In a context of increasing concerns for environmental issues, as a consequence of a still intense exploitation of fossil fuels, more attention to renewable energy sources becomes crucial. The utilization of biogas, derived from anaerobic digestion of biomasses, as an energy source is an interesting solution. The aim of the thesis work is to analyze, from different perspectives, the production process of biomethane from biogas on medium-large scale via plant optimizations. The proposed technology for the upgrading process is amine scrubbing where two chemical solvents are selected and tested. The first part of the work focuses on the modeling of the proposed system. A particular process integration, with the adoption of an internal combustion engine operated in cogenerative setup, is analyzed. The solution is advantageous because it allows to satisfy both thermal and electrical demands for energy from the upgrading section by burning a fraction of available biogas. An additional useful effect, combined with biomethane production, coming from surplus of electrical power produced by the engine, is made available for electric grid injection. The second part of the dissertation is instead aimed at the optimization of the scrubbing process. In particular, two conflicting objectives are considered: maximum energy efficiency and minimum investment cost. The determination of Pareto frontiers allows to find out intermediate trade-off plant configurations between the two most conflicting ones ( the one respecting the maximum energy efficiency criterium and the one at the lowest investment cost). Pareto fronts are also useful to assess the logics that drive towards reduction in equipments costs and improvements in primary energy efficiency in order to identify, among the tested solvents, the most promising one for biogas upgrading via amine scrubbing.
In un contesto di crescenti preoccupazioni per le tematiche ambientali, a seguito dell'ancora massivo sfruttamento di combustibili fossili, una maggiore attenzione verso fonti di energia rinnovabili risulta cruciale. L'utilizzo di biogas, derivato da digestione anaerobica di biomasse, come fonte di energia è una interessante soluzione. Lo scopo del lavoro di tesi è di analizzare, da diversi punti di vista, il processo di produzione di biometano da biogas su media-larga scala attraverso ottimizzazioni di impianto. La tecnologia proposta per la riqualificazione di biogas è il lavaggio ad ammina dove, due differenti solventi chimici, sono stati selezionati e testati. La prima parte del lavoro è volta alla modellazione del sistema proposto. Una particolare integrazione di processo, con l'adozione di un motore a combustione interna in assetto cogenerativo, è analizzata. La soluzione risulta vantaggiosa in quanto è in grado di soddisfare sia la richiesta termica che elettrica della sezione di riqualificazione andando a convertire una frazione di biogas disponibile nel motore stesso. Un ulteriore effetto utile, combinato alla produzione di biometano, viene reso disponibile dal surplus di potenza elettrica prodotta dal motore che può essere valorizzata immettendola nella rete elettrica. La seconda parte si focalizza invece sull'ottimizzazione del processo di lavaggio ad ammina. Due obiettivi contrastanti sono stati considerati: massimizzazione dell'efficienza di primo principio e minimizzazione dei costi di investimento. La determinazione delle frontiere di Pareto permette di ricercare configurazioni di impianto, in termini di parametri operativi chiave, ottimali da entrambi i punti di vista (energetico ed economico). Il set di soluzioni ottime trovate è anche utile per andare a ricercare quelle che sono le logiche alla base della riduzione dei costi dei componenti e il miglioramento dell'efficienza di primo principio del sistema per determinare, tra i due solventi proposti, quello che risulta essere più promettente per la riqualificazione di biogas attraverso il lavaggio ad ammina.
Techno-economic optimization of biogas to biomethane upgrading plants via amine scrubbing
FETTARAPPA, FEDERICO
2016/2017
Abstract
In a context of increasing concerns for environmental issues, as a consequence of a still intense exploitation of fossil fuels, more attention to renewable energy sources becomes crucial. The utilization of biogas, derived from anaerobic digestion of biomasses, as an energy source is an interesting solution. The aim of the thesis work is to analyze, from different perspectives, the production process of biomethane from biogas on medium-large scale via plant optimizations. The proposed technology for the upgrading process is amine scrubbing where two chemical solvents are selected and tested. The first part of the work focuses on the modeling of the proposed system. A particular process integration, with the adoption of an internal combustion engine operated in cogenerative setup, is analyzed. The solution is advantageous because it allows to satisfy both thermal and electrical demands for energy from the upgrading section by burning a fraction of available biogas. An additional useful effect, combined with biomethane production, coming from surplus of electrical power produced by the engine, is made available for electric grid injection. The second part of the dissertation is instead aimed at the optimization of the scrubbing process. In particular, two conflicting objectives are considered: maximum energy efficiency and minimum investment cost. The determination of Pareto frontiers allows to find out intermediate trade-off plant configurations between the two most conflicting ones ( the one respecting the maximum energy efficiency criterium and the one at the lowest investment cost). Pareto fronts are also useful to assess the logics that drive towards reduction in equipments costs and improvements in primary energy efficiency in order to identify, among the tested solvents, the most promising one for biogas upgrading via amine scrubbing.File | Dimensione | Formato | |
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