Studio preliminare per l'utilizzo del fosfoenolpiruvato come solvente per i sistemi CCS

The attention of the scientific community and modern society towards the CO2 emissions, commonly associated to the anthropic influence, has increased in the few last years. This is due to a growth of the energy demand, mainly satisfied by fossil fuels. Since in the short term it is not possible to satisfy the world energy demand and to reduce CO2 emissions without fossil fuels, carbon capture and storage systems (CCS) have assumed a greater importance in this context. It is used to divide these systems into three categories: Pre-combustion, oxy-fuel combustion and post-combustion systems. In the latter, chemical solvents such as ammine are used in an Abosrber/stripper system. Decreasing the energy of the regeneration of the solvent is one of the most important fields of interest of scientific researchers. With regards to this, many different solvents are studied to guarantee a better optimization of the capture system and consequently of the power plant. In this work, a preliminary and very innovative study for the use of the Phosphoenolpyruvate as a solvent for Post-combustion carbon capture system is developed. Therefore, the biochemical cycle of CO2 capture of C4 and CAM plant has been analyzed and similarities with the conventional Post-combustion capture systems have been found. The following software and models used have been described: Coco Simulator, AspenPlus-ENRTL, AspenPlus-UNIFAC. Afterwards, the development of the work and the different approaches to the study have been traced in a timeline manner: Not being present in the Aspen database, thermodynamic properties of the molecules of interest such as Phosphoenolpyruvate and Oxaloacetate, have been researched from literature. Since the Software did not recognize the substances added manually, some tests has been done to find the cause. A comparison between components already present in Aspen and new components added has been done: First of all, with a simple and well known CO2 molecule, then afterwards with molecules with similarities with the molecules of interest and finally with a new model, the cause has been found. Once the reason has been found, a new approach to the study will be taken and it has been necessary to find in the literature the parameters needed for the new model. After that, Phosphoenolpyruvic Acid and Oxaloacetic Acid has been tested and the results have been positive and the following curves have been drawn. Finally, the enthalpy of reaction has been calculated. The result (-9.9 kJ/mol) compared to the conventional systems one (-70/-80 kJ/mol) is very interesting as it achieve one of the objectives of current scientific research regarding the energy of regeneration in post-combustion CO2 capture systems.

L’attenzione da parte della comunità scientifica e del legislatore riguardo le emissioni di CO2, comunemente accettato come conseguenza dell’influenza antropica, è aumentata considerevolmente negli ultimi anni. Ciò è dovuto ad un aumento della richiesta energetica, prevalentemente soddisfatta dai combustibili fossili. Dato che, nel breve termine, non è possibile sodisfare la richiesta energetica mondiale senza i combustibili fossili, i sistemi di cattura e stoccaggio della CO2 (CCS) hanno assunto un importanza decisiva in questo contesto. Solitamente si distinguono tre principali tipologie di cattura della CO2, sostanzialmente classificate in cattura pre-combustione, ossicombustione e post-combustione. In quest’ultima, le sostanze prevalentemente utilizzate come solventi chimici nei sistemi di assorbimento/strippaggio sono le ammine. La rigenerazione di esse, e soprattutto la diminuzione dell’energia richiesta per questa operazione, è fonte di forte interesse nel campo della ricerca scientifica attuale. Per questo, molti e vari solventi sono studiati per garantire una migliore ottimizzazione per i sistemi di cattura e di conseguenza degli impianti di produzione di potenza. Questo lavoro si inserisce in questa tipologia di ricerca. Infatti è stato fatto uno studio preliminare e totalmente innovativo atto ad utilizzare una sostanza biochimica presente nel regno vegetale, quale il Fosfoenolpiruvato, come solvente in un sistema di cattura post-combustione. È stato quindi analizzato inizialmente il ciclo biochimico di cattura della CO2 delle piante C4 e CAM e sono state trovate le similitudini di processo e di reazioni chimiche con i processi di cattura post-combustione convenzionali. Sono stati descritti i seguenti software e modelli utilizzati - Coco Simulator, AspenPlus-ENRTL, AspenPlus-UNIFAC - ed è stato descritto in ordine temporale il lavoro successivo. Non essendo presenti, nel database di Aspen, le molecole d’interesse quali Fosfoenolpiruvato e Ossalacetato, è stato necessario, tramite la letteratura, ricercare ed inserire i parametri termodinamici relativi ad esse. Dato che i software non ha riconosciuto le sostanze aggiunte manualmente tramite MoleculeEditor, sono stati attuati alcuni test in modo tale da trovare la causa di ciò. È stato quindi fatto un confronto tra sostanze già presenti in Aspen e quelle aggiunte ex-novo: innanzitutto con una semplice e più che studiata molecola di CO2, successivamente con molecole aventi similarità con le sostanze d’interesse, ed infine con un nuovo modello termodinamico, grazie al quale è stata trovata la causa. Una volta trovata il motivo, si è intrapreso un nuovo approccio per lo studio ed è stato necessario ricercare in letteratura ulteriori parametri necessari per il nuovo modello. Dopodiché, l’Acido Fosfoenolpiruvico e l’Acido Ossalacetico sono stati testati. Infine è stata calcolata l’entalpia della reazione d’interesse ed il risultato di -9.9 kJ/mol, rispetto ai circa -70/-80 kJ/mol dei sistemi convenzionali, è molto interessante in quanto raggiunge uno degli obbiettivi della ricerca scientifica attuale per quanto riguarda l’energia di rigenerazione nei processi di cattura della CO2 post-combustione.