Techno-economic analysis of biomass-fired organic Rankine cycle cogeneration plant

This work deals with the technical-economic analysis of a biomass-fuelled cogeneration plant based on Organic Rankine Cycle technology. The aim is the comparison of two different ORC system configuration from a thermodynamic and economic point of view: the first, assumed as reference, is a simple recuperative cycle while the second, called "Split" configuration, has an additional heat exchanger for the heat recovery from low temperature biomass boiler exhaust gases. The two configurations are modelled in the software Aspen Plus at nominal design conditions. The results show the better performance achieved by the plant equipped with "Split", with an overall plant efficiency of 83.4 % and a net electrical efficiency of 12.8%, with respect to the simple configuration that achieves 75.8 and 11.9 respectively. The analysis is then extended to the comparison of the same indexes with a variation of the operating conditions, in particular of the maximum and minimum temperatures of the thermodynamic cycle. The economic analysis gives an estimation on the profitability of the two different plant configurations, in a possible scenario where the two plants, alternatively, are integrated in a context of district heating, considering a time horizon of 20 years. The analysis confirms the higher value of the "Split" system also from an economic point of view, with a Net Present Value of 13.89 M€, compared to 13.38 of the simple configuration. Payback Time does not show substantial differences, being around 4 years. Finally, a sensitivity analysis is carried out for the plant with "Split", considering a change in the share of cogeneration heat that is sold to district heating users.

Il presente lavoro riguarda l'analisi tecnico-economica di un impianto di cogenerazione a biomassa basato sulla tecnologia di ciclo Rankine a fluido organico. L'obiettivo è il confronto di due diverse configurazioni dal punto di vista termodinamico ed economico: il primo, assunto come riferimento, è un ciclo semplice rigenerativo mentre il secondo, denominato "Split", è dotato di uno scambiatore di calore aggiuntivo per il recupero di calore a bassa temperatura dai gas di scarico della caldaia a biomassa. Le due configurazioni sono modellate nel software Aspen Plus alle condizioni nominali di progetto. I risultati mostrano le migliori prestazioni dell'impianto dotato di "Split", con un rendimento complessivo dell'impianto dell'83,4% e un rendimento elettrico netto del 12,8%, rispetto alla configurazione semplice che raggiunge rispettivamente il 75,8 e l'11,9. L'analisi viene poi estesa al confronto degli stessi indici con una variazione delle condizioni di funzionamento, in particolare delle temperature massime e minime del ciclo termodinamico. Attraverso l’analisi economica viene data una stima sulla redditività e sul tempo di ritorno delle due diverse configurazioni d’impianto, in un possibile scenario dove i due impianti, in alternativa, vengono integrati in un contesto di teleriscaldamento, considerando un orizzonte temporale di 20 anni. L’analisi conferma il maggior valore dell’impianto “Split” anche dal punto di vista economico, con un Net Present Value di 13.89 M€, rispetto ai 13.38 della configurazione semplice. Il Payback Time non presenta sostanziali differenze, attestandosi intorno ai 4 anni. Infine viene svolta un’analisi di sensitività per l’impianto con “Split”, considerando una variazione sulla quota del calore cogenerativo venduto alle utenze per il teleriscaldamento.