Process safety analysis of biomass to DME technologies

Dimethyl ether (DME) is one of the most promising alternative fuel solutions among the various clean, renewable, and low-carbon fuels under consideration worldwide. In automotive application, it is an excellent fuel substitute for diesel engines, burning with no soot production. In the context of the European project FLEDGED H2020, a highly intensified and flexible process for DME production based on biomass gasification is developed. The integration of a “power to DME” system, via the use of an electrolyser is also studied in FLEDGED project. This potential would lead to a double benefit: reduction of electric grid unbalances due to overgeneration by renewables and an increased exploitation of biomass carbon content in the DME production process. The present thesis was carried out at the French Research Institute for Industrial Environment and Risks (INERIS), a partner of the FLEDGED consortium assessing the safety aspects of the developed process. The main objective of this thesis is to evaluate the safety performance of FLEDGED process respect to conventional biomass to DME process solutions. This was carried out using two different approaches: the first approach is based on the evaluation of inherent safety level of process alternatives using an overall safety index, while the second approach focused on the evaluation of consequences through modelling of common accident scenarios associated with the main units of the different process solutions. The results showed that inherent safety level of FLEDGED process is higher respect to conventional processes, and it presents a lower magnitude of effects of incident consequences. Regarding the possibility of integrating the FLEDGED process with an electrolysis system, its cost-effectiveness should be carefully assessed. Indeed, presence of pure flow of hydrogen could lead to a crucial increase of risk management and safety regulation costs of the plant, especially in presence of a hydrogen gas storage.

L'etere dimetilico (DME) è una delle soluzioni di combustibili alternativi più promettenti tra i vari combustibili puliti, rinnovabili e a basse emissioni in considerazione in tutto il mondo. Nell'applicazione automobilistica, il DME è un eccellente carburante alternativo per motori diesel, bruciando senza produzione di polveri. Nel contesto del programma Europeo H2020, il progetto FLEDGED sviluppa un processo intensificato e flessibile per la produzione di DME, basato su gassificazione di biomassa. Nel progetto FLEDGED si considera anche l'integrazione di un sistema "power to DME" attraverso l'uso di un elettrolizzatore. Questo potenziale porterebbe ad un doppio vantaggio: da un lato, la riduzione degli squilibri della rete elettrica dovuti a over generazione da fonti rinnovabili, e dall’altro a un maggiore sfruttamento del contenuto in carbonio della biomassa nel processo di produzione di DME. La presente tesi è stata realizzata presso l'Istituto di Ricerca Francese per l'Ambiente Industriale e i Rischi (INERIS), un partner del consorzio FLEDGED che valuta gli aspetti di sicurezza del processo. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di valutare le prestazioni di sicurezza del processo FLEDGED rispetto alle soluzioni biomass to DME convenzionali. Ciò è stato realizzato utilizzando due diversi approcci: il primo approccio si basa sulla valutazione del livello di inherent safety (sicurezza intrinseca) del processo utilizzando un indice di sicurezza complessivo, mentre il secondo approccio si è focalizzato sulla valutazione delle conseguenze attraverso la modellazione di scenari incidentali associati alle principali unità del processo. I risultati hanno mostrato che il processo FLEDGED ha un livello maggiore di inherent safety rispetto ai processi convenzionali e presenta una minore entità delle conseguenze degli incidenti considerati. Per quanto riguarda la possibilità di integrare il processo FLEDGED con un sistema di elettrolisi, la sua fattibilità economica dovrebbe essere attentamente valutata. Infatti, il processo di generazione di idrogeno potrebbe portare ad un aumento cruciale dei costi di gestione del rischio e di regolamentazione della sicurezza dell'impianto, soprattutto in presenza di uno stoccaggio di idrogeno gassoso.