The integration of molten carbonate fuel cells with coal fired steam power plants for CO2 capture

Considering that the mitigation of greenhouse emission is one of the biggest challenges of the modern age, this work aims to reduce the carbon dioxide emission from a pre-existing power plant by means the integration of high temperature fuel cells. In fact, high temperature fuel cells of the molten carbonate type can produce electricity while also acting as carbon dioxide concentrator. The addition of Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) in a standard coal-fired power plant might represent an economic way for capturing CO2 from a large scale power plant. The analysis proposes to reduce the typical high costs of conventional techniques for capturing carbon dioxide, exploiting the properties of MCFCs. Moreover, the heat excess coming out from the cell can be recovered in the steam cycle increasing the plant efficiency. The work aims to evaluate the potential benefits obtained by integrating a relatively small size fuel cell (with respect to the power plant size) in order to find a technology for capturing CO2 which could be applied in the short or medium term. The study assumes that a portion of flue gases is extracted from the steam generator, cleaned up from detrimental elements for the MCFC and then sent to the cathode inlet. Before feeding the cathode the flue gas is diluted with air in order to respect oxidant requirements of the fuel cell. On the other side, preheated natural gas is used as fuel for the anode. Due to MCFC operating conditions, the out coming gas from the anode side is mainly composed by carbon dioxide, water, hydrogen and carbon monoxide in smaller percentage. After the combustion with oxygen of residual fuels (namely H2 and CO) for preheating the cell system, the flow is cooled down in order to separate the carbon dioxide content from water by condensation. The heat contained in the flow exiting from cathode side is recovered in the steam cycle by means of a heat exchanger which preheat a portion of steam flow in order to increase plant efficiency and electric power output. The work has been developed during a stage period at TU Delft considered one of the most prestigious universities in the world in the field of Sustainable Energy Technology. The thesis has been carried out thanks to the guidance of Dr. Kas Hemmes that defined the guidelines and the main topics of the project, supporting us during the entire development of the work, in cooperation with the Group of Energy COnversion Systems (GECOS) at Politecnico di Milano.

Considerando che la riduzione delle emissioni dei gas serra è un delle più grandi sfide dell’epoca moderna, questo lavoro è volto a ridurre lo scarico di anidride carbonica nell’atmosfera da parte di centrali elettriche attraverso l’utilizzo di celle a combustibile ad alta temperatura. Infatti, le celle ad alta temperatura, in particolare del tipo a carbonati fusi oltre a produrre elettricità, possono essere utilizzate per concentrare e successivamente catturare la CO2. Aggiungendo una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) all’interno di una centrale a carbone si prova a conciliare un metodo economico per catturare l’anidride carbonica con una fonte di produzione di energia di grossa scala. Lo scopo dell’analisi è quello di ridurre i costi elevati che caratterizzano le tecniche di cattura della CO2 convenzionali sfruttando le caratteristiche della cella a combustibile. Inoltre, il calore presente allo scarico della cella può essere recuperato nel ciclo a vapore aumentandone l’efficienza. Il lavoro di tesi punta a valutare i benefici legati all’integrazione di una cella a combustibile relativamente piccola rispetto alle dimensioni della centrale a carbone, in modo da trovare una tecnologia per catturare la CO2 fattibile sul breve-medio periodo. Nello studio viene assunto che una porzione di gas di scarico sia estratta dal generatore di vapore, pulito dalle sostanze dannose per il funzionamento della cella e mandato all’ingresso del catodo, dopo una diluizione con aria, per assicurarsi la proporzione ossidante/combustibile corretta. Dal lato opposto, l’anodo viene alimentato a gas naturale precedentemente riscaldato fino alla temperatura richiesta. Grazie alle condizioni di funzionamento della cella, allo scarico anodo il gas sarà composto principalmente da CO2 e in percentuali minori da idrogeno e monossido di carbonio. Dopo la combustione in ossigeno dei residui di questi ultimi, il flusso viene raffreddato per condensare l’acqua e rimuovere il contenuto di CO2. Il calore contenuto nel flusso uscente dal lato catodo è inviato al ciclo a vapore che, per mezzo di uno scambiatore, riscalda una porzione di vapore in maniera da permettere un incremento di efficienza e di potenza della centrale originaria. Il lavoro è stato svolto durante un periodo di stage presso TU Delft, considerata una delle università più importanti a livello mondiale nel campo di tecnologie energetiche sostenibili. La tesi è stata sviluppata sotto la guida del Dr. Kas Hemmes che ha definito le linee guida e gli argomenti del progetto, contribuendo attivamente all’esecuzione per l’intero svolgimento del progetto, in collaborazione con il Group of Energy Convesion Systems (Gecos) del Politecnico di Milano.