”Miglioramento dell’efficienza energetica nella produzione...

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”Miglioramento dell’efficienza energetica nella produzione idrogeno

a partire dalla gassificazione dell’asfalto nell’impianto IGCC di ISAB Energy”

Milano, 11 luglio 2013

Ing. Bellina Giovanni , Ing. Cardaci Walter

Convegno ATI/ANIMP “3E – Energy , Efficiency and E nviroment , Efficienza energetica e cogenerazione: quali prospettive per l’industria italiana nei nuov i mercati energetici ”

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Sommario

Convegno ATI/ANIMP “3E – Energy , Efficiency and En viroment

� Premessa impiantistica – Tecnologia IGCC/SDA

� Descrizione intervento – Nuovo Impianto Idrogeno

� Calcolo del Risparmio Energetico – Baseline e Miglio ramento

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ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA


• Isab Energy, IGCC/SDA e nuovo impianto di produzione idrogeno a partire dalla gassificazione dell’asfalto

• Isab Energy Services Srl, gestore impianto ed ESCO

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il

Il processo di gassificazione di Isab Energy

� è effettuato in 2 gassificatori TEXACO a raffreddam ento ad acqua diretto, i più adatti al trattamento di una carica estremamente pesante come l'asfalto.

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ilUnità di Trattamento Syngas e Recupero Termico

Dalla gassificazione viene prodotto syngas umido, che deve subire alcune fasi di trattamento prima di poter essere utilizzato.

� Il syngas prodotto viene lavato con acqua in uno scrubber al fine di eliminare la soot in esso contenuta, prima che lo stesso vada nell'impianto di recupero termico e trattamento catalitico per convertire COS in H2S per il successivo recupero zolfo

� Attraverso un progressivo raffreddamento (da circa 250°C a circa 35°C) del flusso di syngas, si recupera calore utilizzato per produrre vapore (MP, BP) , che viene impiegato nelle varie utenze dell'impianto.

� Il gas, trattato e raffreddato, viene processato nell’unità rimozione gas acido per rimuovere i composti dello zolfo, attraverso MDEA e una volta pulito viene utilizzato negli impianti H2 e CCU

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Descrizione intervento


• Nel mondo quasi tutto l'idrogeno viene attualmente prodotto su vasta scala con processi di reforming di idrocarburi .

• Il processo di produzione che sfrutta la gassificaz ione rappresenta una tecnologia innovativa, con elevata efficienza e ridotte emissioni inquinanti rispetto alla tipica t ecnologia per produrre idrogeno utilizzata nelle raffinerie e pra tica corrente (steam reforming) e che rappresenta il riferimento ex ante .

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Il nuovo impianto H2

� Realizzato nel periodo mag2009-giugno2010 – investim ento 20 ME;

� ha una produzione nominale pari a circa 20.000 Nmc/ h;

� è composto principalmente da tre unità impiantistic he:

- Lavaggio del syngas

- Impianto di separazione a Membrane

- PSA (Pressure Swing Adsorption)

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- Lavaggio del syngas

per ridurre al minimo l’eventuale contenuto di MDEA (metildietanolammina),il solvente utilizzato nel processo di Acid Gas Removal (AGR) per catturareil gas acido, in quanto i liquidi, e la MDEA in particolare, se in contatto conle membrane, possono danneggiarle riducendone o compromettendone inmodo irreversibile le prestazioni.

- Separazione idrogeno con Membrane e PSA

L’utilizzo di due processi in serie per la separazione dell’idrogeno ènecessario per ottenere il massimo dell’efficienza, in quanto ognuno deidue si presta meglio per concentrazioni differenti del gas in ingresso.

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- Impianto di separazione a Membrane

dove viene effettuata la separazione con membrane dell’idrogeno presente nel syngas, in una unità POLYSEP della Honeywell UOP, fino ad ottenere un gas permeato con un contenuto di idrogeno (H2) pari a circa il 70%.

- PSA (Pressure Swing Adsorption)

dove il permeato viene ulteriormente trattato in un sistema PSA (POLYBED della Honeywell UOP) fino per arrivare alla purezza richiesta dell’H2 pari al 99,5% volume.

