Technoeconomy analysis of distinctive hybrid solid oxide fuel cells based power plants

Abstract

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[ES] Como consecuencia de la crisis mundial energética, la reducción de emisiones de CO 2, así como el incremento de la eficiencia total de las centrales de energía, han sido los principales objetivos ingenieriles durante las últimas décadas. En el intento de mitigar el agotamiento de los recursos de energía y el cambio climático, se ha fomentado el desarrollo de nuevas tecnologías. Tecnologías relacionadas con el uso de pilas de combustible óxido sólido, hidrógeno, biocombustibles y metanol han adquirido un rol primario en el desarrollo de sistemas de generación de potencia más sostenibles. La tecnología de las pilas de combustible óxido sólido es el principal tema de esta tesis. Consiste de un dispositivo electroquímico que convierte la energía contenida en un combustible en electricidad y calor. Las principales ventajas de las pilas de combustible óxido sólido son entre otras: alta densidad energética, peso ligero, larga vida útil y diseño modular. Esta tecnología podría ser útil para la generación de electricidad, transporte, unidades de desalinización y aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, las altas temperaturas de operación hacen que su uso sea todavía complicado para aplicaciones de transporte, mientras que las aplicaciones aeroespaciales están aún bajo investigación. Por estas razones, parece que el futro más prometedor de esta tecnología está enfocado a la generación de electricidad. Desde un punto de vista termodinámico, estas plantas de energía ya han sido probadas para ser efectivas. Por otra parte, es aún incierto si pueden ser económicamente viables o no. Incluso aunque actualmente las pilas de combustible óxido sólido están caracterizadas por costes relativamente elevados, el hecho que las principales compañías implicadas en esta tecnología siguen investigando, podría conducir a precios más asequibles, y por lo tanto, las pilas de combustible óxido sólido podrían convertirse en una importante solución para el actual problema energético. El objetivo de esta tesis es evaluar la viabilidad económica de combinar pilas de combustible óxido sólido con centrales de energía ya existentes. El uso de centrales híbridas permite alcanzar eficiencias más altas y esto podría reducir el coste de producir la electricidad. Los resultados sugieren que esta tecnología podría ser viable para pequeña escala. Estas plantas podrían construirse cerca de edificios residenciales y universidades con el objetivo de satisfacer sus necesidades energéticas. Si la electricidad se vendiera a un precio similar al que pagan las familias, la inversión se recuperaría en 15 años. Por otra parte, parece que esta tecnología no puede competir a gran escala, porque los actuales precios del mercado eléctrico harían que no fuera económicamente viable si la electricidad se vende directamente a la red.

[EN] Because of the global energy crisis, the reduction of CO 2 emissions, as well as the increase of power plants efficiency has been one of the main engineering targets during the recent decades. In the attempt to mitigate the depletion of energy sources and the climate change, the development of alternative energies has increased. Technologies related to the use of Solid Oxide Fuel Cells, hydrogen, biofuel and methanol have acquired a primary role in the development of more sustainable power generation systems. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) technology is the main topic of this thesis. It consists of an electrochemical device which converts the energy contained in a fuel into electricity and heat. The principal advantages of SOFCs are among others, high volumetric energy density, light weight, long lifetime and modular design. They are suitable for electricity generation, transportation, desalination units and aircraft applications. However, the high operating temperatures make difficult their use for transportation while the aircraft applications are still under investigation. For these reasons it seems that the brighter future of this technology will be focused on the electricity generation. From the thermodynamic point of view, these power plants have already been proved to be effective. On the other hand, it is still uncertain whether they can be economically profitable or not. Even though nowadays the SOFC technology is still characterized by relatively high prices, the fact that the main companies of this technology continue investing in research may lead to more affordable prices, and thus SOFC could become an important solution for the emerging energetic problems. The purpose of this thesis is to evaluate the economic viability of combining SOFCs with existing power plants. The use of hybrid SOFC power plants enables to reach higher efficiencies, and this may lower the cost of the electricity production. The results suggest that this technology could be profitable for small-scale generation. These plants could be built close to residential buildings and universities in order to auto-produce their energetic requirements. If the electricity is sold at a price that is similar to the one paid by the householders, then the investment costs could get repaid in 15 years. On the other hand, it seems that this technology cannot compete with large-scale power plants because the actual spot prices in the electricity market would make them not economically viable when the electricity is sold directly to the grid.