Τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ελεύθερης από εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα με χρήση κυψελών καυσίμου

Abstract

The current thesis consists on six (6) chapters. In Chapter 1, the global energy system was investigated in terms of world primary energy demand evolution and fossil fuels sustained domination. In order to further sustain fossil fuels as the primary energy sources, CO2 capture and storage technologies (CCS) should be introduced as quick as possible, so as to restrict their impact on green house gas effect and climate change. The main means that will enhance the implementation of CCS technologies were also presented. Such measures include the operation of a CO2 Emissions Trading Scheme, and a set of EU initiatives as: the establishment of the Zero Emissions Technology Platform ZEP, the funding of large scale CCS pilot units, the new CO2 reduction commitments for 2020 and the preparation for these achievements by launching a new regulatory framework with the new climate-energy legislative package. The long term target for a ‘hydrogen and fuel cells economy’ was also presented through the materialized and projected targets of the EU Hydrogen and Fuel cells technology platform. In Chapter 1 the thesis concluded that both CCS and Fuel Cells technologies are important for the sustenance of fossil fuels with restricted CO2 emissions and also for a feasible technological roadmap towards a hydrogen economy. The main characteristics of the CCS and Fuel Cells technologies were presented in Chapter 2. The chapter mainly focuses on the promising Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) technology and its specific operational characteristics that enable their involvement in CO2 capture applications. Chapter 3 reviews the available options for proper high temperature cleaning of a syngas produced by coal gasification in order to be utilised in Solid Oxide Fuel Cells. The combination of coal with SOFCs requires an extensive cleaning of the pollutants generated in the gasification phase. Gas cleaning should be implemented in high temperature in order to avoid sensible heat losses that reduce system’s efficiency. The most suited materials for hot gas cleaning were derived through the literature review and through chemical equilibrium calculations, and a general hot gas cleaning scheme was proposed. In Chapter 4, an integrated coal based and carbon free power cycle was designed and optimized. The proposed cycle includes: a) coal hydrogasification in high pressure, b) reforming of the produced methane with simultaneous CO2 capture in two reactors that operate in different pressure levels, c) extensive gas cleaning, d) efficient power generation in Solid Oxides Fuel Cells and e) appropriate handling of the captured CO2 in order to be delivered liquefied at high pressure (100bar). All system components as well as the overall cycle were simulated in detail in AspenPlusTM. The main technical difficulties were identified through the cycle’s investigation and respective solutions were proposed. For the realization of the required recycling of the hydrogen rich stream from the carbonation/reforming reactor to the hydrogasification reactor, the use of a steam ejector was proposed. In the ejector, high pressure steam induces the gas stream and raises its pressure in suitable levels for a feasible recycling. The required steam pressure was calculated through the detailed steam ejector simulation. The use of high temperature sodium heat pipes was proposed for the high temperature heat transfer from an SOFC fluidised bed post combustor to the calcination fluidised bed. The sodium properties and the heat transfer rate were calculated for the specific fluidised reactors conditions, through detailed modelling of the sodium heat pipes. The effect of solid materials (CaO/CaCO3) on carbonation/reforming and hydrogasification reactors, as well as the overall cycle was also examined. Critical conclusions on the required CaO quantities and the extend of refreshing the solid materials were derived by optimizing the specific reactor and the overall cycle. An extensive gas cleaning scheme was proposed following up the conclusions of chapter 3. Detailed results for the overall cycle optimized performance were also presented, mainly focused on the cycle’s thermal efficiency and the CO2 capture efficiency. In Chapter 5, a tri-generation (electricity, hydrogen and heat) natural gas based and carbon free cycle was designed and evaluated with exergetic criteria. Such a cycle is ideal for decentralized applications. The cycle mainly consists of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs), Solid Oxide Electrolyser Cells (SOECs), CO2 and H2 handling equipment and lots of peripherals (heat exchangers, compressors etc).

