| Titre | Recent advances in small-scale carbon capture systems for micro-combined heat and power applications |
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| Auteur | Yaici, W ;
Entchev, E; Longo, M |
| Source | Energies vol. 15, issue 8, 2022 p. 1-31, https://doi.org/10.3390/en15082938  Accès ouvert |
| Image |  |
| Année | 2022 |
| Séries alt. | Ressources naturelles Canada, Contribution externe 20220081 |
| Éditeur | MDPI |
| Document | publication en série |
| Lang. | anglais |
| DOI | https://doi.org/10.3390/en15082938 |
| Media | papier; numérique; en ligne |
| Formats | pdf |
| Sujets | carbone; ressources énergétiques; énergie; Bâtiment; Émissions de gaz à effet de serre; Gaz à effet de serre; Nature et environnement; Sciences et technologie |
| Illustrations | organigrammes; tableaux |
| Programme | CanmetÉNERGIE - Ottawa Bâtiments et groupe des renouvelables - Les systèmes d'énergie hybride |
| Diffusé | 2022 04 16 |
| Résumé | (disponible en anglais seulement)
To restrict global warming and relieve climate change, the world economy requires to decarbonize and reduce carbon dioxide (CO2) emissions to net-zero by
mid-century. Carbon capture and storage (CCS), and carbon capture and utilization (CCU), by which CO2 emissions are captured from sources such as fossil power generation and combustion processes, and further either reused or stored, are recognized
worldwide as key technologies for global warming mitigation. This paper provides a review of the latest published literature on small-scale carbon capture (CC) systems as applied in micro combined heat and power cogeneration systems for use in
buildings. Previous studies have investigated a variety of small- or micro-scale combined heat and power configurations defined by their prime mover for CC integration. These include the micro gas turbine, the hybrid micro gas turbine and solid-state
fuel cell system, and the biomass-fired organic Rankine cycle, all of which have been coupled with a post-combustion, amine-based absorption plant. After these configurations are defined, their performance is discussed. Considerations for optimizing
the overall system parameters are identified using the same sources. The paper considers optimization of modifications to the micro gas turbine cycles with exhaust gas recirculation, humidification, and more advanced energy integration for optimal
use of waste heat. Related investigations are based largely on numerical studies, with some preliminary experimental work undertaken on the Turbec T100 micro gas turbine. A brief survey is presented of some additional topics, including storage and
utilization options, commercially available CC technologies, and direct atmospheric capture. Based on the available literature, it was found that carbon capture for small-scale systems introduces a large energy penalty due to the low concentration of
CO2 in exhaust gases. Further development is required to decrease the energy loss from CC for economic feasibility on a small scale. For the micro gas turbine, exhaust gas recirculation, selective gas recirculation, and humidification were shown to
improve overall system economic performance and efficiency. However, the highest global efficiencies were achieved by leveraging turbine exhaust waste heat to reduce the thermal energy requirement for solvent regeneration in the CC plant during low-
or zero-heating loads. It was shown that although humidification cycles improved micro gas turbine cycle efficiencies, this may not be the best option to improve global efficiency if turbine waste heat is properly leveraged based on heating demands.
