Techno-economic analysis of molten carbonate fuel cell plants for carbon capture in steam methane reformers

In future hydrogen will play a more important role and its production will be made partly through renewable sources, partly through conventional thermochemical technologies with the use of CCS. The purpose is to study a retrofit system in order to perform CO2 capture from SMR flue gas that is one of the main causes of emissions in oil industry; in addition, the production of blue hydrogen and power is enhanced. A capture system that use MCFC for carbon dioxide separation and a cryogenic section for the capture is proposed. Three different plant layout are under examination: the first assume to feed the cell with natural gas, while the second has offgas of FTR as fuel in anode side and the last, feeding it with natural gas, has fuel recirculation at anode side. All the plants are modelled using the software Aspen Plus®. Main performance indexes are calculated for the three configuration and a techno-economic sensitivity analysis on cell operating condition is performed to assess the best on-design configuration. At the end, only for the case that guarantee more flexibility a technoeconomic off-design evaluation of retrofit section is made to simulate its flexible operation in the production of variable quantities of H2 for market purpose. The MCFC technology is more convenient compared to MEA capture, allowing a considerable increase both in the electric and hydrogen production. Concerning CO2 capture, only a slightly increase of natural gas input takes place. From the technical point of view every plant considered have advantages and disadvantages. The best one depends on the main project purpose and on external parameters such as market conditions. Today, given the cost of the MCFC and the value of the carbon tax, this retrofit is not convenient for any of the proposed configurations. In the future it could be a valid alternative if an energy policy promotes low carbon technologies.

In futuro l'idrogeno avrà un ruolo più importante e la sua produzione sarà realizzata in parte attraverso fonti rinnovabili, in parte attraverso tecnologie convenzionali con l'uso della CCS. Lo scopo è quello di studiare un sistema di retrofit per effettuare la cattura di CO2 dai gas esausti del SMR; inoltre, viene potenziata la produzione di H2 blu e di energia elettrica. Viene proposto un sistema di cattura che utilizza MCFC per la separazione della CO2 e una sezione criogenica per la cattura. Sono in esame tre diversi layout di impianto: il primo alimenta la cella con gas naturale, mentre il secondo usa gli offgas del SMR come combustibile e l'ultimo, alimentato con gas naturale, permette un ricircolo di combustibile al lato anodo. Tutti gli impianti sono stati modellizzati per mezzo del software Aspen Plus®. I principali indici di prestazione sono calcolati per le tre configurazioni e viene eseguita un'analisi di sensibilità tecnico-economica sul funzionamento della cella, al fine di valutare la migliore configurazione on-design. Solo per il caso che garantisce una maggiore flessibilità, viene effettuata una valutazione tecnico-economica fuori progetto per studiare come il sistema di retrofit possa essere usato al fine di produrre H2 per la vendita. La MCFC è più conveniente rispetto alla cattura MEA poiché consente un notevole aumento sia della produzione di energia elettrica che di idrogeno. Per quanto riguarda la cattura di CO2, si verifica un leggero aumento di richiesta di gas naturale. Dal punto di vista tecnico ogni impianto considerato presenta vantaggi e svantaggi. Il migliore dipende dallo scopo principale per il quale è progettato e da parametri esterni come le condizioni di mercato. Oggi, dato il costo della MCFC e il valore della carbon tax, questo retrofit non è conveniente per nessuna delle configurazioni proposte. In futuro potrebbe essere redditizio con una politica energetica che promuove tecnologie a basse emissioni di carbonio.