Biofuels and hydrogen production plants with biomass gasification and carbon capture : techno-economic analysis and flexibility assessment

This work is carried out in the context of Biomass to Biofuels processes and deals with the design, simulation and comparison of two plants adopting a different gasification technology: a directly heated and an indirectly one. Both configurations are modelled with 3 different outputs: methanol, FT-syncrude and hydrogen, resulting in 6 plants designed with Aspen Plus® software. They include CCS units able to lead to negative carbon emissions. The modelled plants share several design choices and the main differences are found in the syngas cleaning, conditioning and the synthesis units. In BtMeOH configurations a WGS is employed only for the direct case while a multitubular LURGI reactor is selected for both. Moreover, they require distillation columns able to obtain a purified methanol flow. In BtFT plants a detailed analysis of the synthesis reactor, based on a kinetic model, is made. Moreover, a RWGS reactor is chosen to maximize FT-syncrude production in the indirect configuration. BtH2 plants are instead characterized by a two stage WGS able to convert around 90% of CO and a PSA unit is used to separate H2. The configurations have similar equivalent fuel efficiencies in the range of 50-65 %. Concerning the CO2 sequestered, BtH2 plants store the highest percentage of carbon around 95-98%. Then an economic analysis is performed where FCI, OPEX and LCOF are estimated finding results in accordance with a dedicated literature review. BtH2 and BtMeOH plants appear to be the most convenient ones with LCOF between 25-28 €/GJ while BtFT plants ranges around 35 €/GJ. Increasing CO2 valorization, results close to fossil fuels-based plants are achieved. To conclude BtH2 IG and BtMeOH IG are combined in a flexible plant able to produce both fuels, by doing so it is possible to take advantage of their selling prices fluctuations. Comparing this flexble plant with the base configurations, more remunerative scenarios are found.

La presente tesi è svolta nell’ambito dei processi da Biomassa a biocombustibile e riguarda la progettazione, la simulazione e il confronto di due impianti che adottano due tecnologie di gassificazione: una a riscaldamento diretto e l’altra indiretto. Entrambe le configurazioni forniscono tre prodotti: metanolo, greggio sintetico e idrogeno, risultando in un totale di 6 impianti progettati utilizzando il software Aspen Plus®. Tutti gli impianti includono unità di cattura e sequestrro di CO2. Gli impianti modellati condividono alcune scelte progettuali e le principali differenze si riscontrano nelle unità di trattamento e di sintesi. Nelle configurazioni BtMeOH un reattore di WGS è presente solo per il caso diretto, per entrambi un reattore LURGI viene utilizzato. Inoltre, colonne di distillazione in grado di fornire un flusso purificato di metanolo sono necessarie. Negli impianti BtFT viene effettuata un’analisi del reattore di sintesi, basato su un modello cinetico. Un reattore di RWGS è utilizzato nella configurazione indiretta. Gli impianti BtH2 sono caratterizzati da un reattore di WGS a due stadi in grado di convertire il 90% di CO e il PSA viene impiegato per separare l’idrogeno. Le configurazioni hanno efficienze complessive simili, nell’intervallo del 50-65% e gli impianti BtH2 immagazzinano la più alta percentuale di carbonio, intorno al 95-98%. È stata eseguita un’analisi economica in cui i costi operativi e di costruzione sono stimati, ottenendo risultati in accordo la letteratura consultata. Gli impianti BtH2 e BtMeOH sono quelli più convenienti con prezzi di produzione intorno ai 25-30 €/GJ mentre i BtFT si aggirano intorno ai 35€/GJ. Aumentando il pezzo della CO2 costi di produzione vicini agli impianti fossili vengono raggiunti. Gli impianti indiretti BtH2 e BtMeOH son combinati a formare un impianto flessibile in grado di avere due prodotti diversi, è così possibile sfruttare le fluttuazioni dei loro prezzi di vendita e massimizzare i ricavi. Per tale impianto degli scenari dove è risultato più profitevole sono stati trovati.