Applicazione delle tecnologie CCUS nell'industria del cemento: il progetto - CLEANKER Roma - 16 Aprile 2019
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Applicazione delle tecnologie CCUS nell’industria del cemento: il progetto CLEANKER Roma – 16 Aprile 2019 Martina Fantini – LEAP s.c.a r.l.
La mitigazione dei cambiamenti climatici
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 2
L’industria del cemento e l’anidride carbonica
• Il cemento viene prodotto per cottura ad elevata temperatura di una miscela di materie prime
costituite principalmente da calcare (carbonato di calcio) e marne. Il carbonato di calcio reagisce
chimicamente generando ossido di calcio (CaO) e liberando l’anidride carbonica (CO2).
CaCO3 -> CaO+CO2
• La CO2 “di processo” (>60%) generata dalla conversione del calcare viene emessa in atmosfera, insieme
alla CO2 da combustione (carbone, olio pesante, etc.)
• Dalla cottura della miscela di materie prime (decarbonatazione e sinterizzazione) si genera il Clinker
• Dal clinker, per macinazione e miscelazione con altre sostanze (gesso, pozzolana, calcare, loppa), si
produce il cemento.
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 3
L’industria del cemento e l’anidride carbonica
• Il target di riduzione di CO2 per l’industria del cemento è del 90% al 2050;
• L’uso di un combustibile rinnovabile (ad es. biomassa) può contribuire unicamente a ridurre la quota
di emissioni di CO2 legata alla combustione (
Bilancio di massa di una cementeria
1,27 t of raw
materials Raw mix 421 kg calcinazione
672 kg CaCO3 CO2 + CaO
grinding and
79 kg of of CO2 251 kg combustion2
burning C + O2 CO2
petcoke
0,8 t of clinker
50 kg gypum
Cement 1t
grinding of cement
150 kg other
components
Consumo di E.E.: 110-120 kWh/t cem
Consumo di calore: 3.300 MJ/t clinker
LHV petcoke: 33.500 MJ/t
Rapporto clinker su cemento: 0,8
Fonte: CEMENT BREF 2013 PAG. 44
Acqua e O2 non inclusi nel bilancio
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 5
Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Cattura di CO2 «post-combustione» per assorbimento chimico con solventi:
• Minime interferenze con il processo produttivo
• Semplicità di retrofitting di impianti esistenti
• CO2 disponibile ad elevata purezza
• Energeticamente poco efficiente per la richiesta di calore di desorbimento
• Possibili emissioni nocive di solvente
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 6
Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Cattura di CO2 per «ossi-combustione»:
• Processo invasivo nell’impianto produttivo
• Sistema nel complesso energeticamente efficiente, nonostante gli elevati consumi
energetici per produzione di ossigeno
• Difficile controllare le rientrate d’aria nel forno rotante, che diluiscono la CO2
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 7
Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Cattura di CO2 con processo «Calcium-looping»
CO2-rich gas to
CO2-lean flue gas sequestration
CARBONATION CaCO3 CALCINATION
Heat CaO+CO2→CaCO3 CaCO3→CaO+CO2 Heat
~ 650ºC ~ 900ºC
CaO
(FR)
CaCO3 CaO
Flue gas (CO2)
make-up purge
(FCO2)
(F0)
Calcinazione:
CaCO3 + O2 + fuel (CH)à CaO + CO2 + CO2 + H2O (~ 900ºC)
+ CO2 (650°C)
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 8
Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Breve storia dello sviluppo della tecnologia «Calcium-looping»:
• Originariamente proposta in Shimizu et al., 1999. A twin fluid-bed reactor for
removal of CO2. Chem. Eng. Res. Des., 77.
• Sviluppata a partire dal 1998, inizialmente per applicazione in centrali elettriche a
carbone
• Diversi impianti pilota hanno dimostrato la tecnologia fino alla scala di 1.7 MWth.
