Integration of residual heat from Ca(OH)2 calcium looping carbonator island into low capacity factor power plant

The fight against climate change is one of the largest issues we face today. During the years the average global temperature is rising and calamitous weather events are happening more frequently. Part of this phenomena can be attributed to the increase of the greenhouse gases caused by human activity. The goals of the COP26 agreements are to limit temperature increases to 1.5°C and to bring net global emissions of CO2 to zero by 2050. To achieve this targets, it’s necessary to switch to renewable energy sources for power production, however the transition cannot be immediate because their intermittent nature may cause problems to the grid operation. The role of fossil fuel power plants will continue to be significant in the coming years, gradually shifting from baseload to load-following and then to backup operations. In order to respect the new operating procedures and the increasingly strict environmental regulations they must be adapted. BackCaP project develops an innovative Calcium Looping process to capture CO2 from amortized coal-based power plants, retrofitted for back-up power provision in highly renewable electricity network. In this work, a literature review of the calcium looping process has been carried out, highlighting the step forward introduced with BackCaP process. Subsequently, starting from an already existing GS output file, an USC coal power plant has been replicated in Thermoflex. It’s implementation is described taking into account every relevant step, explaining the assumptions and the inputs that have been introduce in the program. Finally ,the possibility to integrate the residual heat from the calcium looping carbonator island into the same power plant has been developed, in order to partially close different steam bleedings from the turbine and therefore increase the power output of the system adding further flexibility. An increase of the generator power output equal to 31.92 MW is registered (an increase of 4.03% with respect to the design power plant) for the average condition of air obtained through the cooling of the carbonated solids in the cyclone cooler and for this case study the off-design performance of the power plant is analysed . Finally, with a simplified economic analysis an installation cost equal to 88.69 mln$ has been estimated regarding the heat integration components introduced in the power plant.

La lotta ai cambiamenti climatici è una delle questioni più importanti che dobbiamo affrontare oggi. Nel corso degli anni la temperatura media globale sta aumentando e gli eventi meteorologici catastrofici si verificano con maggiore frequenza. Parte di questi fenomeni può essere attribuita all'aumento dei gas serra causato dall'attività umana. Gli obiettivi degli accordi della COP26 sono di limitare l'aumento della temperatura a 1,5°C e di portare a zero le emissioni nette globali di CO2 entro il 2050. Per raggiungere questi obiettivi, è necessario passare alle fonti energetiche rinnovabili per la produzione di energia, ma la transizione non può essere immediata perché la loro natura intermittente può causare problemi al funzionamento della rete. Il ruolo delle centrali elettriche a combustibili fossili continuerà a essere significativo nei prossimi anni, passando gradualmente dal carico di base alle operazioni di load-following e poi a quelle di backup. Per rispettare le nuove procedure operative e le normative ambientali sempre più severe, le centrali devono essere adattate. Il progetto BackCaP sviluppa un processo innovativo di Calcium Looping per la cattura di CO2 da centrali elettriche a carbone ammortizzate, riadattate per la fornitura di energia di riserva in reti elettriche altamente rinnovabili. In questo lavoro, è stata effettuata una revisione della letteratura sul processo di calcium looping, evidenziando il passo avanti introdotto con il processo BackCaP. Successivamente, partendo da un file di output GS già esistente, è stata replicata in Thermoflex una centrale a carbone USC. L'implementazione viene descritta tenendo conto di ogni fase rilevante, spiegando le ipotesi e gli input che sono stati introdotti nel programma. Infine, è stata sviluppata la possibilità di integrare il calore residuo dell'isola del carbonatore del calcium looping nella stessa centrale, al fine di chiudere parzialmente i diversi spillamenti di vapore dalla turbina e quindi aumentare la potenza del sistema aggiungendo ulteriore flessibilità. Si registra un aumento della potenza del generatore pari a 31,92 MW (un incremento del 4,03% rispetto alla centrale di progetto) per la condizioni operative dell'aria medie, ottenute attraverso il raffreddamento dei solidi carbonati nel ciclone raffreddatore e per questo caso di studio si sono analizzate le prestazioni fuori progetto della centrale. Infine, con un'analisi economica semplificata è stato stimato un costo di installazione pari a 88,8 milioni di dollari per i componenti introdotti nella centrale per l’integrazione termica.