OXY-COMBUSTIONE SENZA FIAMMA

Enel per la ricerca e l'innovazione

Verso la produzione di energia a “zero” emissioni

Lo sforzo di ricerca per realizzare un sistema di combustione rivoluzionario, che riduce praticamente a zero tutte le emissioni, favorendo anche un comodo sequestro della CO2. Gli aspetti tecnici illustrati da Massimo Malavasi, Direttore Ricerca e Sviluppo di ITEA

Con l’obiettivo di raggiungere una produzione di energia elettrica senza emissioni di CO2 in atmosfera, Enel è impegnata nella progettazione e realizzazione di un sistema di combustione innovativo, in grado di utilizzare combustibili solidi, come il carbone, riducendo sensibilmente gli inquinanti e facilitando la cattura della CO2 prodotta, per una successiva fase di sequestro.
La tecnologia è quella della combustione in ossigeno. Le ricerche in tal senso sono effettuate in collaborazione tra Enel, Enea e ITEA, la società del Gruppo Sofinter (il gruppo Industriale che controlla Ansaldo Caldaie, il maggior operatore del Paese nel settore della componentistica per generazione di vapore) dedicata allo sviluppo industriale dei processi di oxy-combustione.


Abbiamo chiesto a Massimo Malavasi, Direttore Ricerca e Sviluppo di ITEA SpA, di spiegare in dettaglio, con qualche particolare tecnico, in cosa consiste la nuova tecnologia di oxy-combustione in questione, denominata Isotherm.

«Isotherm di ITEA è una metodologia completamente nuova di combustione, un filone tecnologico - gli anglosassoni userebbero il termine philosophy – che mira ad estrarre il massimo dell’energia fornita dalla combustione, con impatto ambientale trascurabile.
Da sempre si è operata la combustione mediante il contatto, la miscelazione fisica, di un combustibile con un comburente , tipicamente aria, generando una fiamma. Le jet flames di oggi sono una espressione moderna molto sofisticata, ma sempre sullo stesso concetto base: la fiamma.
Alle sollecitazioni dei regolamenti ambientali degli ultimi decenni si è risposto fino ad ora “aggiungendo” operazioni sempre più numerose e complesse di “ripulitura” dei fumi prodotti dalle fiamme.
Ecco il punto: la fiamma è un fenomeno naturale intrinsecamente caotico.
Ciascun punto della fiamma non è determinabile, può essere descritto solo statisticamente nel suo complesso. Accanto a domini ad altissima temperatura convivono domini a bassa temperatura.
Il controllo dei microcomponenti è pertanto oggi  impossibile, e purtroppo si tratta di componenti pericolosi alla microscala.
Un esempio sotto gli occhi di tutti: la fiamma si “vede” sempre. Il che vuol dire che contiene particelle solide, che sono le sole in grado emettere nel campo del visibile all’occhio umano. Sono le polveri sottili, tanto più pericolose quanto più sono piccole, che affliggono le fiamme di tutti i tipi di combustibile, inclusi quelli che fino ad oggi hanno goduto della fama di essere “puliti”, come il metano.
ITEA ha escluso che il salto di qualità richiesto potesse venire dalle fiamme a diffusione , ed ha preferito l’alea di puntare su un procedimento “senza fiamma” (in inglese tecnico: flameless).
Non si tratta di un concetto nuovo: sul flameless stanno lavorando in molti da una quindicina di anni. Tuttavia con risultati poco incoraggianti, almeno sul piano industriale, per le troppe limitazioni e i costi associati.
Nell’Isotherm, ITEA ha proposto una combinazione totalmente innovativa dei parametri di combustione, facendo leva sullo scambio di energia - per irraggiamento all’infrarosso (IR) - tra gas e pareti e tra gas e gas. Per potenziare lo scambio IR, viene operata la combustione ad alta temperatura (1700-2000 gradi Kelvin) con aria arricchita (oxy-combustione) in atmosfera di gas “opachi” all’IR, costituiti dai prodotti stessi dell’oxy-combustione (CO2 e H2O), resi più densi pressurizzando il combustore. L’IR assicura alta ed uniforme temperatura in tutto il combustore distribuendo le reazioni di combustione su un volume molto più ampio, non più caotico ma controllabile. Le ceneri leggere e pesanti fondono, separandosi per coalescenza dai fumi, e sono raccolte sotto forma di scorie vetrificate inerti, con i metalli pesanti intrappolati per sempre nella matrice vetrosa, come accade nella lava dei vulcani.
Nell’Isotherm è il combustore – il core della tecnologia - a svolgere gran parte delle funzioni.
Non più diossine, poliaromatici, polveri sottili nei fumi già alla radice del processo, il che, tra l’altro, riduce la necessità di post-trattamento dei fumi alla sola neutralizzazione.
Isotherm ottiene, ad oggi, la combustione flameless con qualsiasi tipo di combustibile provato: gas, liquido, solido. La sola condizione è che sia un combustibile “pompabile”. Per i solidi, è sufficiente la dispersione dei granuli (1-2 mm) in acqua (water slurry).
A tutti gli effetti può essere considerata una nuova piattaforma tecnologica per uno spettro allargato di combustibili - dalle biomasse ai combustibili tradizionali - ma soprattutto aperta a combustibili problematici come gli scarti industriali, il carbone di basso rango e gli scisti bituminosi»


