Off-design e fattibilità tecnico-economica di un impianto per poli-generazione distribuita basato su celle a combustibile con cattura di CO2

This thesis work focuses on the detailed off-design behavior of two power plants based on a hybrid multi-energy plant which integrates a solid oxide fuel cell (SOFC) and a molten carbonate one (MCFC), taken from a reference scientific paper. Due to their flexibility linked to the needs of a modular use, environmental efficiency and low emissions of pollutants, high-temperature fuel cells are among the highest potential technologies for the energy production of the future. The bond between the two cells in the study cases is guaranteed by the flow at the SOFC anode output, which is sent to a dedicated burner with the depleted air flow coming out from the cathode, and then sent to the MCFC cathode input, where CO2 is separated due to fuel cell functioning. The production of electricity, carbon dioxide and hydrogen has been studied modeling in detail a pressure adsorption system (PSA), followed by a carbone capture system (CCS) and a hydrogen compression train. In particular, the off-design performance of the plant is analyzed dimensioning installed components and making a comparison between two configurations, differentiated by the presence of an ejector. Many operating modes are presented for both configurations. A further economic analysis is performed for the evaluation of the investment costs of the two configurations. This leads to the choice of the system without ejector as the best one due to its operating flexibility with a slightly higher expense. Finally, a techno-economic analysis of future scenarios for the mentioned system is carried out, in order to establish if it is possible to make it competitive on the national energetic market.

Nel presente lavoro di tesi, viene studiato nel dettaglio il funzionamento in off-design di due configurazioni di impianto modellate partendo da un sistema ibrido multi-energy, presentato in un articolo scientifico di riferimento, che integra una cella a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) ed una a carbonati fusi (MCFC). A causa della loro flessibilità legata alla possibilità di un utilizzo modulare, dell'apprezzabile efficienza e delle basse emissioni di sostanze inquinanti, le celle a combustibile ad alta temperatura figurano tra le tecnologie a più alto potenziale per la produzione energetica del futuro. Nei casi di studio, il collegamento tra le due celle è garantito dal flusso in uscita all'anodo della cella SOFC, che viene mandato in un apposito bruciatore assieme al flusso di aria impoverita uscente dal catodo, per poi essere inviato all'ingresso del catodo della MCFC, in cui viene separata la CO_2. Alla produzione di potenza elettrica si affiancano, quindi, quella di CO_2 e quella di H_2, studiate mediante la modellazione dettagliata di una sezione di PSA, seguita da una di compressione della CO2 rimossa. In particolare, si analizzano le prestazioni in off-design degli impianti, dimensionando opportunamente i componenti installati ed effettuando un confronto tra due configurazioni proposte, differenziate dalla presenza di un eiettore. Dopo aver presentato ed analizzato diverse modalità operative, si conduce un’analisi economica dettagliata, che prevede la valutazione dei costi di investimento dei due schemi proposti. Ne segue la scelta della configurazione senza eiettore come la più idonea all’installazione grazie alla maggiore flessibilità operativa con un investimento lievemente maggiore. Infine, viene presentata un’analisi tecnico-economica per il sistema su diversi scenari futuri, al fine di stabilire se sia possibile rendere competitivo un simile impianto sul mercato energetico nazionale.