000 80,000 Stored volume 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 MON 0 TUE WEN THU FRI SAT SUN MON 0 24 48 72 96 120 144 168 Time [hours] 22 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Stoccaggio di solvente negli impianti a polverino di carbone • Fermata dell’unità di rigenerazione nelle ore di picco: stoccaggi eccessivi • Rigenerazione durante le ore di bassa richiesta di energia mentre l’impianto è a carico parziale • Energia elettrica prodotta: +4÷6% (minima rigenerazione) +3÷5% (rigenerazione costante) • Maggiore impatto sul TIC: stoccaggi e costo iniziale del solvente 23 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Minima rigenerazione 160,000 Minima rigenerazione Capacità rigeneratore ridotta TIC + 6-8% Scenario 1 - rich solvent Scenario 1 - Lean solvent 140,000 Scenario 2 - Semi lean solvent Scenario 2 - rich solvent 120,000 Scenario 2 - lean solvent Scenario 2 - semi lean solvent [m3] 100,000 Volume 80,000 60,000 40,000 20,000 MON TUE WEN THU FRI SAT 0 24 48 72 96 120 0 time [hours] SUNrigenerazione MON Minima Minimizzazione stoccaggio 144 168 TIC + 4-6% 24 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Rigenerazione costante 120,000 Rigenerazione costante TIC + 4-6% (esclusa la riduzione della linea di trasporto della CO2: -105,000 €/km) rich solvent lean solvent semi-lean solvent 100,000 [m3] 80,000 Volume 60,000 40,000 20,000 MON TUE WEN THU FRI SAT SUN 0 24 48 72 96 120 144 0 MON 168 time [hours] 25 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved. Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS Conclusione Lo stoccaggio di energia negli impianti CCS consente di mantenere una flessibilita operativa analoga a quella degli impianti senza cattura ed offre l’opportunita di migliorare il ritorno economico dell’investimento Infatti: Gli impianti (anche IGCC) seguono la richiesta variabile, giornaliera o stagionale, di energia La generazione di energia aumenta durante le ore di picco L’incremento del costo di investimento è contenuto nella maggior parte dei casi 26 Grazie per l’attenzione [email protected] [email protected] [email protected] Convegno ANIMP/ATI Trasporto e Stoccaggio Energia –11 Luglio 2011 © Foster Wheeler 2011. All rights reserved.