Un processo, quindi, che riduce drasticamente le emissioni nocive ed inquinanti. Ma perché ha valenza anche dal punto di vista climatico? In che modo consente di ridurre o eliminare anche le emissioni di CO2?

«Uno dei limiti della flameless classica è stato fino ad ora la necessità di operare a basse concentrazioni di ossigeno, meno del 3%, il che implica la necessità di grandi diluizioni. Lo ricordo distintamente, perché nel tormentone delle discussioni sui rischi di fallimento associati ad un approccio totalmente innovativo, proprio l’associazione tra flameless e oxy-combustione (ossigeno e/o aria arricchita) era criticata ed esclusa a priori dai più.
Non è stato così. Anzi, proprio l’esclusione dell’azoto dell’aria (molecola biatomica che non partecipa agli scambi IR) è risultato uno dei fondamenti innovativi per accedere alle condizioni flameless, cioè un elemento chiave sulla strada delle emissioni “quasi zero”. Ma soprattutto oxy-combustione e fumi di CO2 concentrata hanno fatto parte delle assunzioni iniziali poste a base del lavoro di elaborazione della nuova piattaforma tecnologica Isotherm verso l’obiettivo “zero emissioni”.
Infatti la CO2 concentrata di Isotherm in fumi puliti si presta bene a nuovi circuiti di riutilizzo e ad essere “sequestrata” per essere, ad esempio, stoccata in siti geologici.
Sottolineo: CO2 concentrata in fumi ultra puliti.
Non è per polemizzare con altri sistemi, ma è difficile in sé pensare che venga accettato, che sia la direzione corretta, prevedere soluzioni di oxy-combustione che creano bare sotterranee di diossine e metalli pesanti solo per sequestrare la CO2.
Isotherm è anzitutto un salto di qualità nella riduzione di tutte le emissioni nocive. È la precondizione per accedere alle tecnologie pulite di riutilizzo e sequestro della CO2. Ed è proprio questo concetto che raccoglie l’unanimità di consensi di Enel, Enea e ITEA».


A che punto di sviluppo è la tecnologia sviluppata da ITEA? Ha già applicazioni pratiche?

«ITEA è la società del Gruppo Sofinter dedicata allo sviluppo industriale del processo proprietario di ossi-combustione Isotherm PWR®. Isotherm nasce, in collaborazione con Enea, per la combustione di combustibili problematici, come gli scarti industriali. Ottiene in quel campo risultati che rappresentano un salto di qualità nella riduzione delle emissioni. Dati certificati da Enti come il CNR e Agenzie regionali per la protezione dell’ambiente (ARPA) parlano di emissioni di diossine, furani e idrocarburi policiclici aromatici (IPA) più di 1000 volte sotto i limiti di legge. Stesso discorso per le polveri sottili.
Presto sarà in funzione anche una sezione innovativa per la captazione dei metalli pesanti volatili, e con questo si chiuderà il cerchio. Prevedo che non sarà difficile ottenere la qualifica di “migliore tecnica disponibile” (BAT) a 360 gradi, in un sol colpo su tutte le emissioni pericolose per la salute e per l’ambiente.
Senza falsa modestia, ritengo siano valori inarrivabili a livello mondiale.
Sono dati ottenuti non su un pilota, ma su un impianto già di taglia apprezzabile (5 MWt) nel Centro Ricerche Combustione di Ansaldo Caldaie a Gioia del Colle (BA), secondo uno schema funzionale industriale, cioè quello che ordinariamente si chiama “impianto dimostrativo”, un passo oltre nello sviluppo, rispetto a un “pilota”.
Si tratta di dati che hanno superato lo scetticismo che di solito circonda ogni nuova tecnologia e hanno permesso l’avvio di realizzazioni industriali. Ad esempio, questo autunno sarà in marcia una unità industriale Isotherm PWR da 15 MWt a Singapore, Stato che di recente si è dato una legislazione sulle emissioni praticamente equivalente a quella Europea. Altri progetti di unità industriali da 15 MWt sono in corso di sviluppo».


Una centrale a carbone è però un impianto con taglia centinaia di volte superiore all’impianto di Gioia del Colle. Nell’applicare il processo Isotherm ad una centrale di potenza, la grande differenza di scala non crea problemi? Che tipo di difficoltà prevedete di dover ancora affrontare per giungere ad una applicazione industriale della tecnologia nel settore termoelettrico?

