Fuel-cell based hybrid process for CO2 capture from diluted industrial sources

The state-of-art conventional technology for post-combustion capture of CO2 is based on chemical solvents, which however present high energy consumption for regeneration, especially in case of diluted industrial sources such as the aluminium industry. A promising alternative is the application of molten carbonate fuel cells (MCFC) for CO2 separation from the flue gases, performing an CO2 enrichment up to high molar fractions with a simultaneous energy production. In this way, the application of a low-temperature separation process revealed to be the best solution from both a carbon capture rate (CCR) and specific energy consumption points of view. The main objective of this thesis is to carry out a comprehensive literature review on the MCFC working principles and behaviour, so for developing a 0D steady-state model of the fuel cell which behaviour complies with the manufacturers working conditions and the experimental measurements of previous studies. Subsequently, the GPU model is developed basing on a literature review regarding the low-temperature separation. Each model is then validated against experimental datasets extracted from previous studies. Eventually the two models are combined together for assessing the overarching behaviour of the hybrid system MCFC+GPU. The resulting analysis includes a comparison of several key performance indicators (KPIs) of four different configurations of the system recycles (without recycles, with anode recycle, with GPU off gases recycle and with anode and GPU off gases recycle), for evaluating the performance of the hybrid system both under an energetical and carbon capture capacity aspects. Furthermore, each configuration is simulated for both not respecting and respecting the CO2 impurities specifications of the Northern Lights storage. Lastly a switch to a biogas feed from natural gas is examined, with the possibility of having a bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) system with an overall CCR that potentially could raise over unitary values for the biogenical origin of the CO2 originated from the electrochemical oxidation of the biogas.

Lo stato dell'arte della tecnologia convenzionale per la cattura post-combustione della CO2 si basa su solventi chimici, che tuttavia presentano un elevato consumo energetico per la rigenerazione, soprattutto nel caso di fonti industriali diluite come l'industria dell'alluminio. Un'alternativa promettente è l'applicazione di celle a combustibile con un elettrolita di carbonati fusi (MCFC) per la separazione della CO2 dai gas di scarico, con un conseguente arricchimento delle frazioni molari della CO2 a valori elevati con produzione di energia. Grazie all’uso di MCFC su gas di scarico diluiti, l'applicazione di un processo di separazione a bassa temperatura si rivela come la soluzione migliore sia dal punto di vista del tasso di cattura del carbonio (CCR) che del consumo energetico specifico. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di effettuare una revisione completa della letteratura sui principi di funzionamento e sul comportamento della MCFC, in modo da sviluppare un modello 0D stazionario della cella a combustibile il cui comportamento sia conforme alle condizioni di lavoro dei produttori e ai dati sperimentali di studi precedenti. Successivamente, il modello GPU viene sviluppato sulla base di una revisione della letteratura riguardante la separazione a bassa temperatura. Ciascun modello è stato poi validato rispetto ad una serie di dati sperimentali estratti da studi precedenti. Infine, il comportamento complessivo del sistema ibrido MCFC+GPU è valutato. L'analisi risultante include il confronto di diversi indicatori di prestazione chiave (KPIs) di quattro diverse configurazioni dei ricircolo del sistema, per valutare le prestazioni del sistema ibrido sia dal punto di vista energetico che della capacità di cattura del carbonio. Inoltre, ogni configurazione viene simulata per ottenere una CO2 liquida sia che non rispetti e che rispetti i limiti delle impurità nella CO2 imposti dal Northern Lights storage. Infine, il passaggio a un'alimentazione a biogas da gas naturale è stato investigato, con la possibilità di avere un sistema di bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS) con un CCR complessivo che potenzialmente potrebbe aumentare oltre i valori unitari per l'origine biogenica della CO2 originata dall'ossidazione elettrochimica del biogas.