CCS, nei materiali l’elemento strategico

Le tecniche per il sequestro della CO2 ad oggi individuate per rispondere alle richieste del trattato di Kyoto determinano una sensibile riduzione dell’efficienza dei sistemi di generazione stimato nell’ordine del 5-10%, percentuale non sostenibile ne dal punto di vista economico ne da quello ambientale. Parallelamente allo sviluppo di sistemi più efficienti, gli operatori del settore sono impegnati nella ricerca di soluzioni tecnologiche in grado di mitigare la perdita ricorrendo all’incremento della temperatura di esercizio delle centrali (cicli ultra supercritici), all’utilizzo di combustori ad ossigeno, a sistemi di gassificazione e alla co-combustione con biomasse. Ogni soluzione ipotizzata comporta una maggiore sollecitazione dei materiali impiegati e lo sviluppo di nuovi materiali. La completa qualificazione degli esistenti in condizioni di impiego non convenzionali richiede una stretta collaborazione tra i produttori di materiali e componenti, le società di ingegneria fornitrici di sistemi e gli utilizzatori finali, con lo scopo di coniugare aspetti di metallurgia di prodotto, ingegneria di componente e integrità ed affidabilità strutturale in impianto. In Italia il CSM si propone di sviluppare soluzioni in grado di migliorare le performance dei componenti esposti ad altissima temperatura e ad ambienti fortemente corrosivi. In collaborazione con le principali utility europee (Enel, Dong Energy, Endesa, E.On e RWE,) impiantisti internazionali (Foster Weelers, Hitachi Power, Doosan Babcock, Alstom Power) e produttori di componenti (Tenaris, Cogne Acciai Speciali, Salzgitter, V&M) sono state avviate diverse collaborazioni con lo scopo di individuare i limiti di esercizio dei materiali disponibili (acciai resistenti al creep, austenitici e supeleghe a base nichel) in condizioni ambientali estreme e di individuare soluzioni tecnologiche atte ad aumentarne la vita utile. A riguardo è importante mettere in evidenza due progetti europei Encio (www.encio.eu) e Macplus (www.macplus.eu). Il primo progetto, coordinato dal VGB (European technical association for power and heat generation) è la naturale continuazione del precedente COMTES700, ed ha l’obiettivo di qualificare i componenti a base nichel tramite esposizione in impianto di prova dedicato installato presso l’impianto Enel di Fusina. Il progetto Macplus, coordinato dal CSM stesso e avente un costo complessivo di 18,5 M€, ha come obiettivo l’ottimizzazione dei materiali utilizzati al fine di incrementare le temperature di esercizio degli impianti ultra supercritici (A-USC) e di quelli di oxyfuel. In particolare le principali attività svolte sono: -sviluppo di refrattari speciali per la camera di combustione in impianti oxyfuel, -delle pratiche di saldatura per collettori e condotte di grosse dimensioni per impianti A-USC, -ottimizzazione della resistenza a creep e corrosione a caldo dei super heaters per A-USC -protezione superficiale di componenti del boiler e dello scambiatore di calore per impianti A-USC e oxyfuel anche in presenza di -co-combustione di biomasse (resistenza ad ossidazione e corrosione a caldo), -miglioramento dei componenti della turbine a vapore (rotore alta pressione e cassa turbina) per impianti A-USC. Diverse problematiche rimangono aperte e richiedono ulteriori sviluppi. Il CSM ha individuato le seguenti criticità per le quali si sta proponendo per ulteriori attività: – sviluppo di modelli microstrutturali di life prediction e life extension per componenti critici, – sistemi di monitoring on line per le verifiche strutturali, – sviluppo di acciai strutturali avanzati resistenti a condizioni di esposizione a caldo in ambienti fortemente corrosivi. Nell’ambito del processo di separazione della CO2 dal flusso gassoso un aspetto importante è rappresentato dallo studio della capacità di assorbimento da parte di sistemi di ossidi (quali gli ossidi di calcio, magnesio, alluminio e ferro). In questo settore sono in corso molte iniziative mirate all’ottimizzazione sia di sorbenti (es. MOF, ossidi minerali) che di membrane selettive all’ossigeno (per impianti oxyfuel). Oltre all’ottimizzazione della resa di separazione, le più recenti attività mirano ad ottimizzare il processo in termini di: -analisi meccanismi di avvelenamento/saturazione; -messa a punto di tecnologie di rigenerazione dei sorbenti esausti; -utilizzo di sottoprodotti provenienti da altri cicli produttivi; -messa a punto di tecnologie di fabbricazione (anche con rivestimenti sottili); -valutazione della possibilità di applicazione di sistemi di CO2 capture nel settore siderurgico. Per quanto riguarda la fase di stoccaggio della CO2 in giacimenti naturali sotterranei (es. giacimenti gas/petrolio esauriti, bacini saliferi) o studio dei materiali, assumo un ruolo importante nell’ambito del trasporto a lunga distanza di grossi quantitativi di CO2 tramite pipelines ad alta pressione. Le criticità affrontate sono essenzialmente di due tipi: l’integrità strutturale e il corretto dimensionamento. Per quanto attiene l’integrità strutturale i due principali fenomeni di rottura che si possono avere su di una pipelines per il trasporto della CO2 sono: -eventuale propagazione di una frattura longitudinale, a seguito di -evento accidentale, in maniera instabile che può coinvolgere lunghi tratti di linea (maggiore di 30 metri), e ciò derivante dalla intrinseca lentezza della CO2 a decomprimersi; -fenomeni di corrosione e tensocorrosione indotti dalla presenza nel flusso trasportato di acqua ed altre impurezze quali ad esempio H2S. La seconda criticità è più propriamente legata al corretto dimensionamento delle condotte e alla definizione del suo percorso, infatti è fondamentale ridurre al massimo i costi di trasporto e mantenere standard di sicurezza adeguati. E’ importante sottolineare come la CO2 seppur non tossica è più pesante degli altri gas presenti in atmosfera e in elevate concentrazioni può causare asfissia, situazione che richiede la definizione di opportuni standard e regolamentazioni tecniche, soprattutto nel caso di passaggio in zone abitate. Le principali esperienze internazionali per il trasporto della CO2 interessano principalmente l’attraversamento di zone scarsamente abitate o marine. Sul tema del trasporto della CO2, il CSM ha attivato delle collaborazioni industriali con ENI e coordina un progetto europeo, denominato SARCO2, che ha come obiettivo l’individuazione dei requisiti per linee di trasporto in zone abitate in termini di specifiche del materiale di base e del “crack arrestor” per il controllo della frattura, in caso di eventi accidentali anche tramite test effettuati su sezioni di linea in scala reale. Il progetto inoltre ha l’obiettivo di raccogliere dati relativi al problema della corrosione e tenso-corrosione. Egidio Zanin, Project Leader energy & transport presso Centro Sviluppo Materiali