Integration of a calcium looping carbon capture technology with a waste-to-energy power plant

The aim of this thesis is addressing a possible solution to boost the sustainable generation of heat and electricity, by promoting, on one hand, the development of a BECCS technology that leads to net negative emissions, and, on the other, a waste management solution that avoids landfilling. The solution treated in this work regards the integration of a waste to energy power plant with a CO2 carbon capture technology, which is, more specifically, a calcium looping system. The modeling phase will be conducted using the GS software and MATLAB. After an analysis of the main sections of a WTE power plant (Chapter two) and the consequences of the CO2 anthropogenic emissions to the atmosphere (Introduction), two different solutions are analysed. In both solutions, a calcium looping technology is implemented, whose functioning is well described in Chapter three. What I will refer with the name of “Case A” considers a full integration of a post-combustion calcium looping solution, whose heat generated in the exothermic reaction of the process is recovered to generate steam toward the main steam turbine. This solution leads to a significant reduction of the CO2 emissions to the atmosphere with a contained cost for the avoided CO2. For what concerns “Case B”, it refers to an optimized solution that sees the integration of a calcium looping post-combustion technology equipped with its own steam turbine. The steam turbine, due to the presence of cleaner flue gases, is able to work at higher temperature and pressure compared to the main turbine. This condition leads to an optimization, in terms of efficiency, compared to the previous case and an increase in the net power output. However, considering a situation in which neither the carbon tax nor the gate fee is applied, case B is not only more complex in terms of plant configuration, but it is also more expensive. A final simplified analysis gives a better understanding of the costs related to both solutions.

Questa tesi indaga una soluzione alternativa per la produzione di elettricità e/o calore: da un lato, si ha come obiettivo la promozione di una tecnologia BECCS, mentre, dall’altro, si propone una soluzione alternativa allo smantellamento in discarica dei rifiuti. Nel presente lavoro si propone l’analisi dell’integrazione di un termovalorizzatore con il calcium looping utilizzato come sistema di cattura della CO2. La presente analisi sarà svolta utilizzando il software di simulazione GS e MATLAB. Dopo una descrizione introduttiva (Introduction) delle conseguenze principali delle emissioni di CO2 in atmosfera, si procede con una descrizione del funzionamento delle varie sezioni di un termovalorizzatore (Chapter two), per poi analizzare nello specifico la tecnologia del calcium looping (Chapter three). Il lavoro termina con la presentazione di due casi studio. In primo luogo, il caso A considera l’integrazione del termovalorizzatore di riferimento con il sistema di cattura della CO2. La presenza di una reazione esotermica è sfruttata con un recupero del calore e produzione di vapore. Il vapore prodotto è inviato in turbina e contribuisce alla produzione di energia elettrica. Questa soluzione è semplice e i costi sono contenuti. Per quanto riguarda, invece, il caso B, la proposta fa riferimento ad un’integrazione volta all’ottimizzazione del processo di cattura: il sistema di calcium looping è equipaggiato con una turbina ausiliare che funziona a temperatura e pressione più alta. Questo è consentito dalla presenza di fumi di combustione più puliti. La soluzione proposta ha come risultato un impianto più performante, ad efficienza e potenza generata maggiore. Nonostante le migliori performance dell’impianto, questa soluzione presenta una maggiore complessità nel design e costi più elevati. Lo studio si conclude con una breve analisi economica che permette una più completa comparazione tra i due casi studi.