Accumulo elettrochimico e produzione di gas naturale sintetico basato su celle a carbonati fusi reversibili

One of the biggest issues associated to Carbon Capture and Utilisation (CCU) applications involves the exploitation of the captured CO2 as a valuable consumable. An interesting application is the conversion of CO2 into renewable fuels via electrochemical reduction at high temperature. Still unexplored in the literature is the possibility of employing a Molten Carbonate Electrolysis Cell (MCEC) to directly converting CO2 and H2O into H2, CO and eventually CH4, if a methanation process is envisaged. The introduction of this concept into a reversible system – similarly to the process proposed with reversible solid-oxide cells - allows the creation of a cycle which oxidises natural gas to produce CO2 and then employs the same CO2 and excess renewable energy to produce renewable natural gas. The result is a system able to perform electrochemical storage of excess renewable energy (from wind or solar) and if/when required sell renewable natural gas to the grid. In this work, a simulation of a reversible Molten Carbonate Cell (rMCC) is proposed. The reference MCFC technology considered is that from FuelCell Energy (USA) whose smaller stack is rated at 375 kW (DC). A simplified 0D stack model is developed and calibrated against experimental data. The Balance of Plant (BoP) is in common between the two operation modes MCFC and MCEC. In the former case, natural gas is electrochemically oxidised in the fuel compartment which receives carbonate ions (CO32-) from the air compartment, fed with air enriched with CO2 produced during electrolysis mode. The CO2 in the anode off gas stream is then purified and stored. In electrolysis mode, the stored CO2 is mixed with process H2O and sent to the fuel compartment of the MCEC; here, electrolysis and internal methanation occur. An external chemical reactor finalises the production of methane for either natural gas grid injection or storage and reuse in fuel cell mode. A thermodynamic analysis of the system is performed under nominal conditions and in off-design, the annual preliminary performance is evaluated assuming 7000 h / y of operation and the possible coupling with a non-programmable renewable source (sinusoidal load or more realistically production forecast error of a wind farm). The main parameters taken into consideration are the Round Trip Efficiency (RTE), the Balance of Plant (BoP) and the global emission of greenhouse gases.

Una delle caratteristiche associate alle applicazioni CCU (Carbon Capture and Utilization) è la possibilità di sfruttare la CO2 catturata come un prodotto di valore e riutilizzabile. Un’applicazione interessante è quella della conversione della CO2 in carburanti rinnovabili grazie alla riduzione elettrolitica ad alta temperatura. Ancora inesplorata in letteratura è la possibilità di utilizzare una cella elettrolitica a carbonati fusi (MCEC) per convertire direttamente la CO2 e H2O in H2, CO ed eventualmente in CH4 qualora sia previsto un processo di metanazione. L’introduzione di questo concetto in un sistema reversibile – analogamente al processo proposto per con celle a ossidi solidi reversibili – consente la creazione di un ciclo in cui il gas naturale viene ossidato per produrre CO2 che viene riutilizzata comunemente con energia rinnovabile in eccesso per produrre del gas naturale rinnovabile. Il risultato è un sistema in grado di effettuare lo stoccaggio elettrochimico di energia rinnovabile eccedente (eolica o solare) e se/quando richiesto vendere gas naturale rinnovabile alla rete. In questo lavoro viene proposta una simulazione di una cella a carbonati fusi reversibile (rMCC). La tecnologia MCFC di riferimento è quella di FuelCell Energy (USA), di cui è stato considerato lo stack a minore potenza, pari a 375 kW (DC) nominali. Viene sviluppato un modello semplificato 0-D e calibrato rispetto ai dati sperimentali. Il Balance of Plant (BoP) è in comune tra le due modalità operative MCFC e MCEC. Nel primo caso, il gas naturale viene ossidato elettrochimicamente nell’elettrodo fuel che riceve ioni di carbonato (CO3=) dall’elettrodo aria, alimentato con aria arricchita di CO2 prodotta durante la modalità elettrolitica. La CO2 presente nel flusso di gas in uscita dall’anodo viene successivamente purificata e stoccata. Nella modalità elettrolitica, la CO2 precedentemente immagazzinata viene miscelata con H2O e inviata all’elettrodo fuel della MCEC dove si verificano reazioni di elettrolisi e metanazione interna. Un reattore chimico esterno finalizza la produzione di metano per l’immissione nella rete di gas naturale o per lo stoccaggio e il riutilizzo in modalità fuel cell. Si esegue un’analisi termodinamica del sistema in condizioni nominali e in off design, si valutano le prestazioni preliminari su base annuale assumendo 7000 h/y di funzionamento e successivamente si analizza il possibile accoppiamento con una fonte rinnovabile non programmabile (di carico sinusoidale o più realisticamente utilizzando l’errore di previsione di un campo eolico). I principali parametri presi in considerazione sono la Round Trip Efficiency (RTE), il Balance of Plant (BoP) e l’emissione globale di gas serra.