200 kW pilot at IFK, U. Stuttgart 1 MW pilot at TU Darmstadt 1.7 MW pilot at La Pereda (ES)
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 9
Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Cattura di CO2 con processo «Calcium-looping tail-end»:
• Minime interferenze con il processo produttivo
• Semplicità di retrofitting di impianti esistenti
• Produzione di elettricità in-situ a basse emissioni di CO2 da recupero termico
• Energeticamente poco efficiente per la richiesta di combustibile nel calcinatore
«Calcium looping»
• Alti costi di investimento, legati anche alla centrale elettrica
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 10Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
• Cattura di CO2 con processo «Calcium-looping integrato»:
• Interferenze con il processo produttivo non trascurabili (ma molto inferiori rispetto
all’ossicombustione)
• Produzione di elettricità in-situ a basse emissioni di CO2 da recupero termico
• Energeticamente efficiente
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 11Tecnologie di cattura della CO2 per l’industria del cemento
Per approfondire:
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 12CLEANKER project - overview
Obiettivo: dimostrare su scala industriale l’integrazione del
processo Calcium-looping per la cattura della CO2 nei
cementifici.
Inizio progetto e durata: 1 ottobre 2017 – 48 mesi
Budget totale: € 9.237.851,25
Co-finanziamento UE: € 8.972.201,25
Nome Nazione Descrizione delle attività
1 LEAP Italia Coordinamento progetto e attività modellistica
Realizzazione e esercizio impianto pilota (per una durata
2 Buzzi Unicem Italia
complessiva pari a circa un mese su quattro anni)
3 CSIC Spagna Fornitura know-how su tecnologia Ca-Looping
4 Italcementi Italia Analisi degli impatti della tecnologia e scenari futuri
5 IKN Germania Technology provider per la progettazione dell’impianto
Università di
6 Finlandia Simulazione processo di carbonatazione
Lappeenranta
7 Politecnico di Milano Italia Modellizzazione ed ottimizzazione del processo Ca-Looping
8 Quantis Svizzera Analisi LCA
Studio di scenari CCS (Carbon Capture and Storage) e
9 Università di Tallin Estonia
sperimentazione di mineralizzazione della CO2
Disseminazione in ambito extra-europeo e attività di
10 Università Tsingua Cina
modellizzazione delle reazioni di particelle solide
11 Università Stoccarda Germania Sperimentazione del calcinatore a scala di laboratorio
12 ECRA - VDZ Germania Analisi di processo
Associazione Amici
13 Italia Disseminazione e supporto per gli aspetti ambientali
della Terra
The CLEANKER project 13Obiettivi del progetto Cleanker
• Dimostrare la fattibiltà del processo di cattura della CO2 nella realtà industriale di una
cementeria senza intaccare la qualità del clinker/cemento, attraverso l’installazione di un
impianto pilota (scala sperimentale)
• Sperimentare l’uso della farina di cemento come “agente per catturare la CO2” (CO2-
sorbent: CaO), attraverso la nuova tecnologia “Calcium looping”
• Calcolare le prestazioni tecnico-economiche del processo di cattura nell’ipotesi di realizzare
un impianto industriale a scala reale che tratti la totalità della CO2 emessa
• Valutare possibili scenari di stoccaggio della CO2 e dimostrarne in piccola scala la fattibilità
(mineralizzazione)
• Individuare siti produttivi dove la tecnologia sarebbe potenzialmente applicabile
• Informare/tenere aggiornate le comunità locali sulla sperimentazione
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 14La cementeria Calcium looping
Cementeria convenzionale Cementeria Calcium looping
CaL cement plant
Flue gas (with CO2) to environment Calciner: Carbonator:
CaCO3 (fresh + from carbonator) + heat -> CaO (from calciner) + CO2 (from kiln fuel) ->
CO2
Raw meal CaO + CO2 (to storage) CaCO3 (to calciner) + heat
CaCO3
CO2
Flue gas (poor in
CO2
CO2 to storage or Raw meal CO2) to the
utilization CaCO3 environment
Existing pre-heating tower CO2
CO2
CO2
Raw meal
Carbonator
Calcined preheater
CO2 from: raw meal to
carbonator
calciner fuel (CaO-rich)
CO2
Calciner
fresh raw meal
CO2
CO2
Pre-calciner: kiln fuel
CaCO3 + heat -> CaO Recarbonated sorbent
CO2 (CaCO3 - rich) + fresh
+ CO2 preheated raw meal
III Air
Fuel III Air Fuel to calciner
Clinker cooler Calcined raw meal Rotary kiln:
to rotary kiln (CaO CaO (from calciner) + heat -> clinker + flue gas
Fuel Clinker rich)
O2
Air Clinker cooler
Rotary kiln: CaO + heat -> clinker
Fuel Clinker
Air
Nota: Schema non in scala
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 15L’impianto dimostrativo di Vernasca
