Development, modelling and optimization of reheated gas turbines and combined cycles for post-combustion CO2 capture and storage

A technology that may take part in the transition to a low-carbon emission future is the post-combustion carbon capture and storage (CCS), used in natural gas combined cycles (NGCC). However, the high energy requirements of the capture and compression phases represent a barrier for its spread. This study investigates on the possibility to improve the performances of the absorption process, through the increase of the CO2 concentration in the exhaust gas, using reheated gas turbines. Different advanced natural gas combined cycle configurations, using H-class, reheated gas turbines, are designed and compared, both in the case of equal size and of equal power output, to a reference state-of-the-art NGCC, which uses a simple cycle gas turbine, from which the input parameters are taken. The power block model of the reheated configurations, validated for a real machine present on the market, is designed with the simulation code GS and optimized for different design parameters, in order to maximize the power plant efficiency. Similarly, the capture and compression system of all the configurations analysed is simulated using the software Aspen Plus and a sensitivity analysis is performed, in order to minimize the thermal duty of the reboiler employed in the capture system. Then, the energy expenses, due to the capture and compression processes, are considered to evaluate and compare the performance of the NGCC configurations with CCS. Lastly, an economic analysis, aimed at the calculation of the cost of electricity of the power plants, is carried out. Overall, from the results obtained, it can be observed that, considering both the case of equal power plant size and that of equal power output, increasing the CO2 concentration in the exhaust gas, through the use of reheated gas turbines in natural gas combined cycles may bring improvements, both in terms of performance and costs, for carbon capture and storage applications. In particular, NGCC configurations with two-shaft reheated gas turbines, both without and with intercooler, have proven to be the most promising technologies.

Una tecnologia che potrebbe prendere parte a una transizione verso un futuro a basse emissioni di carbonio è la cattura e stoccaggio di CO2 post-combustione, applicata a cicli combinati a gas naturale. Tuttavia, gli elevati consumi energetici delle fasi di cattura e compressione rappresentano una barriera per la sua diffusione. Questo studio indaga sulla possibilità di migliorare le prestazioni del processo di assorbimento, attraverso l'aumento della concentrazione di CO2 nei gas di scarico, utilizzando turbine a gas con ricombustione. Diverse configurazioni avanzate di cicli combinati a gas naturale, che utilizzano turbine a gas con ricombustione di classe H, sono modellate e confrontate, sia in caso di pari dimensioni che di pari potenza, con un ciclo combinato a gas naturale di riferimento, che utilizza una turbina a gas con ciclo semplice, da cui sono presi i parametri di input. Il modello del ciclo di potenza delle configurazioni con ricombustione, validato per una macchina reale presente sul mercato, è progettato con il codice di simulazione GS e ottimizzato per diversi parametri, in modo da massimizzare l'efficienza dell'impianto. In modo analogo, l'impianto di cattura e compressione di tutte le configurazioni analizzate è simulato usando il software Aspen Plus e un'analisi di sensitività è effettuata per minimizzare la potenza termica richiesta dal reboiler del sistema di cattura. In seguito, le spese energetiche, dovute al processo di cattura e combustione, vengono considerate per valutare e confrontare le prestazioni delle configurazioni dei cicli combinati con cattura di CO2. Infine, viene effettuata un'analisi economica, finalizzata al calcolo del costo dell'elettricità degli impianti. Complessivamente, dai risultati ottenuti si può osservare che, considerando sia il caso a parità di potenza che quello a parità di dimensione, aumentare la concentrazione di CO2 nei gas di scarico, attraverso l'uso di turbine a gas con ricombustione in cicli combinati a gas naturale con cattura di CO2, può portare dei miglioramenti, sia in termini di prestazioni che di costi. In particolare, le configurazioni con turbine a gas bialbero con ricombustione, sia interrefrigerate che non, si sono dimostrate le tecnologie più promettenti.