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Il nuovo impianto è tecnologicamente innovativo,

� con alta efficienza energetica

� con ridotte emissioni inquinanti

� risparmio rispetto ai normali consumi per la produz ione di idrogeno, identificati con quelli del Bref,

A livello mondiale infatti l’idrogeno immesso sul mercato v ieneprodotto per più del 90% a partire da combustibili fossili, i nprevalenza gas naturale. Anche per quanto riguarda il setto re delleraffinerie il 57% dell'idrogeno prodotto in Europa deriva d al processodi steam reforming del metano.

La fonte di energia primaria risparmiata grazie alla realiz zazione delnuovo impianto di produzione idrogeno da gassificazione de ll'asfalto,è il metano.

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PPU CCU

AsfaltoEnergia ElettricaOssigeno

Vapore

Energia Elettrica Zolfo

Vanadio

Syngas

Impianto idrogeno

Idrogeno

Syngas


Baseline e risparmi energetici

Energia Elettrica

VaporeOff-gas

BD

14Convegno ATI/ANIMP “3E – Energy , Efficiency and En viroment


Per il calcolo dei risparmi ottenuti in seguito alla realizzazione del nuovo impianto di produzione idrogeno sono stati confrontati i consumi energetici

nelle due situazioni:

� ex ante: consumo medio delle utilities del processo di produzione idrogeno mediante steam reforming, per la lavorazione della carica alle condizioni idonee operative, tratto dal Bref di riferimento.

� ex post: consumo delle utilities del processo di gassificazione asfalto, trattamento syngas e purificazione idrogeno, per la lavorazione della carica

alle condizioni idonee operative.



BASELINE - Bref "Mineral Oil and Gas Refineries", IMP IANTO STEAM REFORMING

Utilities richieste Range di consumo

Unità

di

misura

Valore medio

consumo utilities

(Baseline)

X

Unità

di

misura

Fuel (Q) 35.000 - 80.000 MJ/t H2

Energia Elettrica (P)200 - 800 kWh/t H2

X = K / 21.566 - 6.263 MJ/t H2

61.414,5 MJ/t H2Totale consumo utilities (K) = Q+P 36.566 - 86.263 MJ/t H2

Consumi Energetici Impianti Steam reforming (BREF)- Baseline

Consumo energetico Fuel - valore medio 57.500 MJ/t d i H2;

Consumo energetico EE – valore medio 3.914,5 MJ/t di H2

Consumo Energetico medio di riferimento è pari a 61 415,5 MJ/t di H2

La voce “fuel” indicata nelle BREF come energia di utility per impianti steam reforming, rappresenta il consumo di combustibile al bruciatore del reattore di reforming



Consumi Energetici per produzione H2 da gassificazi one asfalto

a) Consumo utilities processo gassificazione-tratta mento syngas per la produzione H2

Ottenuto dal consumo totale delle utilities (ossigeno, vapore, EE) del processo di gassificazione e trattamento syngas diviso per le tonnellate totali di asfalto in carica e moltiplicato per le tonnellate di asfalto utilizzate per la produzione di idrogeno (portata asfalto equivalente)

b) Consumo utilities nuovo impianto H2

il consumo totale delle utilities energia elettrica per le varie apparecchiature e un piccolo quantitativo di vapore prelevato dall'esterno. Considerati nella loro totalità in quanto sono utilizzati esclusivamente per produrre idrogeno.



Elenco strumenti per TEE

Stream Tag CPP Tag PI Sigla strumento Tipo di strumento

2) Portata Ossigeno da Air Liquide 5900O2GASSV 5900FI0_201CP

4) Vapore ( unità 3800) 3800LPCONSSV 3800FI0_003 3800-0-FT-003 Orifizio Calibrato

1) Asfalto in carica 5900FEEDPREPSV 3100FI0_001CP 3100-0-FT001A/B/C Coriolis

5) Idrogeno 3800H2PRODSV 5900FI0_550 5900-0-FT550 Coriolis

3) Syngas post trattamento 3500SYNPRODSV

3300FI0_029CP 3300FI0_029CP 3300-0-FT029 Orifizio Calibrato

3800FI0_601CP 3800FI0_601CP 3800-0-FT601A/B Annubar

FT-1930 - 1940 (proprietà Air Liquide)



Consumi Energetici – nuovo impianto H2 da gassificaz ione asfalto

I consumi energetici delle utilities per la produzione di idrogeno nel nuovo impianto di produzione sono:

� Ossigeno;

� Vapore;

� Energia elettrica.



