Thermodynamic analysis of chemical looping combustion gas cycles for energy storage

This thesis work presents a theoretical and numerical study on the coupling of a chemical looping combustion (CLC) reactor with an energy system, able to produce electric energy in an efficient way and without greenhouse gases emissions; the reactor development has been performed by the National Coal Institute - CSIC. A detailed description and modellization of the equipment both in design and off-design conditions is provided, in order to simulate, through a Matlab® suite, the performances of the system. Different plant configurations comprising of an additional combustion process, to increase the inlet/outlet reactor temperature, and steam injection, to control the reactor thermal power and discharge rate, have been investigated. The main feature of the system is a continuously decreasing thermal power input: the design process is carried out with the goal of maximizing the average discharge efficiency. In this phase the routine, given different design conditions, computes the dimensional parameters necessary in the design procedure; the simulation tool for the off-design conditions evaluates the power output and average efficiency of the sized cycle, as well as the energy yield of each discharge cycle. Even if the thermal power input does have a decreasing trend in time, a control strategy to impose an electric power output profile,within certain limits, is discussed and implemented. In order to increase the overall efficiency a cooled expansion numerical model has been included in the simulation code: for all the configurations it is possible to compute the increase of electric power output and efficiency due to the higher turbine inlet temperature. The recuperative configuration provides the highest average discharge efficiencies: considering an unfired solution, the electric energy produced in 4 [h] is Eel = 108.17 [MWh], with an average efficiency of 30.42 [%]. A fired solution provides 305.25 [MWh] of electric energy with an average efficiency of 35.67 [%]. The drawback of the second solution is the need of additional thermal power input with respect to the only CLC reactor. These values, compared to other Power to Power technologies, are still too low, but the earned value of this system is to avoid direct hydrogen storage in gas or liquid phase, hence to create an electrochemical energy storage completely disengageably from the electric grid.

Il presente elaborato propone uno studio teorico e numerico riguardante l’unione di un reattore chemical looping combustion (CLC) con un sistema energetico in grado di produrre energia elettrica in maniera efficiente e senza emissione di gas inquinanti; lo studio del reattore è stato eseguito dall’Istituto Nazionale del Carbone spagnolo, facente parte del CSIC. È stata eseguita una dettagliata descrizione e modellizzazione dei componenti, sia in condizioni di design che di fuori progetto, in modo tale da poter simulare le prestazioni del sistema attraverso una routine Matlab®. Diverse configurazioni d’impianto sono state valutate, alcune comprendono l’utilizzo di un combustore, in modo da innalzare la temperatura in ingresso o in uscita al reattore; altre prevedono l’iniezione di vapore all’ingresso del reattore, in modo tale da controllarne l’output termico ed il rateo di scarica. La particolarità del sistema considerato consiste in una progressiva diminuzione della potenza termica in ingresso con il progredire della scarica: il progetto dell’impianto è dunque stato eseguito in modo da massimizzare il rendimento medio di scarica. Nella fase di progetto, fornite all’applicativo diverse condizioni di design, vengono calcolati i parametri dimensionali caratterizzanti il sistema; per ciascun ciclo di off-design lo strumento di simulazione valuta la potenza elettrica, il rendimento medio e l’energia elettrica prodotta, relativi all’impianto per cui si è effettuato il dimensionamento. Sebbene l’input energetico decresca nel tempo, un’opportuna logica di controllo è stata studiata ed implementata in modo tale da poter imporre, entro un certo range, un profilo di potenza elettrica. Con lo scopo di elevare il rendimento del sistema, un modello numerico per la simulazione di turbine raffreddate è stato incluso: per ciascuna configurazione è possibile stimare l’aumento di potenza e di rendimento. Dall’analisi risulta che le configurazioni recuperative forniscano rendimenti medi di scarica più elevati: considerando dapprima una soluzione senza combustione, l’energia elettrica prodotta su un ciclo di scarica quattro ore risulta pari a Eel = 108.17 [MWh] con un rendimento medio del 30.42 [%]. Una soluzione con turbina raffreddata produce 305.25 [MWh] di energia elettrica, con un rendimento medio pari a 35.67 [%]. Lo svantaggio di una soluzione del secondo tipo è la necessità di dover fornire un combustibile aggiuntivo, cooperante con il reattore. I risultati raggiunti, confrontati con altre tecnologie Power to Power, risultano più scadenti: il valore aggiunto di questo sistema è di poter accumulare energia, sotto forma elettrochimica, evitando lo stoccaggio diretto di idrogeno in forma gassosa o liquida.