Techno-economic assessment of Semi-Closed Oxy-Combustion Combined Cycles for CO2 capture

The present study consists of a techno-economic analysis of the thermodynamic cycle named SCOC-CC (Semi-Closed Oxy-Combustion Combined Cycle), used for power generation with CO2 capture. The SCOC-CC is an adaptation of a traditional combined cycle that, using CO2 as a working fluid, allows to get water and carbon dioxide as the only products of oxy-combustion, facilitating the separation of the two compounds and the subsequent storage of the second. A first objective of the work is aimed at achieving a thermodynamic optimization of three configurations of the SCOC-CC based on as many classes of turbomachines (E, F and H), focusing on the effects of varying the compression ratio of the gas turbine operating with an unconventional fluid. The results obtained using the GS simulation program show slight improvements in terms of net efficiency and emissions for each of the assessed classes, with no significant differences compared to a traditional cycle. Unlike E-class and H-class turbomachines, the F-class ones exhibit similar performance for both single and twin-shaft configurations. However, the cost model developed allowed for an economic analysis of the plant, which reveals that the single-shaft version is characterized by lower LCOE (Levelized Cost Of Electricity) and CCA (Cost of CO2 Avoided). Sensitivity analyses have also been conducted on these two economic parameters. The study concludes with the evaluation of the performance of the single-shaft F-class SCOC-CC at partial loads, using both GS and Thermoflex software.

Il presente studio analizza sotto il profilo tecno-economico il ciclo termodinamico denominato SCOC-CC (Semi-Closed Oxy-Combustion Combined Cycle) funzionale alla produzione di potenza elettrica con cattura di CO2. Lo SCOC-CC nasce dall’adattamento di un tradizionale ciclo combinato che, attraverso l’utilizzo di CO2 come fluido di lavoro, permette di ottenere acqua e anidride carbonica come unici prodotti dell’ossicombustione, facilitando la separazione dei due composti e il conseguente stoccaggio del secondo. Un primo obiettivo del lavoro è teso a raggiungere un’ottimizzazione termodinamica di tre configurazioni dello SCOC-CC basate su altrettante classi di turbomacchine (E, F ed H), fondandosi sugli effetti della variazione del rapporto di compressione della turbina a gas che lavora con un fluido non convenzionale. I risultati ottenuti utilizzando il programma di simulazione GS evidenziano limitati miglioramenti in termini di rendimento netto ed emissioni per ciascuna delle classi analizzate, non riscontrando palesi differenze rispetto ad un ciclo tradizionale. A differenza delle turbomacchine di classe E ed H, quelle di classe F forniscono prestazioni simili in configurazione mono e bialbero. Tuttavia il modello di costo sviluppato ha permesso un’analisi dell’impianto da cui risulta che la versione monoalbero, caratterizzata da minori LCOE (Levelized Cost Of Electricity) e CCA (Cost of CO2 Avoided), è economicamente vantaggiosa. Sono inoltre state effettuate analisi di sensitività sui due parametri. Lo studio si conclude con la valutazione delle prestazioni dello SCOC-CC monoalbero di classe F ai carichi parziali, utilizzando sia il software GS sia il software Thermoflex.