� Ossigeno;

- L'apporto di energia principale per la gassificazione-trattamento syngas è rappresentato dall'ossigeno necessario all'ossidazione parziale dell'asfalto.

- Il consumo di ossigeno viene associato all'energia elettrica necessaria per la sua produzione. L'ossigeno viene acquistato da Isab Energy da un impianto dell'Air Liquide adiacente allo stabilimento. La società fornitrice fornisce i propri dati sui consumi per produrre ossigeno.

- Questo consumo specifico, moltiplicato per il quantitativo di ossigeno utilizzato dal processo di gassificazione permette di ricavare l'energia elettrica impiegata per la produzione dell'ossigeno.

- Il consumo specifico di energia elettrica per generare un Normal metro cubo di ossigeno è pari a

0,5615 kWh /Nmc.



� Vapore;

- Per effettuare la gassificazione-trattamento syngas viene consumato anche vapore , che funge da moderatore nella reazione. Durante la fase di

raffreddamento syngas avviene un recupero di calore utilizzato per produrre vapore che viene reimpiegato nelle varie fasi di lavorazione.

Considerando l'autoproduzione e l'autoconsumo di va pore, la quantità di vapore consumato nel processo di gassificazione- trattamento

syngas non è inserito nel calcolo, in quanto il con tributo energetico deriva dall'energia di reazione dell'ossigeno, già considerato.

Viene invece inserito nel calcolo il vapore consumato nell'impianto di produzione idrogeno, in quanto è prelevato dall'esterno.

Tale vapore è alla pressione di circa 4,5 bar e alla temperatura di circa 205°C, quindi l'entalpia associata è pari a :

2.858,4 kJ/kg, ovvero 682,72 kcal/kg.



� Energia elettricaCABINA ELETTRICA LC02 - alimenta unità di impianto gassificazione-produzione e trattamento syngas

