Technical analysis and advantages of hybrid systems for combined cycles with post-combustion CO2 capture and storage

This thesis analyzes and simulates a hybrid solution for a natural gas large-scale combined cycle (NGCC), integrating an intermediate temperature Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) within the framework of Carbon Capture and Storage (CCS). The focus is placed on evaluating the improvements in terms of performances and of Specific Primary Energy Consumption for CO₂ Avoided (SPECCA), that can be achieved through the integration of the fuel cell. The power block of each configuration is modeled and optimized using GS, a software developed at Politecnico di Milano, with the implementation of a model in Aspen Plus for the CO₂ capture section. The analysis shows that, compared to the reference H-class gas turbine combined cycle, the introduction of post-combustion CO₂ capture based on MEA-absorption process, and with a Carbon Capture Ratio (CCR) fixed to 90%, leads to a significant decrease in plant efficiency (reducing it from 63,31% to 57,48%). To enhance the total power output and the efficiency of the cycle, the benefits of integrating the SOFC are investigated. In particular, it enables a higher CO₂ concentration in the exhaust gas, raises the overall efficiency to 59,67% and reduces the SPECCA from 2,07 MJth/kgCO₂ to 1,24 MJth/kgCO₂. Furthermore, two sensitivity analysis are performed, examining the effects of varying the natural gas mass flow rate supplied to the fuel cell and the steam-to-carbon ratio at the inlet of the pre-reformer. In the best case registered, the overall plant efficiency reaches a value of 62,21%, with an important decrease of the SPECCA index to 0,35 MJth/kgCO₂.

Questa tesi analizza e simula una soluzione ibrida per un ciclo combinato a gas naturale (NGCC) di grande scala che integra una cella a combustibile ad ossido solido (SOFC) a temperatura intermedia, nel contesto della cattura e stoccaggio del carbonio (CCS). L’obiettivo principale è valutare i miglioramenti ottenibili in termini di prestazioni e di consumo specifico di energia primaria per la CO₂ evitata (SPECCA), derivanti dall’integrazione della cella a combustibile. Il blocco di potenza di ciascuna configurazione viene simulato ed ottimizzato utilizzando GS, un software sviluppato presso il Politecnico di Milano, mentre la sezione di cattura della CO₂ viene simulata mediante un modello implementato in Aspen Plus. L’analisi mostra che, rispetto al ciclo combinato di riferimento con turbina a gas classe-H, l’introduzione della cattura post-combustione della CO₂ basata sull’assorbimento tramite MEA e, con un Rapporto di Cattura del Carbonio (CCR) fissato al 90%, comporta una significativa diminuzione dell’efficienza dell’impianto (riducendola dal 63,31% al 57,48%). Per incrementare la potenza totale prodotta e l’efficienza del ciclo, vengono analizzati i benefici derivanti dall’integrazione della SOFC. In particolare, quest’ultima consente di ottenere una concentrazione di CO₂ più elevata nel gas esausto, di aumentare l’efficienza complessiva al 59,67% e ridurre lo SPECCA da 2,07 MJth/kgCO₂ a 1,24 MJth/kgCO₂. Inoltre, vengono condotte due analisi di sensitività, esaminando gli effetti della variazione della portata massica di gas naturale alimentata alla cella a combustibile e del rapporto fra il vapore ed il carbonio (S/C) all’ingresso del pre-reformer. Nel migliore dei casi registrati, l’efficienza complessiva dell’impianto raggiunge un valore pari al 62,21%, con una significativa riduzione dell’indice SPECCA fino a 0,35 MJth/kgCO₂.