Modelling and control of a calcium-looping-based power plant with storage

Undoubtedly, global warming is a real phenomenon and currently there are measured taken to prevent the increase in the global average temperature. One of the possible mid-term measures to decrease the amount of carbon dioxide released into atmosphere due to energy generation is the calcium looping process. This technique is used to capture CO2 from standard coal-fired power plants. The FlexiCal European project aims to design flexible Ca-looping power units with storage to simultaneously address the need of reducing CO2 emissions of coal-fired power plants while increasing the flexibility of the power generation to cope with the wider power demand fluctuations of future power grids. The main objectives of this thesis are to model a Ca-looping-based power plant with storage and assess its controllability and flexibility. The dynamic model was based on the static model developed at the Energy Department of Politecnico di Milano, was developed using the Modelica language and it was tuned and validated in order to match its steady state performance. In term of control, a configuration of the system with two turbines was studied. By means of dynamic analysis for both the calciner and the carbonator plants the best pairings among the possible variables were found. A decentralized and centralized control systems were developed for the calciner plant. The latter one demonstrated better performance, but in order to use the former more investigations should be carried out, by adding desuperheaters. For the carbonator plant only decentralized control system was designed. Realistic test cases conducted on the nonlinear model showed that the carbonator plant can controlled, but only with very slow response times and limited operating range, meaning that the studied plant configuration it is by no means flexible and needs to be substantially improved from this point of view.

Non v’è ormai alcun dubbio che il riscaldamento globale sia un fenomeno reale, per cui si sta cominciando a prendere misure concrete per limitare l’incremento della temperature media globale. Uno delle possibili misure nel medio termine per ridurre la quantità di CO2 rilasciata in atmosfera è il processo di calcium-looping. Questo processo può essere impiegato per sequestrare la CO2 emessa da impianti di generazione a carbone di tipo convenzionale. Il progetto europeo FlexiCaL ha come obiettivo il progetto di impianti di potenza che utilizzino il calcium-looping, con il duplice obiettivo di ridurre le emissione di CO2 di impianti di generazione a carbone e al contempo di aumentare la flessibilità della generazione di potenza per far fronte alle crescenti fluttuazioni della domanda nelle future reti di generazione e trasmissione. Gli obiettivi principali di questa tesi sono la modellazione di un sistema di potenza calcium-looping con accumulo e la valutazione della sua controllabilità e flessibilità operativa. Il modello dinamico, basato su un modello statico sviluppato al Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, è statp sviluppato utilizzando il linguaggio Modelica ed è stato tarato e validato per riprodurre le sue prestazioni statiche. In termini di controllo, è stata studiata una configurazione d’impianto con due turbine separate. Tramite l’analisi dinamica dell’impianto di calcinazione e dell’impianto di carbonazione, sono stati trovati i migliori accoppiamenti ingresso-uscita per il loro controllo. Per quanto riguarda l’impianto di calcinazione, sono stati sviluppati sia un sistema decentralizzato che uno centralizzato; il secondo ha dimostrato di garantire migliori prestazioni, per quanto riguarda il primo è necessaria una ulteriore indagine con l’aggiunta di attemperatori. Per quanto riguarda l’impianto di carbonazione, è stato studiato solo il controllo decentralizzato. Test di simulazione in scenari realistici utilizzando il modello nonlineare del processo hanno dimostrato che l’impianto di carbonazione può essere controllato, ma solamente con tempi di risposta molto lunghi e con un intervallo operativo limitato; in altri termini, la configurazione d’impianto studiata si è dimostrata inadatta a provvedere un esercizio flessibile dell’impianto e richiede miglioramenti sostanziali sotto questo punto di vista.