A novel externally fired sCO2 oxy-combustion power cycle for offshore CCS: process modelling and off-design analysis

This study presents the thermodynamic modelling and off-design analysis of a novel, indirect condensing sCO₂power cycle integrated with high-pressure oxy-fuel combustion, conceived for offshore gas fields producing high-CO₂ natural gas. The cycle achieves 100% carbon capture rate at design conditions, converting otherwise unusable gas streams into electrical power while producing a CO₂-rich exhaust suitable for direct geological storage. A steady-state model developed in Thermoflex33, employing the refProp equation of state, and validated against the performance reported in literature, yielding a net efficiency of 28.3% (including Air Separation Unit parasitic load), in close agreement with the reported 29%. An improved baseline at the Turbine Inlet Temperature of 640°C achieved a cycle efficiency of 41.0%, not including Air Separation Unit consumption, or 32.4% accounting for it. Sensitivity analysis identified the condensing pressure and the Turbine Inlet Temperature as the dominant performance drivers, with efficiency peaking at 640°C. The Air Separation Unit parasitic load was quantified as an 8.6 percentage point efficiency penalty. A third, modified configuration was proposed, introducing pre-compression stages to decouple turbine discharge from condensing pressure, but it offered no thermodynamic advantage over the baseline. Off-design analysis revealed strong sensitivity to ambient seawater temperature, with net efficiency declining steeply for temperatures higher than 24°C. Under variable load conditions, three distinct operating regimes were identified: a sub-nominal regime (0.1–0.4 kg/s) in which net efficiency rises steeply; a TIT -controlled regime (0.5–1.1 kg/s) representing the physically meaningful part-load range, within which efficiency remains approximately constant near 41%; and an over-fuelled limited regime (above 1.2 kg/s) in which the net power collapses rapidly despite increasing fuel input.

Questo studio presenta la modellazione termodinamica e l'analisi off-design di un nuovo ciclo di potenza a sCO₂ a indiretta, integrato con combustione oxy-fuel ad alta pressione, concepito per giacimenti di gas offshore che producono gas naturale ad alto contenuto di CO₂. Il ciclo raggiunge un tasso di cattura di CO₂ del 100% in condizioni di progetto, convertendo flussi di gas altrimenti inutilizzabili in energia elettrica, producendo al contempo uno scarico ricco di CO₂ adatto allo stoccaggio geologico diretto. È stato sviluppato un modello in stato stazionario in Thermoflex33, impiegando refProp come equazione di stato, e validato rispetto alle prestazioni riportate in letteratura, ottenendo un'efficienza netta del 28,3% (incluso il carico parassita dell'Unità di Separazione dell'Aria), in stretto accordo con il 29% riportato. Una baseline migliorata, con Temperatura di Ingresso Turbina di 640°C, ha raggiunto un'efficienza del ciclo del 41,0%, escludendo il consumo dell'Unità di Separazione dell'Aria, o del 32,4% considerandolo. La sensitivity analysis ha identificato la pressione di condensazione e la Temperatura di Ingresso Turbina come i principali fattori determinanti delle prestazioni, con l'efficienza che raggiunge il picco a 640°C. Il carico parassita dell'Unità di Separazione dell'Aria è stato quantificato come una penalità di efficienza di 8,6 punti percentuali. È stata proposta una terza configurazione modificata, che introduce stadi di pre-compressione per disaccoppiare lo scarico della turbina dalla pressione di condensazione, ma questa non ha offerto alcun vantaggio termodinamico rispetto alla baseline. L'analisi off-design ha rivelato una forte sensibilità alla temperatura dell'acqua di mare ambiente utilizzata per il raffreddamento, con l'efficienza netta che diminuisce bruscamente per temperature superiori a 24°C. In condizioni di carico variabile, sono stati identificati tre regimi operativi distinti: un regime sub-nominale (0,1–0,4 kg/s) in cui l'efficienza netta aumenta rapidamente; un regime controllato dalla TIT (0,5–1,1 kg/s), che rappresenta l'intervallo di carico parziale fisicamente significativo, all'interno del quale l'efficienza rimane approssimativamente costante intorno al 41%; e un regime limitato da sovralimentazione di combustibile (oltre 1,2 kg/s), in cui la potenza netta collassa rapidamente nonostante l'aumento dell'apporto di combustibile.