Analysis of the Calcium Looping process for chemical storage of solar energy aimed at decarbonizing power cycles and carbon intensive industries

In questo lavoro si propone una nuova soluzione per la cattura di CO2 e lo stoccaggio di energia mediante un processo basato sugli ossidi di calcio (Calcium Looping, CaL) e a concentrazione di energia solare (CSP). I materiali utilizzati sono economici e relativamente abbondanti (dolomite, calcare) mentre i materiali esausti possono essere mandati nelle acciaierie o cementifici e quindi a basso impatto ambientale. Questo lavoro si concentra sull'implementazione del CaL per la decarbonizzazione del processo di generazione elettrica e produzione di acciaio tramite lo stoccaggio di energia rinnovabile. L'industria siderurgica è il più grande consumatore di energia nel settore manifatturiero e produce circa il 7% delle emissioni globali di gas serra. La prima parte della tesi è incentrata sulla decarbonizzazione di un processo siderurgico con forno ad arco elettrico (EAF). Un processo di bi-reforming è utilizzato per convertire il metano in una miscela di CO e H2 mediante steam methane reforming (SMR) e dry methane reforming (DMR) a 950 ° C. La tecnologia CaL viene utilizzata per incrementare la produzione dell'idrogeno nel reattore di water gas shift con la cattura della CO2 (Sorption Enhanced Water Gas Shift, SE-WGS) a 650 ° C. L'idrogeno viene utilizzato come gas riducente nella produzione di DRI (ferro a riduzione diretta) riducendo le emissioni. Il calore necessario durante tutto il processo è fornito dalla combustione di combustibili convenzionali i cui gas di scarico saranno successivamente decarbonizzati. Nella seconda parte viene esaminata l'integrazione con il sistema di concentrazione dell'energia solare (CSP). Il carbonato di calcio prodotto viene rigenerato in CaO all'interno di un reattore a 900°C. L'energia solare viene raccolta nel ricevitore della torre centrale e trasferita nel reattore in cui avviene la calcinazione mediante un fluido termovettore o, in alternativa, la reazione di calcinazione può avvenire direttamente nel ricevitore solare. La CO2 prodotta viene raffreddata, compressa e inviata ad un serbatoio di stoccaggio mentre il CaO viene raffreddato e stoccato in un silos. L'energia solare viene quindi immagazzinata in forma chimica che può essere utilizzata in un luogo diverso e in tempi diversi senza perdita di calore. La terza parte della tesi è incentrata sull'integrazione del CaL con i cicli di potenza, superando le fluttuazione della produzione di energia solare. Durante il rilascio di energia, la CO2 viene espansa in una turbina e inviata in un raettore dove reagisce con CaO rilasciando calore di reazione ad alta temperatura, utilizzato per la produzione di energia. E' proposta un'integrazione con il ciclo Rankine e il ciclo di Bryton a CO2 supercritica. Una ottimizzazione dei sistemi energetici è realizzata tramite pinch analysis. Un'analisi parametrica è stata effettuata per prevedere la riduzione dell'efficienza dell'impianto quando alcuni importanti parametri del processo CaL ad esempio il grado di cattura, la temperatura e la pressione del reattore di carbonatazione cambiano. I risultati ottenuti sono incoraggianti: le emissioni di CO2 dall'industria siderurgica sono state ridotte dell'87%. L'analisi conseguita ha consentito di ottenere un'importante efficienza di stoccaggio dell'energia di circa l'80% e una buona performance delle centrali elettriche superiore al 35%