The biomass-organic Rankine cycle and hybrid micro gas turbine, and solid-state fuel cell systems with CC, are in early developmental stages and require more research to assess their feasibility. However, the hybrid micro gas turbine and solid-state
fuel cell energy system with CC was shown numerically to reach high global efficiency (51.4% LHV). It was also shown that the biomass-fired organic Rankine cycle system could result in negative emissions when coupled with a CC plant. In terms of
costs, it was found that utilization through enhanced oil recovery was a promising strategy to offset the cost of carbon capture. Direct atmospheric capture was determined to be less economically feasible than capture from concentrated point sources;
however, it has the benefit of negative carbon emissions. |
| Sommaire | (Résumé en langage clair et simple, non publié)
Pour limiter le réchauffement climatique et atténuer le changement climatique, l'économie mondiale doit décarboniser et réduire les émissions de
dioxyde de carbone (CO2) à net zéro d'ici le milieu du siècle. Le captage et le stockage du carbone (CSC) et le captage et l'utilisation du carbone (CUC), par lesquels les émissions de CO2 sont capturées à partir de sources telles que la production
d'énergie fossile et les processus de combustion, puis réutilisées ou stockées, sont reconnues dans le monde entier comme des technologies clés pour l'atténuation du réchauffement climatique. Cet article fournit une revue de la littérature récente
publiée sur les systèmes de capture du carbone (CC) à petite échelle tels que ceux appliqués dans les micro-systèmes de cogénération de chaleur et d'électricité pour une utilisation dans les bâtiments. Il s'agit notamment de la micro-turbine à gaz,
de la micro-turbine à gaz hybride et du système de pile à combustible à semi-conducteurs, et du cycle organique de Rankine alimenté à la biomasse, qui ont tous été couplés à un système d'absorption post-combustion à base d'amines. Une fois ces
configurations définies, leurs performances sont discutées. Les considérations relatives à l'optimisation des paramètres généraux du système sont identifiées à l'aide des mêmes sources. L'article passe en revue l'optimisation des modifications
apportées aux cycles de la micro-turbine à gaz avec la recirculation des gaz d'échappement, l'humidification et une intégration énergétique plus avancée pour une utilisation optimale de la chaleur perdue. Les recherches connexes reposent en grande
partie sur des études numériques, avec quelques travaux expérimentaux préliminaires entrepris sur la micro-turbine à gaz Turbec T100. Une brève étude est présentée sur certains sujets supplémentaires, y compris les options de stockage et
d'utilisation, les technologies de CC disponibles dans le commerce et la capture atmosphérique directe. Sur la base de la littérature disponible, il a été constaté que la capture du carbone pour les systèmes à petite échelle introduit une forte
pénalité énergétique en raison de la faible concentration de CO2 dans les gaz d'échappement. Un développement supplémentaire est nécessaire pour réduire la perte d'énergie du CC pour une faisabilité économique à petite échelle. Pour la micro-turbine
à gaz, il a été démontré que la recirculation des gaz d'échappement, la recirculation sélective des gaz et l'humidification améliorent les performances économiques et l'efficacité globales du système. Cependant, les taux de rendements les plus élevés
ont été obtenus en tirant parti de la chaleur résiduelle des gaz d'échappement des turbines pour réduire les besoins en énergie thermique pour la régénération des solvants dans les systèmes CC lors de charges de chauffage faibles ou nulles. Il a été
démontré que même si les cycles d'humidification amélioraient l'efficacité du cycle des micro-turbines à gaz, cela n'est peut-être pas la meilleure option pour améliorer l'efficacité globale si la chaleur résiduelle de la turbine est correctement
exploitée en fonction des demandes de chauffage. Le cycle de Rankine organique alimenté à la biomasse et la micro turbine à gaz hybride, ainsi que les systèmes de piles à combustible à semi-conducteurs avec CC, en sont aux premiers stades de
développement et nécessitent davantage de recherche pour évaluer leur faisabilité. Cependant, il a été démontré numériquement que la micro-turbine à gaz hybride et le système d'énergie à pile à combustible à semi-conducteurs avec CC atteignaient un
rendement global élevé (51,4 % basé sur le pouvoir calorifique inferieur, PCI). Il a également été démontré que le système de cycle de Rankine organique alimenté à la biomasse pouvait entraîner des émissions négatives lorsqu'il était couplé à une
centrale CC. En termes de coûts, il a été constaté que l'utilisation par le biais de la récupération assistée du pétrole était une stratégie prometteuse pour compenser le coût de la capture du carbone. Le captage atmosphérique direct a été jugé moins
faisable économiquement que le captage à partir de sources ponctuelles concentrées; cependant, il a l'avantage d'émettre des émissions de carbone négatives. |
| GEOSCAN ID | 330083 |
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