- alimenta unità di impianto 3800 produzione idrogeno

- alimenta altre utenze - Control Room

CONTATORE QUADRO UTENZA MISURE PI TIPO CONTATORE COSTRUTTORE ANNO INSTALLAZIONE

6 Consumo EE LC02

Consumo EE LC02 6

1 SWG-02-101 ARRIVO A 2SG11AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

2 ARRIVO B 2SG11BWh SEPAM SCHNEIDER 2000

3 PC-02-001 ARRIVO A 2PC01AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

4 ARRIVO B 2PC01BWh SEPAM SCHNEIDER 2000

5 PC-02-002 ARRIVO A 2PC02AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

QUADRO QUADRO QUADRO 6 ARRIVO B 2PC02BWh SEPAM SCHNEIDER 2000

SWG-02-101 PC-02-001 PC-02-002

QUADRO Consumo EE CR001A 8

8 ASP-02-001 21 SWG-02-101 TR/PC-CR001A CPC01AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

CONSUMO EE CR

Consumo EE impianto H2 10

7 PC-02-001 3800-PM110A 2PC0138P10AWh X-METER ENERGY TEAM 2012

8 3800-PM110B 2PC0138P10BWh X-METER ENERGY TEAM 2012

9 PC-02-002 3800-PM111A 2PC0238P11AWh X-METER ENERGY TEAM 2012

10 3800-PM111B 2PC0238P11BWh X-METER ENERGY TEAM 2012

10 Consumo EE impianto H2 11 ASP-02-001 UPS-SIB5-ARRIVOA 2UPSB1DISTR1Wh X-METER ENERGY TEAM 2012

12 ASP-02-003 2ASP03Wh X-METER ENERGY TEAM 2012

13 UPS-SIB5-ARRIVOB 2UPSB1DISTR2Wh X-METER ENERGY TEAM 2012

Consumo EE altre utenze 9

14 SWG-02-101 3010-BM102A 2SG1131B2AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

15 3010-PM101A 2SG1131P1AWh SEPAM SCHNEIDER 2000

16 3010-PM101C 2SG1131P1CWh SEPAM SCHNEIDER 2000

9 Consumo EE altre utenze 17 3010-BM102B 2SG1131B2BWh SEPAM SCHNEIDER 2000

18 3010-PM101B 2SG1131P1BWh SEPAM SCHNEIDER 2000

19 PC-02-002 3010-BM101A 2PC0231B1AWh X-METER ENERGY TEAM 2012

20 3010-BM101B 2PC0231B1BWh X-METER ENERGY TEAM 2012

Consumo EE Gassificazione e trattamento Syngas 7

calcolo Consumo EE LC02-Consumo EE H2-Consumo EE altre utenze-Consumo EE CR001A

1 2

6kV da LC010,4 kV da LC01

3 4 5 6

7 8 9 10131211

14141414 15 16 17 18 19 20

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� Portata di asfalto equivalente (Qasf)

Si determina il parametro di rendimento degli impianti di gassficazione(‘’Cold Gas Efficiency’’) considerando la quantità totale di asfalto in ingresso

ai gassificatori e la quantità di syngas generato con i relativi PCI.

Si effettua il rapporto tra l'energia associata all'idrogeno prodotto e il prodotto tra il PCI dell'asfalto in carica e la cold gas efficiency, determinando le tonnellate di asfalto in carica utilizzata per la produzione di idrogeno.



PORTATA DI ASFALTO EQUIVALENTE (Qasf) (01/07 - 31/12/2012)

Dati impianto (01/07 - 31/12 2012) I valori dei PCI provengono da analisi di

laboratorio di Isab Energy Services e risultano

congruenti con la letteratura di settoreQuantità tot PCI (kcal/kg)

IDROGENO PRODOTTO t 5.374,156 26.088

SYNGAS post trattamento t 1.093.012,541 3.120

ASFALTO in carica t 500.311,184 9.123

Calcolo quantità di asfalto utilizzata per la produzione di H2 (01/07 - 31/12 2012)

Cold gas efficiency (η) = (PCI syngas x Ton Syngas) / (PCI asfalto x Ton asfalto) =

= ( 3.120 x 1.093.012,541 )/( 9.123 x 500.311,184) = 0,747

Portata di asfalto equivalente (Qasf) = (Ton idrogeno x PCI Idrogeno) / (PCI asfalto x η) =

= ( 5.374,156 x 26.088 ) / ( 9.123 x 0,747) = 20.569



a) Consumo utilities processo gassificazione- trattamento syngas per H2IMPIANTO PRODUZIONE IDROGENO ISAB ENERGY SERVICES (rendicontazione consumi 01/07/2012 - 31/12/2012)

Dati Asfalto in carica e produzione Idrogeno

periodo

Luglio - Dicembre 2012Quantità [t]

Asfalto in carica 500.311,184 I

Idrogeno prodotto 5.374,156 L

Consumi di energia utilities (ossigeno + energia elettrica) per gassificazione e trattamento syngas

Quantità

Energia ElettricaFattore di conversione Kcal MJ

[kcal/kWh] (kWh x kcal/kWh) (kcal / 238,85)

OSSIGENO

574.274,754 ton -->

382.131.394 Nmc-->

consumo produzione: 0,5615

kWh/mc

kWh 214.566.777 1.870 401.239.872.990 1.679.882.240 A

ENERGIA ELETTRICA kWh 27.923.350 1.870 52.216.664.500 218.616.975 B

CONSUMO TOT GASSIFICAZIONE E TRATTAMENTO SYNGAS E = (A+B) 453.456.537.490 1.898.499.215 E = (A+B)

Consumo specifico utilities per gassificazione e trattamento syngas

E I C = E / I Qasf (riferimento pagina 31)

Z = C x Qasf L D = Z / L

Consumo utilities gassificazione

e trattamento syngas

[MJ]

Asfalto in carica

[t][MJ/t asfalto]

Portata di asfalto

equivalente [t]

(t di asfalto utilizzate per

produrre H2)

