Techno-economic analysis of a low fuel utilization factor solid oxide fuel cell system for hydrogen production and carbon capture in oil refinery applications

Oil refining sector contributes for 4% of the overall anthropogenic CO2 emissions and it is recognized as potential field for the implementation of carbon capture and storage technologies (CCS). This thesis work is focused on the investigation of oil refinery emission sources and the specific development of a novel SOFC-based system for the hydrogen production aimed at satisfying refinery's demand and reducing CO2 emissions. Four plant layouts are designed for this purpose employing different levels of ntegration with the refinery environment and realizing difference operative performances. Specifically, low fuel utilization factor conditions in the fuel cell are exploited studying the related consequence on the plantoperative parameters. Accordingly, sensitivity analysis is performed in order to recognize potential improvements on proposed plant configurations. Finally, economic analysis of the SOFC-based hydrogen production solutions is performed in order to establish the value of the levelized cost of hydrogen, to define its dependence on the carbon tax value and compare its value with difference hydrogen production technologies.

L'industria della raffinazione di petrolio contribuisce per il 4% alle emissioni di CO2 derivate delle attivitá antropogeniche ed é quindi riconosciuta come un settore obiettivo per l'introduzione di tecnologie di cattura e stoccaggio della CO2 (CCS). Questo lavoro di tesi é dunque mirato alla ricerca delle principali sorgenti di emissioni dirette e indirette di CO2 distribuite all'interno del layout di raffineria e allo sviluppo di un sistema innovativo basato su celle a combustibile SOFC per la produzione di idrogeno che ne soddisfi il fabbisogno e allo stesso tempo permetta di catturare la CO2. Le quattro configurazioni di impianto proposte permettono di raggiungere diversi livelli di integrazione con la raffineria di riferimento e di ottenere prestazioni termodinamiche differenti. Di particolare interesse é il funzionamento della SOFC a basso fattore di utilizzo del combustibile, raggiunta attraverso il controllo di diversi parametri operativi. Lo studio delle soluzioni di impianto ideate é poi esteso con un'analisi di sensitivitá finalizzata a ricercare condizioni operative che permettano di implementare prestazioni termodinamiche superiori. Infine, é condotta un'analisi economica delle configurazioni di impianto presentate. Tale analisi é mirata al calcolo del levelized cost of hydrogen (LCOH) dei sistemi SOFC, alla dipendenza di questo indice economico dal valore della carbon tax ed al confronto fra soluzioni proposte e tecnologie tradizionali di produzione di idrogeno.