Design, modelling and techno-economic optimization of two novel oxy-combustion cycles
La riduzione delle emissioni di gas serra ha acquisito negli ultimi anni un ruolo prioritario per la comunità scientifica internazionale, aumentando di conseguenza la pressione sul settore energetico affinché contribuisca a questo scopo comune. Come confermato da diversi studi, il ruolo della cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica avrà un ruolo cruciale in questo sforzo congiunto; tra le possibili applicazioni di questa tecnologia la più promettente in termini di riduzione delle emissioni ed efficienza complessiva è l’ossicombustione.
Lo scopo di questa tesi è la valutazione tecno-economica di due cicli innovativi a ossicombustione: da un lato il ciclo Allam, che ha suscitato un crescente interesse negli ultimi anni grazie alle sue basse emissioni, alta efficienza e costo relativamente basso dell’elettricità; mentre dall’altro il Solid oxide semi-closed CO2 cycle (SOS-CO2), brevettato qualche anno fa dai ricercatori del Politecnico di Milano. L’efficienza attesa di questo ciclo è estremamente elevata, grazie all’integrazione di una cella a combustibile ad ossido solido (SOFC) con un ciclo Brayton rigenerativo a CO2 supercritica.
In questo lavoro sono stati accuratamente modellati i due cicli, studiando nel dettaglio l’influenza dei principali parametri operativi con l’obiettivo di ottimizzarne e valori ed identificare eventuali criticità operative. I risultati di questa analisi, combinati con considerazioni sulla fattibilità tecnica degli impianti in questione e con i risultati preliminari di una campagna di sperimentazione attualmente in corso su SOFC operate alle condizioni del ciclo SOS-CO2, sono stati usati per stabilire un design preliminare dei cicli, focalizzandosi con particolare attenzione sul ciclo SOS-CO2, vista la sua estrema novità e totale mancanza di letteratura scientifica a riguardo. A questo scopo sono stati sviluppati due modelli ad-hoc per la valutazione di due dei componenti principali di entrambi i cicli: il rigeneratore e la turbina. Grazie a questi modelli è stato possibile dimensionare in maniera preliminare i componenti, ottenendo importanti informazioni sulla performance del ciclo sia dal punto di vista termodinamico che economico.
I risultati ottenuti mostrano come, per impianto di taglia 400 MW, il ciclo Allam raggiunge una efficienza elettrica netta del 53.17% con assunzioni conservative. D’altro canto, il ciclo SOS-CO2 può raggiungere efficienze intorno al 74.00% nelle stesse condizioni del ciclo Allam. Date però le difficoltà tecniche associate all’operazione pressurizzata delle SOFC, una versione subcritica più conservativa (che potrebbe ragionevolmente essere realizzata nel breve periodo) del ciclo SOS-CO2 è stata valutata, ottenendo una efficienza stimata del 68.85%. Entrambi i cicli hanno inoltre mostrato buona scalabilità, in particolare il ciclo SOS-CO2 mantiene una efficienza del 67.22% per un impianto di taglia 50 MW.
L’analisi economica ha evidenziato come il ciclo Allam benefici di un costo specifico di investimento nettamente inferiore sia rispetto ad un ciclo combinato con cattura post-combustione (utilizzato come benchmark nello studio) che al ciclo SOS-CO2 in versione subcritica (rispettivamente 2572 vs 3089 vs 3761 €/kW). D’altro canto, il ciclo SOS-CO2 beneficia di una efficienza nettamente superiore, che lo rende competitivo con il ciclo Allam in termini di costo dell’elettricità prodotta. Nel caso base considerato, i cicli SOS-CO2 e Allam (taglia 400 MW) hanno valori di costo dell’elettricità paragonabili, a causa della combinazione tra la differenza di costo specifico ed efficienza (128.7 vs 128.8 €/MWh, vs 141.1 €/MWh del ciclo combinato con cattura post-combustione). Inoltre, il ciclo SOS-CO2 aumenta il proprio vantaggio competitive al crescere del costo del gas naturale e al diminuire della taglia dell’impianto, grazie all’efficienza maggiore in grado di superare lo svantaggio derivante dal maggior costo di investimento.
