Analisi termodinamica dell'utilizzo di celle a combustibile ad ossidi solidi in impianti di generazione elettrica con cattura della CO2

A solution proposed by the scientific community to reduce the atmospheric concentration of greenhouse gases, one of the main cause of the recent climate change, is represented by Carbon Capture and Storage systems (CCS). Within the technology for energy conversion combined with a CO2 sequestration section, it is known that the use a CCS system in a fuel cell plant do not cause an excessive performance degradation. In this context, the present work proposes to seek an optimal configuration for two innovative types of CCS hybrid plant which generate electric power by exploiting a stack of solid oxide fuel cells (SOFC). In the first examined plant the fuel cells system is combined with a gas turbine and a pre-combustion CO2 plant; while in the latter an heat recovery steam generator and a CCS oxy-combustion system are exploited. The stationary behaviour of each plant scheme has been simulated using mainly the GS software, developed by Politecnico di Milano, looking for an optimal plant configuration in terms of energy efficiency and rate of CO2 capture. After an introduction on the main CCS system and on the SOFC technology and perspective, the analyzed scheme plant are described and the simulations result are exposed.

Una delle soluzioni proposte dalla comunità scientifica per ridurre le concentrazioni atmosferiche di gas serra, principali responsabili dei recenti cambiamenti climatici, è costituita dai sistemi di cattura e sequestro dell’anidride carbonica (CCS). Nell’ambito della tecnologia per la conversione di energia con sistemi di sequestro della CO2, si è riscontrato che impiegare un sistema CCS negli impianti con celle a combustibile non ne provoca un eccessivo deterioramento delle prestazioni. In questo contesto il presente lavoro di tesi si propone di ricercare una configurazione ottimale per due innovative tipologie di impianti ibridi CCS, in grado di generare potenza elettrica sfruttando uno stack di celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC). Nel primo impianto esaminato il sistema di celle a combustibile è abbinato ad una turbina a gas e ad un impianto di cattura precombustione; mentre nel secondo viene sfruttato un generatore di vapore a recupero e un sistema CCS ad ossi-combustione. Il comportamento stazionario di ciascuno schema d’impianto è stato simulato utilizzando principalmente il software GS, sviluppato dal Politecnico di Milano, ricercando una configurazione impiantistica ottima dal punto di vista dell’efficienza energetica e della percentuale di sequestro della CO2. Dopo un introduzione sui principali sistemi di sequestro dell’anidride carbonica e su tecnologia e prospettive delle celle a combustibile ad ossidi solidi, vengono descritti gli schemi d’impianto analizzati e sono esposti i risultati delle simulazioni.