Η διατριβή αποτελείται από έξι Κεφάλαια (1-6). Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιήθηκε μια μελέτη σχετικά την εξέλιξη των ενεργειακών συστημάτων και τη μελλοντική διατήρηση του ρόλου των ορυκτών καυσίμων. Αναγνωρίστηκε ο ρόλος και η σημαντικότητα της άμεσης εφαρμογής των τεχνολογιών δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα σε σχέση με την διατήρηση των ορυκτών καυσίμων στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο και την εξέλιξη του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής. Παρουσιάστηκαν τα μέσα προς το σκοπό αυτό (όπως το Σύστημα Εμπορίας Εκπομπών Αερίων του Θερμοκηπίου) καθώς και οι πρωτοβουλίες της Ε.Ε. που θα επιταχύνουν τις διαδικασίες (Τεχνολογική πλατφόρμα για παραγωγή ενέργειας από ορυκτά καύσιμα με μηδενικές εκπομπές, πιλοτικές μονάδες CCS μεγάλης κλίμακας, νέοι στόχοι μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και νέο νομοθετικό πακέτο για την ενέργεια και το κλίμα). Παρουσιάστηκαν επίσης οι δραστηριότητες της Ε.Ε. ως προς την υλοποίηση του μακροπρόθεσμου στόχου που είναι η ‘Οικονομία υδρογόνου και κυψελών καυσίμου’. Σύμφωνα με τα συμπεράσματα του πρώτου Κεφαλαίου, σχετικά με τη σημαντικότητα των τεχνολογιών δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα (CCS) και των τεχνολογιών κυψελών καυσίμου, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάστηκαν οι βασικές τεχνολογίες δέσμευσης του CO2 και οι βασικές τεχνολογίες κυψελών καυσίμου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στις κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου. Επισημάνθηκαν επίσης οι δυνατότητες που έχουν οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου για να συνδυαστούν με τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Στο Κεφάλαιο 3 πραγματοποιήθηκε μια ανασκόπηση των δυνατοτήτων καθαρισμού του αερίου που παράγεται από αεριοποίηση γαιάνθρακα σε υψηλές θερμοκρασίες προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου. Ο συνδυασμός γαιάνθρακα και κυψελών καυσίμου στερεού οξειδίου μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με αεριοποίηση του γαιάνθρακα, η οποία όμως δημιουργεί μια σειρά από επιβλαβείς ουσίες που πρέπει να καθαριστούν. Εξετάστηκαν οι δυνατότητες για καθαρισμό σε υψηλή θερμοκρασία ώστε να αποφευχθεί η απώλεια αισθητής θερμότητας του αερίου μέσω της ψύξης του για καθαρισμό. Εξήχθησαν και παρουσιάστηκαν συμπεράσματα σχετικά με την καταλληλότητα συγκεκριμένων ουσιών για καθαρισμό σε υψηλή θερμοκρασία. Στο Κεφάλαιο 4 σχεδιάστηκε και βελτιστοποιήθηκε ένας ολοκληρωμένος κύκλος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γαιάνθρακα, με ταυτόχρονη δέσμευση του CO2 και με χρήση κυψελών καυσίμου στερεού. Ο κύκλος περιλαμβάνει την αεριοποίηση του γαιάνθρακα με υδρογόνο σε υψηλή πίεση, την αναμόρφωση του παραγόμενου μεθανίου μαζί με τη δέσμευση του CO2 σε δυο αντιδραστήρες που λειτουργούν σε διαφορετικό επίπεδο πίεσης, τον εκτενή καθαρισμό του αερίου σε δύο στάδια, τη χρήση του παραγόμενου υδρογόνου σε κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου, και τη συμπίεση του δεσμευμένου CO2 σε κατάλληλο επίπεδο για μεταφορά. Για την εξέταση του συστήματος προσομοιώθηκαν όλα τα επιμέρους συστήματα, αλλά και ο συνολικός ολοκληρωμένος κύκλος για τον οποίο εξήχθησαν τα δυνατά και βέλτιστα σημεία λειτουργίας. Κατά την εξέταση του κύκλου συγκεκριμένα προβλήματα και προτάθηκαν οι αντίστοιχες λύσεις. Για την πραγματοποίηση της απαιτούμενης ανακύκλωσης από τον αντιδραστήρα που παράγει το υδρογόνο στο αεριοποιητή προτάθηκε η χρησιμοποίηση ενός τζιφαριού υδρατμού στο οποίο υδρατμός υψηλής πίεσης αναρροφά το προς ανακύκλωση ρεύμα αυξάνοντας την πίεσή του. Η προσομοίωση του τζιφαριού ανέδειξε τα επιθυμητά επίπεδα πίεσης του υδρατμού ώστε να πραγματοποιηθεί η ανακύκλωση. Για τη απαιτούμενη μεταφορά θερμότητας σε υψηλή θερμοκρασία στον αντιδραστήρα αποδέσμευσης του CO2 προτάθηκε η χρήση θερμοσιφωνίων νατρίου (τα οποία είναι κατάλληλα για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών) μεταξύ μιας ρευστοποιημένης κλίνης καύσης των απαερίων της κυψέλης καυσίμου στερεού οξειδίου και της ρευστοποιημένης κλίνης αποδέσμευσης του CO2. Εξετάστηκε επίσης η επίδραση των στερεών που χρησιμοποιήθηκαν (CaO/CaCO3) στους επιμέρους αντιδραστήρες και στο συνολικό κύκλο, ενώ προτάθηκε και ένα εκτενές σύστημα καθαρισμού σε ακολουθία με τα συμπεράσματα του Κεφαλαίου 3. Για τη λειτουργία του συνολικού συστήματος τέλος, παρουσιάστηκαν αποτελέσματα σε σχέση τόσο με την απόδοση παραγωγής ενέργειας όσο και με την απόδοση δέσμευσης του CO2.