Steel mill retrofit by molten carbonate fuel cells (MCFC) fed with natural gas for lower CO2 emissions and enhanced energy production

In this study, the use of high temperature Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) is explored as a retrofit post-combustion CO2 capture methodology applied to an existing integrated steel mill. A reference steelworks producing 4 Mton/y of hot rolled coils (HRC) is considered and its main CO2 emissions sources are identified. In order to evaluate the possible integration strategies between the fuel cell and the steel production process, three chief CO2 emissions sources are considered: a) power plant (generating 40%-70% of the total CO2 emissions), b) coke ovens (15%-20%), c) hot stoves (15%-30%). Two new thermodynamic system layouts are modelled using an in-house developed simulation tool: i) a “Single MCFC” layout foresees to employ a state-of-the-art fuel cell module configuration and to adapt it to fit into a new industrial application environment, ii) a “2 MCFCs in Series” envisages a new module configuration including 2 fuel cells arranged in series. The MCFC exhibits a rather unique feature because it simultaneously acts as a CO2 concentrator and an electricity generator. In the proposed application, it is equipped with a gas processing unit able to purify a CO2-rich stream into pure CO2 and hydrogen, available for either reuse or storage. The study finds a thermodynamically interesting operating condition of the proposed systems, able to comply with the operating constraints of the fuel cell stacks while reducing the direct carbon emission of the steel mill by more than 70%. In addition, a considerable amount of electricity (up to 545 MWel) and hydrogen (up to 346 MWLHV) are produced as additional by-product of the retrofit system. Overall, the proposed system is able to reach a first law efficiency of approximately 60%. An economic analysis is carried out to estimate the Cost of Electricity (COE, €/𝑀𝑊ℎ𝑒) of the proposed plant. The resulting value, regardless the sensitivity analysis performed on the fuel cell cost, shows that the competitiveness of the MCFC technology can be favoured only if economic incentives are offered. In this regard, when the Cost of Steel (COS, €/tonHRC) with and without the MCFC retrofit are compared in a hypothetical “Carbon Tax” scenario, the economic profitability of the MCFC employment for CCS becomes clear.

Questo lavoro analizza la possibilità di installare una Cella a Combustibile a Carbonati Fusi (MCFC) a valle di alcune unità di un’acciaieria a ciclo integrale, al fine di realizzare un sistema di cattura di CO2 post-combustione. Si utilizza come riferimento un’acciaieria a ciclo integrale avente una capacità produttiva annuale di 4 Mton di laminati a caldo (hot rolled coil, HRC). Se ne identificano le principali fonti di emissione: a) l’impianto di produzione di potenza (che tipicamente è responsabile del 40%-70% delle emission totali di CO2 di un’acciaieria), b) i forni di cokefazione (15%-20%) e c) i forni di riscaldamento dell’aria (15%-30%). Tramite un codice di simulazione per cicli termodinamici sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano (GS) vengono configurati due possibili layout: i) un layout “a singola MCFC” che mira ad adattare il funzionamento della cella attualmente disponibile in commercio al contesto industriale in questione, ii) un layout con “2 MCFCs in serie” che invece prevede una riconfigurazione del classico modulo di cella. Le MCFC presentano una caratteristica unica in quanto, simultaneamente, concentrano la CO2 e producono energia elettrica. In questo lavoro, a valle dell’MCFC viene aggiunto un sistema di trattamento dei gas che ha il compito di produrre un flusso puro di CO2, destinato allo stoccaggio, ed uno di idrogeno, per usi interni o export. I layout proposti offrono soluzioni in grado di garantire il rispetto dei vincoli costruttivi della cella combustibile e ridurre le emissioni dirette dell’acciaieria fino a più del 70%. Contestualmente vengono prodotte quantità considerevoli di energia elettrica (fino a 545 MWel) e idrogeno (fino a 346 MWLHV), raggiungendo efficienze di primo principio di circa 60%. Una volta ottenuti i risultati energetici viene svolta un’analisi economica finalizzata a stimare il Costo dell’Elettricità (COE, €/𝑀𝑊ℎ𝑒). Il risultato di quest’analisi dimostra che l’impiego di MCFC può essere vantaggioso solo in un contesto in cui sono offerti incentivi economici a favore delle attività sostenibili. A questo proposito, la valutazione economica del layout proposto si completa tramite un confronto del costo dell’acciaio (COS, €/tonHRC) con e senza l’installazione dell’MCFC, ipotizzando uno scenario in cui le emissioni di CO2 sono sottoposte a tassazione. In questo contesto emerge l’incredibile potenzialità economica dell’impiego di Celle a Combustibile a Carbonati Fusi finalizzato alla cattura di CO2.