Studio comparativo di sistemi di gassificazione di biomassa integrati con turbina a gas e sistemi ORC per potenze 1÷5 MW elettrici

Biomass gasification gives several advantages, when integrated in power plants, in comparison with the simple combustion process. It converts a renewable solid fuel in a combustible gas usable in a modern higher efficiency conversion system, designed for heat and electrical power cogeneration. Several Countries including Italy developed policies supporting the energy market connected to the renewable resources among which the biomasses. Even if the additional incentives to the alternative resources have been recently reduced or have turned to less attractive, the programs dealing with the biomass gasification are still in progress with greater concern for the small size plants. Nevertheless, in spite of a large number of specific references existing in the open literature, the available information and experiences are rather poor concerning the development and the purchasing of the different plants realized around the world. Therefore the study and evaluation of the biomass gasification process have been the aim of this graduation thesis with particular interest in the woodchip. Different types of existing gasifiers have been studied in order to choose the more suitable technology in the range 5÷20 MWth. As a consequence an integrated woodchip gasification system has been defined and simulated to produce a syngas suitable to be fed into a gas turbine whose exhaust gases are sent into an organic Rankine cycle (ORC). The technical aspects to specify such a system have been here discussed taking into account that the reference gas turbine (OP16 by OPRA) and ORC plant (by TURBODEN) are already well defined and purchased by both the Companies. The simulations performed by the code ASPEN Plus V8.2, based on minimization of Gibbs free energy, have been concerned the main three sections in which the whole integrated system could be divided, that is: gasification, syngas cleaning and electrical energy production. The calculation at the thermodynamic equilibrium have been in any case useful for studying the influence of the fuel and process parameters. Even if the chemical and thermodynamic equilibrium cannot be reached into a true gasifier, this code has given with reasonable previsions the maximum obtainable syngas productions considering only the specified reactions and operating parameters of the process.

La gassificazione di biomassa comporta numerosi vantaggi rispetto alla semplice combustione nei cicli di potenza, in quanto trasforma un combustibile solido rinnovabile in un gas che può essere usato per la produzione di elettricità e di calore in un moderno dispositivo di conversione a più alta efficienza, come una turbina a gas, Diversi Paesi, tra cui l’Italia, hanno sviluppato nel passato politiche di supporto al mercato dell’energia da fonti rinnovabili incluse le biomasse. Sebbene recentemente il supporto addizionale alle fonti alternative sia stato ridotto o stia diventando meno attraente, i programmi di gassificazione di biomasse sono proseguiti dando maggiore enfasi agli impianti di piccola taglia. Tuttavia, nonostante esista un gran numero di pubblicazioni specifiche, le informazioni e le esperienze disponibili, riguardanti lo sviluppo e la commercializzazione dei numerosi impianti che sono stati realizzati nel mondo, sono piuttosto scarse. Scopo di questa tesi è stato quindi quello di studiare e valutare il processo di gassificazione delle biomasse, con particolare riferimento al cippato di legno. Lo studio ha visto l’analisi dei diversi tipi di gassificatori esistenti con lo scopo di scegliere la tipologia più adatta al caso in esame, con taglie comprese tra 5 e 20 MWth. Si è trattato quindi di definire e simulare un sistema integrato di gassificazione del cippato di legno, per la produzione di syngas adatto per essere alimentato ad una turbina a gas i cui scarichi possano essere inviati ad un ciclo Rankine organico (ORC). Sono stati perciò discussi gli aspetti tecnici per la definizione di un tale sistema CHP integrato, tenendo presente che la turbina a gas di riferimento (OP16 di OPRA) e il ciclo ORC di Turboden sono già ben definiti e commercializzati da entrambe le compagnie. L’attività svolta ha permesso di eseguire simulazioni con ASPEN PLUS V8.2, sul principio della minimizzazione dell’energia libera di Gibbs, suddividendo l’intero sistema integrato nelle tre sezioni principali che lo costituiscono, rispettivamente: gassificazione, pulizia del syngas e sezione di produzione elettrica (TG+ORC). Il calcolo all’equilibrio termodinamico è stato quindi utile per studiare l’influenza dei parametri relativi al combustibile e al processo. Anche se l’equilibrio chimico o termodinamico non può essere raggiunto nel gassificatore reale, questo modello ha fornito con una ragionevole previsione la massima quantità ottenibile di un prodotto considerando solo le reazioni specificate.