«Va da sé che il settore industriale della produzione di energia è altra cosa. Richiede uno sforzo di sviluppo specifico, che è appunto quello che Enel, Enea e ITEA hanno intrapreso.
Il potenziale di Isotherm è verso rese elevate di conversione ad energia elettrica. I fumi puliti, ad alto livello termico, danno spazio a cicli termodinamici che sfruttano al massimo il calore generato.
Ad esempio, si può combinare un prelievo termico dal circuito gas attorno al combustore verso una caldaia “ultra-super-critica” a vapore, con uno schema Joule-Brayton di turboespansione dei gas prodotto netto della combustione. Il tutto si innesta su uno schema che praticamente azzera le perdite classiche a monte della combustione e con la massa dei fumi a camino. In pratica sono concepibili rese molto elevate, poco sotto il 60%, cioè in grado di assorbire i consumi energetici necessari alla produzione di ossigeno e al sequestro della CO2, con rese complessive finali che sono confrontabili con quelle attuali delle tecnologie classiche.
Il lavoro per concretizzare questo potenziale è però tutto da fare. Si parte dal lavoro modellistico di scale-up del combustore verso le grandi potenze, per passare allo studio di operazioni unitarie che sfruttano le caratteristiche peculiari di Isotherm in direzione di alte rese e flessibilità di esercizio. Il ruolo di ENEL, con tutto il peso del suo settore Ricerca e con l’esperienza di esercizio di centrali di potenza, è chiave in questo sviluppo. Enea apporta le competenze specialistiche, quali la modellistica, la sensoristica, le competenze sul sequestro della CO2. Direi che stiamo realizzando proprio una buona combinazione sinergica.
L’appuntamento è per una unità dimostrativa, nei tempi strettamente tecnici per la progettazione e la realizzazione, presso una centrale Enel».


Quali prospettive apre la vostra esperienza, alla luce anche delle indicazioni comunitarie sull’uso sostenibile dei combustibili fossili? Può essere un passo in avanti nell’accettazione sociale, ad esempio, del carbone?

«Isotherm arriva in tempo utile, in linea con le indicazioni strategiche della Comunità Europea in materia di ambiente e può considerarsi una vera e propria alternativa ai più costosi impianti IGCC +CCS (Integrated gasification combined cycle  con  Carbon capture and sequestration) che sono in sviluppo in Europa,USA e Giappone e che ad oggi  presentano complesse problematiche di sviluppo.
Una volta tanto, la Ricerca italiana ha la possibilità di non restare alla finestra, di proporre in tempo utile qualcosa di innovativo e di provato su scala di 5 MW per alcune migliaia di ore. C’è comunque tanto lavoro da fare per realizzare impianti industriali da 300-600 MW. Però è plausibile che, con un grande sforzo intellettuale e tecnologico, si possa davvero essere pronti presto con una tecnologia tutta italiana.
Si tratta di impegnarsi da subito, per sfruttare a fondo tutte le possibilità che la nuova piattaforma Isotherm offre in una visione moderna dell’impatto ambientale e sociale.
Un esempio in proposito, per essere più chiari. Isotherm non richiede polverizzazione a 70 micron del carbone (basta la frantumazione a 1-2 mm) ed accetta carbone umido. È concepibile attuare la logistica, la manipolazione del carbone in tubi e serbatoi chiusi, invece che mucchi di carbone e trasportatori, con risparmio significativo di costi. Se si attua la filosofia del “carbone liquido” insieme alla piattaforma Isotherm, le emissioni complessive (polveri sottili, ceneri, metalli pesanti, tossici gassosi, CO2) sono tutte praticamente ridotte a zero.
Potrei sbagliarmi, ma credo che il concetto di centrali piccole, senza ciminiera e senza emissioni possa essere facilmente trasmesso all’opinione pubblica. “Zero” è un numero che non chiede distinguo, competenze specifiche. Il problema principale è probabilmente quello di far comprendere l’importanza del percorso che stiamo compiendo, in un contesto in cui si è convinto l’uomo della strada che il metano è pulito e il carbone è sporco. Occorre far comprendere che la differenza non la fa il combustibile, ma la tecnologia di combustione. E questo non è facile da spiegare.
Ma, se guardiamo avanti, ci sono tutti gli elementi per presentare l’energia distribuita con emissioni quasi zero come la forma più democratica di materia prima al servizio di tutti, senza etichette di comodo come “bio”, oppure “ti da una mano”. Il carbone può diventare appunto una fonte di energia senza ricatti esterni, di basso costo, di impatto nullo e vicina a chi ne trae benefici. La forma più democratica appunto di materia prima per lo sviluppo».