Consumo per

produzione H2

[MJ]

Idrogeno prodotto

[t]

Consumo specifico

[MJ/t H2]

1.898.499.215 500.311,184 3.794,637 20.569 78.051.587 5.374,156 14.523,5



Consumo specifico utilities (energia elettrica e vapore) impianto produzione H2

Energia Elettrica

[kWh]

M

Fattore

conversione

[kcal/kWh]

W

Kcal

(kWh x kcal/kWh)

K = M x W

MJ

(kcal / 238,85)

Y = K / 238,85

Consumo specifico

[MJ/t H2]

F = Y / L

623.450 1.870 1.165.851.500 4.881.103 908,3

vapore [t]

4,5 bar; 205 °C

N

entalpia

[kcal/kg]

S

Kcal

(vapore[t]x10ᶟ)x kcal/kg

O = N x S

MJ

(kcal / 238,85)

U = O / 238,85

Consumo specifico

[MJ/t H2]

G = U / L

9.387,669 682,72 6.409.149.380 26.833.366 4.993,0

Riepilogo Consumo specifico totale utilities

Consumo specifico utilities gassificazione e trattamento syngas 14.523,5 D [MJ/t H2]

Consumo specifico energia elettrica impianto produzione idrogeno 908,3 F [MJ/t H2]

Consumo specifico TOTALE utilities + energia elettrica impianto produzione

idrogeno H = (D + F) 15.431,8 H [MJ/t H2] TEE tipo 1

Consumo specifico vapore impianto produzione idrogeno 4.993,0 G [MJ/t H2] TEE tipo 2

b) Consumo utilities nuovo impianto H2



CALCOLO TEE (su baseline raffineria Bref Steam Reforming)

Utilities richieste

Baseline Bref Steam

Reforming

(MJ/t)

Nuovo impianto produzione H2

(MJ/t)

Risparmi

(MJ/t)

R

Produzione H2

(t)

TEE RISPARMIATI

L T = (R x 238,85 x L)/10.000.000

Energia Elettrica P 3.914,5 15.431,8 H - 11.517,3 R1 = P - H 5.374,156 - 1.478,38 TIPO 1

Fuel Q 57.500 4.993,0 G 52.507,0 R2 = Q - G 5.374,156 6.739,88

TIPO 2

Totale TEE risparmiati 5.261,51

La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 1 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo: La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 2 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo:

T = R1 x 238,85 x L / 10.000.000 [TEE], TEE risparmiati tipo 1 T = R2 x 238,85 x L / 10.000.000 [TEE], TEE risparmiati tipo 2

R1 = P - H [MJ/ton], risparmio specifico energia elettrica R2 = Q - G [MJ/ton], risparmio specifico fuel

238,85 = coefficiente di conversione [kcal/MJ] 238,85 = coefficiente di conversione [kcal/MJ]

L = produzione H2 [ton] L = produzione H2 [ton]

10.000.000 = coefficiente di conversione [kcal/tep] 10.000.000 = coefficiente di conversione [kcal/tep]

P = consumo specifico di baseline energia elettrica [MJ/ton] Q = consumo specifico di baseline fuel [MJ/ton]

H = consumo specifico energia elettrica post intervento [MJ/ton] G = consumo specifico vapore post intervento [MJ/ton]

TEE risparmiati per il periodo

01 Luglio 2012 - 31 Dicembre 2012τ

cat. IND-FF

TEE totali

richiesti

TEE TIPO 1 -1.478

TEE TIPO 2 6.740

TEE TOT 5.262 3,36 17.680



CALCOLO RISPARMIO ENERGETICO - IMPIANTO H2 ISAB ENERGY

CONSUNTIVO 2012 - YTD

anno mesi TEE TEP evitate H2 prodotto [t]

2012 7 17.680 5.262 6.118

2013 6 15.863 4.721 4.900

PIANO 2013 - 2015

anno mesi TEE stimati TEP evitate stimate H2 stimato [t]

2013 12 36.300 10.804 9923

2014 12 40.494 12.052 12216

2015 12 39.173 11.659 12279

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Grazie per l’attenzione

Milano, 11 luglio 2013


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