Infine, entrambi i cicli presentano livelli di emissioni nettamente più bassi del ciclo combinato di riferimento (nel range 3.5 - 8.6 g/kWh vs 38.6 g/kWh per il ciclo combinato), raggiungibili grazie allo schema ad alta efficienza adottato per l’unità di purificazione e compressione della CO2.
In a global scenario where the reduction of greenhouse gas emissions is becoming a priority for the international community, the pressure on the energy sector to contribute to this common objective is increasing by the day. According to several studies, a crucial role to achieve a significant reduction in carbon dioxide emissions for power generation purposes is expected to be played by carbon capture and storage; among its possible applications, the one that has been proven to achieve the most promising preliminary results in terms of both emissions abatement and overall performance is oxy-combustion.
In this thesis, an accurate techno-economic analysis of two novel oxy-combustion cycles has been performed: on one side the Allam cycle, which has been gaining significant attentions in the past few years, thanks to its high efficiency, near-zero emissions and relatively low cost of the produced electricity; on the other side the Solid oxide semi-closed CO2 cycle (SOS-CO2), patented a few years ago by researchers of Politecnico di Milano. This cycle is expected to achieve unprecedented levels of net electric efficiency in the energy sector, due to the integration of a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) with a CO2-based bottoming regenerative Brayton cycle.
The two cycles have been accurately modelled, and the influence of all the main operating variables has been studied in detail, with the double objective of finding the optimal values of such variables and identifying technical criticalities. Then, the results of the analysis, together with considerations on the technical feasibility of the main cycles components and indication from an ongoing experimental testing campaign on the SOFCs, have been used to identify a preliminary design of the cycles, with particular focus on the SOS-CO2 cycle, given the absolute lack of literature information on such a novel cycle. For this purpose, two detailed models were developed ad-hoc for the evaluation of two of the main components of the cycles: the regenerator and the expander. Thanks to these models it was possible to perform a detailed preliminary sizing and design of the components, providing very useful information to assess and improve the quality of the overall cycle performance, both in terms of net electric efficiency and economic performance.
The results of the analysis showed that, for a plat size of 400 MW, the Allam cycle could achieve a net electric efficiency of 53.17% under conservative assumptions. On the other hand, the SOS-CO2 cycle could achieve an efficiency of 74.0% with similar operating conditions to the Allam cycle. Given the technical difficulties associated with the SOFC pressurized operation, a subcritical and more conservative version of the cycle (i.e., that could be reasonably realized in the next few years) was also studied, which was found to still be able to reach an efficiency of 68.85%. Moreover, both cycles have shown good scalability, maintaining high operating efficiency even for smaller sizes, in particular the SOS-CO2 cycle, with a 67.22% efficiency at 50 MW of plant size.
The economic analysis has shown how the Allam cycle benefits from a lower specific capital cost with respect to both a benchmark NGCC with post combustion capture and the subcritical SOS-CO2 cycle (2572 vs 3089 vs 3761 €/kW, respectively), while for the SOS-CO2 cycle the much higher high net electric efficiency compensates for the higher costs making it competitive with the Allam cycle. In the considered base case assumptions, the 400 MW SOS-CO2 and the Allam cycles have similar values of the produced electricity cost due to the combination of the differences in investment cost and efficiency (128.7 vs 128.8 €/MWh, vs 141.1 €/MWh for a benchmark NGCC with post combustion). However, the SOS-CO2 cycle increases its competitive advantage in scenarios of increased cost of the natural gas and size reduction, thanks to its higher efficiency, which more than compensates for the SOFC’s significant capital cost.
Finally, both the studied cycles were shown to feature significantly lower CO2 emissions than the benchmark post-combustion capture NGCC (in the range 3.5 - 8.6 g/kWh vs 38.6 g/kWh for the NGCC), that can be achieved thanks to the high efficiency distillation-based scheme of the CPU.