Valutazione della potenzialità delle celle a combustibile a carbonato fuso per la cattura e la concentrazione di CO2: un'analisi di fattibilità nell'industria siderurgica

Abstract

Questo lavoro studia l’utilizzo delle celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) per limitare e concentrare le emissioni di CO2 nell’industria siderurgica. Sono state con- dotte quattro simulazioni principali in Aspen Plus per esplorare diverse configurazioni e la loro fattibilit`a. Le simulazioni prevedevano l’uso dello ”steam reforming” di metano per produrre idrogeno da alimentare all’anodo della MCFC. I risultati hanno mostrato che sono necessarie circa 8240 celle da 1 m2 assumendo il 75% di utilizzo di idrogeno e l’85% di cattura di CO2. Sono state esaminate diverse opzioni di post-trattamento, tra cui l’ossicombustione, la produzione di metano e la liquefazione della CO2. L’indice di consumo totale di energia (indice TEC) `e stato introdotto per confrontare la domanda di energia per la cattura e il trattamento di 1 kg di CO2. Le simulazioni hanno dimostrato una significativa potenzialit`a di riduzione della CO2 e in parallelo una produzione di en- ergia elettrica, che varia da 5,6 MW a 6 MW con l’MCFC. La soluzione a ossicombus- tione usando ossigeno generato da separazione criogenica `e risultata essere il processo a minore consumo energetico. La produzione di metano dalla CO2 condensata `e emersa come una soluzione promettente, sebbene l’elevata richiesta di idrogeno ponga problemi di costo. Le analisi parametriche condotte hanno rivelato la possibilit`a di utilizzare diverse soluzioni intermidie in base alle priorit`a. L’analisi economica e l’esplorazione di tecnolo- gie alternative sono raccomandate per ulteriori studi. Nel complesso, questo lavoro evi- denzia il potenziale delle MCFC nel ridurre le emissioni di CO2 nell’industria siderurgica, formendo CO2 concentatro reutilizabile e generando al contempo elettricit`a. L’adozione delle MCFC si propone quindi come une technologia molto promettente nell’attuale con- testo di decarbonizzazione.

This work investigates the utilization of Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) for cap- turing and concentrating CO2 emissions in the steel industry. Four main simulations were conducted in Aspen Plus to explore different configurations and their feasibility. The sim- ulations involved the use of steam methane reforming to produce hydrogen for the MCFC anode inlet. The results showed that around 8240 cells of 1 m2 are required with 75% of hydrogen use and 85% of CO2 capture. Different post-treatment options were explored, including oxy-combustion, methane production, and CO2 liquefaction. The Total Energy Consumption Index (TEC index) was introduced to compare the energy demand for the capture and treatment of 1 kg of CO2. The simulations demonstrated the potential for significant CO2 reduction and the production of electricity, ranging from 5.6 MW to 6 MW by the MCFC. Cryogenic separation for the oxygen source in the oxy-combustion burner was found to be the least energy-intensive process. Producing methane from cap- tured CO2 emerged as a promising solution, although the high hydrogen demand posed cost challenges. Sensitivity analyses revealed the possibility of employing intermediate cases based on priorities. Economic analyses and exploration of alternative technologies are recommended for further study. Overall, this work highlights the potential of MCFCs in reducing CO2 emissions and concentrating CO2 in the steel industry, while also gen- erating carbon-free electricity. The adoption of MCFCs could contribute to a substantial reduction in CO2 emissions.