Preheater tower
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 16L’impianto dimostrativo di Vernasca
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 17CLEANKER flowsheet - Evoluzione
BASIC FLOWSHEET FOR THE
APPLICATION
FINAL FLOWSHEET OF
THE TEST RIG
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 18L’impianto dimostrativo di Vernasca L’impianto dimostrativo del progetto CLEANKER preleverà una piccola quota di gas dall’impianto esistente (
CLEANKER timeline
17-18 October 2017
Kick-off meeting December 2019
(Piacenza) Erection
July 2018 March 2020
Raw meal Running tests and
characterization data analysis
30th September 2021
1st October 2017
2017 2018 2019 2020 2021
June 2018 January 2020 April 2021
Measuring points Inspection Casting concrete results
and and full economic analysis
instrumentation of cement plant with CaL
July 2018 March 2019
September 2021
Final Plant layout Main items fabrication
Final conclusions
The CLEANKER project 20Attività di comunicazione e disseminazione
Sito web dedicato al progetto:
www.cleanker.eu
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816Considerazioni conclusive
• La tecnologia oxyfuel sembra essere la migliore in termini di efficienza e costi. Questa
considerazione è condivisa da due studi indipendenti, uno di ECRA e l’altro di SINTEF.
• Ciononostante la fattibilità di questa tecnologia deve ancora dimostrare pro e contro in
modo preciso e l’unico modo per farlo è la realizzazione dell’impianto full-scale
• Altre tecnologie sono oggetto di studio, in particolare end-of-pipe: la disponibilità di
energia termica a basso costo può ridurre molto gli OPEX associate alla MEA e renderla
preferibile alle alter tecnologie, tenendo anche conto del fatto che il processo non
subirebbe variazioni
• Al momento l’utilizzo della CO2 non è una soluzione percorribile, almeno finchè tutta
l’energia elettrica non sarà prodotta da rinnovabile.
• Trasporto e stoccaggio di CO2 necessita consenso a livello politico.
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 22Ringraziamenti
Grazie
This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and
innovation programme under Grant Agreement n. 764816
This work is supported by the China Government (National Natural Science Foundation of
China) under contract No.91434124 and No.51376105
www.cleanker.eu
Twitter: @CLEANKER_H2020
Facebook: CLEANKER project
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816La mitigazione dei cambiamenti climatici
Come raggiungere gli obiettivi
dell’accordo di Parigi?
• Non esiste un’unica soluzione!
• L’obiettivo può essere raggiunto
con una combinazione di diversi
interventi:
• Aumento dell’efficienza energetica
• Aumento dell’utilizzo delle energie
rinnovabili
• Cattura e stoccaggio della CO2 (CCS)
• Energia nucleare
• Sostituzione di combustibili (da
carbone a gas)
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 24Gantt
• Inizio costruzione dell’impianto: primavera 2019
• Prime prove sperimentali: fine 2019 - inizio 2020
• Durata delle sperimentazioni: 30 giorni complessivi circa, fino all’estate del 2021
2017 2018 2019 2020 2021
1st EC reporting period (18 months) 2nd EC reporting period (12 months) 3rd EC reporting period (18 months)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
Title
Start End O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S
Project management and
Coordination 1 48 D D D D D
Engineering and
construction of the CaL Engeneering and M M
measuring points
demonstration system at
TRL7 1 24 D 2D D D
Operation and testing of Experimental test M M M M M 2M
the CaL demonstration matrix for short trials Experimental test matrix for long tests Results of tests available
system in an operating, 21 46 D D D D D D 3D
Comparative M M Raw meals for CaL
characterization of raw Experimental test matrix for raw meal characterization application characterized
meals for CaL 1 38 D D D 2D D D
M M M Kinetics of raw meal and
Process modelling and
1D and 3D model frames
integration
1 46 2D D D D 3D D D D
M M
Technology scale-up, Full economic analysis of cement plants with CaL
economic analysis and LCA Regional and national regulations,
7 45 D D D D
Transport, utilization and M 2M M M M
Results from casting concrete containing
storage study 1 48 D 2D D D D
CaLooped CO2 trapped in the pilot facility D
Exploitation 25 48 D 2D
Dissemination, M M M 2M
communication and
knowledge sharing 1 48 D 2D 2D D 2D D 2D D 4D
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 25Perché Vernasca?
