Studio comparativo di soluzioni per la cattura della CO2 nel settore marittimo mediante celle MCFC alimentate con diversi combustibili

Abstract

Il riscaldamento globale rappresenta ad oggi un’emergenza che richiede azioni immediate e coordinate a livello mondiale. Il settore dei trasporti è uno dei maggiori responsabili di emissioni di gas serra. L'elaborato propone lo studio di un sistema innovativo di cattura della CO2 per applicazioni a bordo nave, per contribuire alla decarbonizzazione del trasporto nel settore marittimo. In particolare, si propone l'analisi di un sistema di cattura di CO2 basato sull’utilizzo di celle a combustibile a carbonati fusi. Tale tecnologia, infatti, non rappresenta soltanto una soluzione innovativa e promettente per la generazione sostenibile di energia, ma grazie alle reazioni elettrochimiche che avvengono in essa, può operare come concentratore di anidride carbonica, favorendone processi di cattura e stoccaggio. Si sono studiati cinque scenari di riduzione di emissioni in atmosfera (-25%, 40%, 55%, 70%, 85%), concepiti per allinearsi alla progressività degli obiettivi delineati dai principali accordi internazionali. In particolare, si è valutato come combustibili diversi alimentati alla cella possano influenzare le prestazioni e l’efficienza del sistema di cattura. I combustibili considerati sono: LNG, bio-LNG, metanolo, biometanolo, ammoniaca grigia e ammoniaca verde. Attraverso l'utilizzo del software di progettazione e simulazione di impianti chimici DWSIM sono stati implementati modelli impiantistici per ogni combustibile e si è prodotta un'analisi comparativa tra i risultati ottenuti, ponendo particolare attenzione alla potenza richiesta dal sistema, ai volumi occupati, ai consumi e ai costi operativi previsti. Tale studio ha prodotto risultati positivi, soprattutto per la soluzione con alimentazione a metanolo, che consente di ottimizzare i consumi e la potenza richiesta, garantendo costi operativi contenuti. Si dimostrano inoltre particolarmente promettenti anche combustibili di origine biologica, per i quali però sono attualmente previsti costi eccessivi.

Global warming represents today an urgent emergency that requires immediate and coordinated action at a global level. The transport sector is one of the major contributors to greenhouse gas emissions. This thesis proposes a study of an innovative CO2 capture system for onboard applications, to contribute to the decarbonization of the maritime transport sector. In particular, it proposes an analysis of a post-combustion CO2 capture and storage (CCS) system based on molten carbonate fuel cells (MCFC). This technology, in fact, not only represents an innovative and promising solution for sustainable energy generation, but also, thanks to the electrochemical reactions that occur within it, can operate as a carbon dioxide concentrator, promoting capture and storage processes. Five scenarios for reducing emissions were studied, conceived to align with the progressiveness of the objectives outlined by the main international agreements; the stable reduction levels are 25%, 40%, 55%, 70%, 85%. In particular, it was evaluated how different fuels supplied to the cell can influence the performance and efficiency of the capture system. The fuels studied are: LNG, bio-LNG, methanol, biomethanol, gray ammonia, and green ammonia. Thanks to the use of the DWSIM chemical process design and simulation software, plant models were implemented for each fuel, and a comparative analysis was produced to evaluate the power required from the system, the volumes needed, the consumption and expected operating costs. This study has produced positive results, especially for the methanol-fueled solution, which ensures minimal consumption and power, ensuring contained operating costs. Better results could be achieved with biofuels, but due to the currently forseen higher costs can't be considered as the best solution.