Τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ελεύθερης από εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα με χρήση κυψελών καυσίμου
Authors: Περδικάρης Νικόλαος 
Published: January 2014

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.