Carbon capture and storage in energy from waste plant using Molten Carbonate Fuel Cells

This work discusses the technical and economic feasibility of the installation of a carbon capture and storage system downstream of an energy-from-waste (EfW) plant. With the aim of capturing 90% EfW CO2 emissions, a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)-based capture system coupled with a phase-change Compression and Purification Unit (CPU) is proposed. The studied configuration was defined and optimized by using both the GS software, to simulate the EfW plant with MCFCs, and Aspen Plus, for the CPU. The reference EfW plant is analogous to the Silla 2 plant in Milan, in Combined Heat and Power (CHP) configuration. Both the layout and the working parameters of the capture system were selected to ensure optimal operating conditions for the fuel cells, which features stringent specifications in terms of maximum temperature differences and minimum voltage. The results show that the studied system is interesting from the energy point of view, as it achieves very good performances even satisfying all the operating constraints of the cells. In fact, a considerable net amount of electricity (about 87 MW) and heat (30 MW) are produced, guaranteeing a marginal natural gas conversion efficiency of about 48%. The SPECCA index is also very low (0.895 MJ/kg), due to the high efficiency of MCFCs. Finally, the system achieves negative CO2 emissions (-7.57 kg/s), as 50% of the CO2 coming from the EfW plant is biogenic. In this perspective, the system becomes a BECCS technology (Bioenergy with Carbon Capture and Storage), which are considered as essential for the future strategy on climate change mitigation. The economic analysis, adopting a bottom-up approach, defined the Total Annual Cost of the installation based on the purchase and installation costs of the equipment, as well as on consumptions and yields quantified by means of plant simulations. The investment Cost of the proposed plant is as considerable as expected, given the very high cost of MCFCs and their auxiliary components. However, the possible future reduction of fuel cell prices was also considered, highlighting the effect of such parameters on the results. In fact, being an innovative technology, it is rather natural to expect a cost reduction as the production volume will reach stable commercial levels.

Questo lavoro discute la fattibilità tecnica ed economica dell'installazione di un sistema di cattura e stoccaggio della CO2 in un termovalorizzatore (EfW) di rifiuti. Il sistema prevede l’utilizzo di celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) e di un'unità di compressione e purificazione (CPU) della CO2 catturata basata sul cambiamento di fase (vapore-liquido), al fine di catturare il 90% delle emissioni di CO2 del termovalorizzatore. La configurazione di studio è stata definita e ottimizzata utilizzando sia il software GS, per simulare l'impianto EfW con MCFC, sia Aspen Plus, per la CPU. Il termovalorizzatore di riferimento è analogo al Silla 2 di Milano, in configurazione cogenerativa. Il layout e i parametri di funzionamento del sistema di cattura sono stati scelti per garantire condizioni operative ottimali per le MCFC, che hanno limiti stringenti su differenze di temperatura massime e tensione minima. I risultati mostrano che il sistema è interessante dal punto di vista energetico, in quanto è in grado di ottenere ottime prestazioni pur sottostando a tutti i vincoli operativi posti dalle celle. Infatti, si ottiene elevata produzione di elettricità (circa 87 MW) e calore (30 MW), garantendo un rendimento marginale di sfruttamento del gas naturale di circa il 48%. L'indice SPECCA conseguito è molto basso (0.895 MJ/kg), grazie all'elevata efficienza energetica delle celle. Infine, il sistema raggiunge emissioni negative di CO2 (-7.57 kg/s), poiché il 50% della CO2 di partenza è biogenica. In questa prospettiva, l'impianto fa parte delle tecnologie BECCS (Bio-energy with Carbon Capture and Storage), ritenute elementi imprescindibili per la futura strategia di mitigazione dei cambiamenti climatici. L'analisi economica, basata su un approccio bottom-up, ha definito il costo totale annuo partendo dai costi d’acquisto e installazione dei singoli componenti, nonché da consumi e rese quantificate mediante le simulazioni. Come prevedibile, il costo d’investimento della soluzione proposta è considerevole, dato il costo elevato delle MCFC e dei loro componenti ausiliari. Tuttavia, si è considerata anche la possibile riduzione futura dei prezzi delle celle, evidenziando l’impatto di questo parametro sui risultati. Infatti, trattandosi di tecnologie innovative, è naturale prevedere una futura riduzione di costo quando i volumi di produzione raggiungeranno livelli commerciali stabili.