Process modeling of an innovative system for power generation by solid oxide fuel cell (SOFC) and chemical looping combustion (CLC)

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are electrochemical devices able to convert fuel into electricity, promoting a direct oxy-combustion. The anode exhaust is a CO2-rich stream that can be separated and sent to the final storage. SOFCs act as an air separation device in which O2 migrates from cathode to anode generating electricity. The efficiency of the SOFC decreases by increasing the fuel utilization and some unburnt species are present in the anode off-gas. Chemical Looping Combustion (CLC) could be integrated in a SOFC plant with different configurations. In this work, two novel configurations are proposed using natural gas as primary feedstock. The SOFC operates at atmospheric pressure with an operating temperature of 800°C. Air is heated up to the cathode inlet temperature with a regenerative heat exchanger (up to 450°C) and then further heated in the air reactor without requiring high temperature gas-gas heat exchangers or additional burners leading to some CO2 emissions. At the fuel reactor, the unconverted fuel species (anode off-gas) are completely oxidized to CO2 and H2O. The electric efficiencies of the integrated plant approach 67% (based on NGLHV) with carbon capture rate of 100% where the CLC plant is operated at mild conditions (atmospheric pressure and temperature of 500-700°C). Two different scenarios are studied: in the first case, the SOFC is designed for large scale application in which a heat recovery steam generator is used to increase the power production. In the second case, the system is designed for small applications, possibly integrated in a plant with CO2 utilization, where the integrated SOFC+CLC are combined with an ORC. The main parameters affecting the plant performance are studied. The S/C ratio at pre-reformer inlet, the SOFC voltage (ΔV) and fuel utilization (Uf) are varied to assess the electricity production. Three different OCs (Ni, Fe and Cu based) are compared to see the effect in the thermal balance of the plant and the gas conversion efficiency. The SOFC exchange area, current density and voltage losses are studied varying the different operating conditions.

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono dispositivi elettrochimici capaci di convertire combustibile in energia elettrica, promuovendo un’ossi-combustione diretta. Il flusso in uscita dall’anodo è ricco di CO2 che può essere separata ed inviata a stoccaggio. Le SOFC agiscono come un dispositivo di separazione dell’aria grazie alle quali l’ossigeno migra dal catodo all’anodo generando elettricità. L'efficienza della SOFC diminuisce aumentando il fattore di utilizzo del combustibile ed alcune specie incombuste saranno presenti nel flusso in uscita dall’anodo. Il processo di Chemical Looping Combustion (CLC) potrebbe essere integrato in un impianto SOFC in modi differenti. In questo lavoro, sono proposte due configurazioni innovative che utilizzano gas naturale come materia prima principale. La SOFC opera a pressione atmosferica con una temperatura di esercizio di 800 °C. L'aria è riscaldata fino alla temperatura di ingresso al catodo con uno scambiatore rigenerativo (fino a 450 ° C) e poi riscaldata ulteriormente nell’air reactor della CLC senza richiedere scambiatori aggiuntivi di calore gas-gas ad alta temperatura o bruciatori supplementari con relative emissioni di CO2. Nel fuel reactor della CLC, le specie combustibili non convertite (il flusso in uscita dall’anodo) sono completamente ossidate a CO2 e H2O. Le efficienze elettriche del sistema integrato si attestano intorno al 67% (sulla base del PCI del gas naturale) con un’efficienza di cattura della CO2 del 100% e CLC che lavora in condizioni blande (pressione atmosferica e temperatura di 500-700 ° C). Sono studiate due diverse configurazioni: nel primo caso, la SOFC è progettata per applicazione su larga scala con una caldaia a recupero di calore, utilizzata per aumentare la produzione di energia. Nel secondo caso, il sistema è progettato per piccole applicazioni in un impianto finalizzato alla produzione di CO2, dove SOFC e CLC sono integrate con un ORC. Verranno studiati i principali parametri che influenzano le prestazioni dell'impianto. Il rapporto S/C all'ingresso pre-reformer, la tensione (ΔV) ed il fattore di utilizzo del combustibile (Uf) della SOFC verranno variati con l’obiettivo di valutare la loro influenza sulla produzione di elettricità. Tre diversi OC (a base Ni, Fe e Cu) verranno confrontati per valutarne l'effetto sul bilancio termico dell'impianto e sull'efficienza di conversione del gas. L’area di scambio, la densità di corrente e le perdite di tensione della SOFC verranno studiate variando le diverse condizioni operative.