Analisi tecnico-economica dell'integrazione di un processo power to liquid in un impianto di gassificazione di biomassa per produzione di DME

The aim of this thesis is to model the operation of a dimethyl ether (DME) production plant from biomass gasification and to evaluate the technical-economic feasibility of integrating electrolysis cells at this system. The process is modelled with Aspen Plus software. At first, the plant is modelled without the injection of hydrogen. A dual fluidised bed, with the use of calcium oxide as CO2 sorbent in bed material, is implemented (SEG). The gasifier guarantees the ideal syngas composition before the synthesis section, reaching a stochiometric module M equal to 2. This section is composed by two reactors, the first one operates with a direct synthesis while the second one removes water with a sorbent material to enhance the DME production (SEDMES), leading to a higher production of DME. The plant has a CGE of 42.2%, the electric efficiency 8.5% and it guarantees a high pure flow (99.7%). The performances of the plant could be improved decreasing the steam to carbon ratio and implementing a reformer for the conversion of hydrocarbons. The hydrogen injection must guarantee the design module M before the synthesis reactors. The gasifier temperature is increased to reduce the module M because of a higher quantity of CO2 in the syngas. The additional DME production, considering the same input of biomass, is proportional to the hydrogen injected, so the power-to-liquid efficiency is about 48% for every operating point. The electrolysis system economic analysis ends this work. Considering a DME price of 600 €/ton, the electricity price that leads to a positive revenue is about 39 €/MWh. At the current situation, this investment is not profitable: with a technology improvement or an increasing value of DME on the market, the electrolysers could be implemented.

L’elaborato ha la finalità di modellare il funzionamento di un impianto di produzione di etere dimetilico (DME) a partire da gassificazione di biomassa e di valutare la fattibilità tecnico-economica dell’integrazione di un sistema di elettrolisi allo stesso. Il processo è simulato con il software ASPEN Plus. L’impianto è stato dimensionato per lavorare senza iniezione di idrogeno. La gassificazione opera mediante un sistema indiretto costituito da due letti fluidizzati ad adsorbimento di CO2 da parte di ossidi di calcio (SEG). Il gassificatore garantisce le condizioni ideali di composizione del syngas per la sezione di sintesi, con un modulo stechiometrico pari a 2. Quest’ultima consta di due reattori, il primo è di sintesi diretta, il secondo rimuove l’acqua tramite un mezzo adsorbente (SEDMES), favorendo la produzione di DME. La CGE dell’impianto è del 42.2% e l’efficienza elettrica del 8.5%, garantendo un flusso di DME ad elevata purezza (99.7%). Le prestazioni dell’impianto possono essere migliorate diminuendo il rapporto steam to carbon e introducendo un reformer per la conversione degli idrocarburi. L’iniezione di idrogeno è tale da garantire un modulo pari a 2 in ingresso ai reattori di sintesi. La temperatura del gassificatore viene aumentata per diminuire il modulo del syngas prodotto, avendo una percentuale più alta di CO2. La portata aggiuntiva di DME prodotta, a parità di biomassa elaborata, risulta essere circa proporzionale all’idrogeno immesso, pertanto l’efficienza del sistema power-to-liquid è circa il 48% per ogni condizione di funzionamento. Un’analisi economica del sistema di elettrolisi conclude il lavoro. Con un prezzo di vendita del DME di 600 €/ton, il prezzo dell’energia elettrica che rende conveniente l’accensione delle celle è di 39 €/MWh. Nelle condizioni attuali dei prezzi non risulta remunerativo effettuare tale investimento, mentre lo diventa a seguito di un miglioramento tecnologico o di un aumento del prezzo di vendita del DME.