Modellazione dinamica e integrazione di un sistema di controllo avanzato di processo per un impianto di decarbonizzazione basato su celle a combustibile a carbonati fusi per applicazioni marittime

Abstract

La riduzione delle emissioni di CO₂ e di altri gas serra rappresenta una priorità fondamentale per il futuro prossimo, rendendo necessario lo sviluppo di tecnologie innovative per la cattura efficiente dell’anidride carbonica. Tra queste, le celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) si distinguono per la capacità di trattare flussi gassosi a bassa concentrazione di CO₂, producendo al contempo energia elettrica.

Questa tesi presenta la simulazione di un sistema di decarbonizzazione basato su MCFC per applicazioni navali. La tecnologia consente di catturare la CO₂ dai gas di scarico delle navi, rilasciandoli in atmosfera in forma più pulita e contribuendo alla riduzione del consumo energetico grazie alla conversione di energia chimica in elettrica.

Il lavoro si basa su una simulazione dinamica sviluppata in DWSIM, un software open-source per processi chimici, in cui il funzionamento della MCFC è modellato tramite uno script Python dedicato. Il flusso in ingresso al catodo rappresenta i gas di scarico tipici delle navi, mentre l’anodo è alimentato principalmente con idrogeno. Il controllo del processo è inizialmente gestito tramite regolatori PID, utilizzati per regolare parametri chiave come la temperatura in ingresso alla cella, il fattore di utilizzo dell’idrogeno (attraverso la portata all’anodo) e la temperatura dei prodotti in uscita.

Successivamente, vengono applicate tecniche di controllo avanzato (APC), che sfruttano modelli predittivi per migliorare stabilità operativa, efficienza e prestazioni complessive del sistema, riducendo al contempo i consumi energetici e l’impatto ambientale.

Il progetto nasce dalla collaborazione tra l’Università di Genova e ABB e si concentra sull’ottimizzazione del funzionamento e dell’efficienza energetica delle MCFC tramite sistemi APC, oltre a testare l’integrazione di strumenti di controllo avanzato all’interno dell’ambiente DWSIM.

The reduction of CO₂ and other greenhouse gas emissions is a key priority for the near future, requiring the development of innovative technologies for efficient carbon capture. Among these, Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) stand out for their ability to treat gas streams with low CO₂ concentrations while simultaneously generating electrical energy.

This thesis presents the simulation of a decarbonization system based on MCFCs for maritime applications. This technology enables the capture of CO₂ from ship exhaust gases, allowing their release into the atmosphere in a cleaner form, while also contributing to reduced onboard energy consumption through the conversion of chemical energy into electricity.

The work is based on a dynamic process simulation developed in DWSIM, an open-source chemical process simulator, where the MCFC operation is modeled using a dedicated Python script. The cathode inlet stream represents typical ship exhaust gas compositions, while the anode is primarily fed with hydrogen. Process control is initially implemented using PID controllers, which regulate key variables such as the cell inlet temperature, the hydrogen utilization factor (by adjusting the anode flow rate), and the outlet temperature of the cell products.

Advanced Process Control (APC) techniques are then applied to the system. By leveraging predictive models, APC improves operational stability, efficiency, and overall performance, while reducing energy consumption and environmental impact.

The project originates from a collaboration between the University of Genoa and ABB and focuses on optimizing the operation and energy efficiency of MCFC systems through APC strategies, as well as testing the integration of ABB’s control tools within the DWSIM environment.