• Lo stabilimento di Vernasca, grazie alle tecnologie avanzate che racchiude al suo interno e
al personale specializzato, ha tutte le caratteristiche per garantire uno sviluppo ottimale
del progetto CLEANKER
• A fronte del successo della dimostrazione del CaL (Calcium looping) su scala industriale, lo
stabilimento di Vernasca potrebbe aiutare «ad andare oltre» le richieste della «call» e
spingersi alla sperimentazione del «BIO-CCS» (sperimentazione combinata con uso CSS)
• Il LEAP, coordinatore del progetto, fa parte della Rete ad Alta Tecnologia della Regione
Emilia Romagna che da anni promuove la collaborazione tra le imprese locali e i laboratori
della rete impegnati nel trasferimento tecnologico e nel dialogo tra ricerca e industria;
• Promozione locale e visibilità della nostra realtà territoriale a livello europeo.
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 26Project targets
Objective Key indexes Target
CO2 emissions • CO2 capture efficiency • Cement plant CO2 capture efficiency >90%
• CO2 specific emissions • Negative direct CO2 emissions by biomass co-
firing (Bio-CCS)
• Reduction of total CO2 specific emissions (kgCO2
per ton of cement) >85%*
Energy efficiency • Fuel consumption • increase of total fuel consumption with respect to
• Electricity consumption state of the art plantsRilevanza sociale del progetto: possibili proposte
• Educazione/formazione presso le scuole e/o seminari sui cambiamenti climatici, tecnologie
per la cattura CO2, modellizzazioni, etc. ad opera di esperti tecnici del consorzio;
• Coinvolgimento di esperti di
cambiamenti climatici, di
tecnologie di
cattura/stoccaggio/utilizzo di CO2
non necessariamente parte del
progetto ma interessati al progetto
• Possibilità di coinvolgimento dei
Comuni (o di stakeholder locali
interessati) all'interno del Public
Awareness Board;
• Contatti con altre comunità ove
sono in corso progetti simili
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 28Minima efficienza di conversione richiesta
854 CO out
kg 2CO2
Raw meal
generation of CO2 from
540 kg CO2 calcination: CaCO3 à CaO + CO2
Fuel generation of CO2 from
188 kg CO2 fuel oxidation: C à CO2
1t clinker
Fuel
Fuel
generation of CO2 from
fuel oxidation: C à CO2 126 kg CO2
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 29Minima efficienza di conversione richiesta
Raw meal
CO2 rich flue gas 540 kg CO2
486 kg CO2 (90% - raw meal)
+
188 kg CO2 (100% calciner fuel) CO2 poor flue gas
CPU
CO2 to Carbonator efficiency:
utilization or Fuel
769 – 486 – 188 =
Carbonator
storage 188 kg CO2
Calciner
CaCO3 95 kg CO2
Target: 95 / 180 ~ 53%
854 * 90% = FGR CaO
769 kg CO2
O2 Flue gas from kiln
126 + 54 = 180 kg CO2
CaO
54 kg CO2 Fuel
(10% - raw meal) 126 kg CO2
Rotary kiln Air
1t clinker
CLEANKER – Grant Agreement n° 764816 30Puoi anche leggere
