Cicli turbogas avanzati “capture ready”

Una delle maggiori sfide del XXI secolo consiste nel conciliare la costante crescita della domanda mondiale di energia con la necessità di ridurre drasticamente le emissioni climalteranti. La sfida può essere vinta solamente con la simultanea adozione di differenti strategie, tra le quali l’incremento dell’efficienza dei sistemi di conversione dell’energia, lo sviluppo e l’adozione di tecnologie di cattura e stoccaggio della CO₂ (CCS) economicamente competitive, l’uso massiccio delle fonti di energia rinnovabili, la riduzione delle emissioni nel trasporto su larga scala. Le tecnologie di conversione dell’energia basate sui cicli di potenza che utilizzano la CO₂ supercritica (S-CO₂) come fluido di lavoro, possono giocare un ruolo non marginale in tutte le strategie sopra menzionate. La CO₂ si trova in condizioni supercritiche quando viene fatta evolvere oltre particolari valori di pressione e temperatura, detti appunto critici (31 °C, 73,8 bar), che ne mutano le caratteristiche termodinamiche facendole assumere simultaneamente peculiarità tipiche delle fasi liquida e gassosa, che diventano indistinguibili. La S-CO₂ presenta diversi vantaggi tra i quali la non tossicità, la non infiammabilità, l’abbondanza, l’esigua differenza tra la temperatura critica e la temperatura ambiente, la densità elevata. 

Anidride carbonica nelle due fasi liquida e gassosa e nella fase supercritica
Anidride carbonica nelle due fasi liquida e gassosa. Al crescere della temperatura e della pressione la separazione delle fasi è sempre meno netta, fino al passaggio alla fase supercritica dove le fasi divengono indistinguibili. (Fonte: NASA)

Il laboratorio Processi per la Combustione Sostenibile ha recentemente intrapreso una serie di attività esplorative, volte a valutare numericamente e sperimentalmente la fattibilità e la sostenibilità tecnico-economica di sistemi turbogas avanzati, alimentati mediante ossi-combustione del gas naturale in atmosfera sintetica S-CO₂/O₂. Lo schema termodinamico di riferimento è il ciclo Brayton-Joule in configurazione semi-chiusa nel quale il fluido elaborato non è aria ma un’atmosfera sintetica formata da S-CO2 opportunamente miscelata con ossigeno che funge da comburente. L’obiettivo primario è l’impostazione di un ciclo di potenza con emissioni quasi zero e una sensibile riduzione dei costi rispetto alle tecnologie CCS concorrenti. 

Possibile configurazione per ciclo Brayton S-CO₂/O₂
Una possibile configurazione di un ciclo Brayton S-CO₂/O₂ (Fonte: ENEA)

Tra le peculiarità si citano: rendimenti potenzialmente superiori al 50%, riduzione fino a 100 volte dell’ingombro delle turbomacchine e fino a un terzo dell’impronta del sistema complessivo se paragonato a un ciclo combinato di pari potenza, estrazione della CO₂ “pipeline ready” senza ulteriori sistemi di compressione, assenza della sezione a vapore tipica dei cicli combinati. Le attività in cui il laboratorio Processi per la combustione costenibile è concretamente impegnato nell’ambito dei cicli turbogas a S-CO₂ possono essere sintetizzate nei punti seguenti:

  • studi teorici e simulazioni numeriche volte a valutare la perfomance termodinamica di differenti configurazioni di ciclo;
  • realizzazione di un impianto sperimentale (AGATUR, Advanced GAs Turbine Rising) per l’effettuazione di una prima serie di esperienze esplorative su micro turbina a gas con ossi-combustione a pressioni convenzionali (v. figure);
  • realizzazione di un “proof of concept” (obiettivo di medio termine in partenariato).

 

Impianto AGATUR: generatore di vapore e microturbinaImpianto AGATUR: vessel di accumulo gas
Impianto AGATUR: vista d'insieme
Diverse viste dell’impianto AGATUR. In alto a sinistra: il generatore di vapore e la microturbina; in alto a destra: il vessel di accumulo gas; in basso a sinistra: una vista d’insieme

Schema dell'impianto AGATUR
Schema dell’impianto AGATUR

Referente:
G. Messina,