Modeling of an integrated coal gasification with solid oxide fuel cells

Clean coal technologies are suspected to play an important role in the future of the world electricity generation. Among all, one of the most promising application consists in integrating coal gasification with solid oxide fuel cells. This thesis discusses the use of the second generation IT-SOFCs, which work around 780°C, in coal-based gasification systems. Several cycle layouts are investigated, all based on the Shell gasification technology, producing synthetic gas. Electricity generation from syngas is obtained in four different plant configurations, based on the integration of SOFCs with a gas turbine or a combined cycle. Differences among the assessed cycles regard the cell operating pressure, the bottoming cycle, the use of methanation and the inclusion of carbon capture. Moreover, a sensitivity analysis is performed, analyzing plant performances at different SOFC operating conditions. Plant efficiencies up to 56% are achieved, showing considerable gains compared to the state-of-the-art IGCCs. The best performances are achieved when the SOFCs work in hybrid configuration with a gas turbine and methanation of syngas is performed. Conversely, the least efficiency (40%) is showed by atmospheric SOFCs coupled with a steam turbine. Despite the efficiency reduction of almost 9 percentage points due to CO2 sequestration, configurations with carbon capture show better performances compared to their reference technologies. Pressurizati on turns out to be beneficial both for the SOFC and the bottoming cycle. Fuel utilization slightly affects the overall plant efficiencywhile playing a key role in the plant economy. Lower SOFCs operating temperatures, goal of the current research on SOFCs, are demonstrated to be detrimental to plant performances.

Le tecnologie pulite del carbone potrebbero giocare un ruolo importante nel futuro della generazione elettrica mondiale. Fra tutte, una delle applicazioni più promettenti consiste nell’integrazione della gassificazione del carbone con pile a combustibile ad ossido solido (SOFC). Questo lavoro di tesi discute l’uso di pile a combustibile di seconda generazione, funzionanti a 780°C, in impianti di gassificazione del carbone. Sono analizzati diversi schemi d’impianto, tutti basati sulla tecnologia di gassificazione Shell, dalla quale si ottengono gas di sintesi. La generazione di eletticità da syngas è ottenuta in quattro differenti configurazioni, basate sull’integrazione delle SOFCs con una turbina a gas o un ciclo combinato. Le differenze tra i cicli considerati riguardano la pressione di esercizio il ciclo bottoming, l’utilizzo della metanazione e la cattura della CO2. Inoltre, è svolta una analisi di sensibilità, nella quale si studiano le prestazioni dell’impianto al variare delle condizioni di esercizio delle pile a combustibile. L’efficienza di conversione raggiunge valori fino al 56%, dimostrando un aumento considerevole rispetto allo stato dell’arte rappresentato dagli impanti IGCC. Le migliori prestazioni sono ottenute quando le SOFCs funzionano in configurazione ibrida con la turbina a gas e il syngas è sottoposto a metazione prima dell’utilizzo. Al contrario, l’effecienza più bassa (40%) è ottenuta dalle pile che lavorano a pressione ambiente e in combinazione con un ciclo a vapore. Nonostante una penalizzazione dell’efficienza di quasi 9 punti percentuali dovuta al sequestro della CO2, la configurazione con cattura del carbonio dimostra prestazioni migliori rispetto alla sua tecnologia di riferimento. La pressurizzazione si dimostra essere vantagiosa sia per la SOFC che per il ciclo bottoming. Il fattore di utilizzo del combutibile influisce leggermente sull’efficienza globlale pur giocando un ruolo chiave nell’economia dell’impianto. Temperature di esercizio delle SOFCs più basse, obiettivo corrente della ricerca, si dimostrano essere svantagiose per le prestazioni della centrale.