Electrification of Gasification Reactors for Biomass-to-Methanol Plants: Techno-Economic Analysis

This Thesis Work is carried out in the context of Biomass-To-Liquids processes and deals with the design, simulation and technical-economic analysis of systems for the conversion of biomass into methanol through gasification. Two state-of-the-art alternative paradigms for gasification are considered: reactor heating can be performed directly, with an oxygen stream entering the gasifier and oxidizing part of the biomass, or indirectly, where a burner fed with part of the available biomass provides thermal load. The resulting biomass consumption permits to avoid the use of a fossil fuel; nevertheless, in this way process carbon efficiency is reduced. This research study considers gasifier electrification, achieved by inserting resistive elements inside the gasification reactors, as an alternative to satisfy the requested thermal load. Following signal prices of the national electric grid, gasifiers, once equipped with the electric resistors, can operate alternately with the traditional operation, by means of biomass oxidation, or in full electric mode, through Joule effect. Electric resistance mode permits to save biomass, allows to obtain an extra product of biochar and raises Power-to-Methanol and Carbon efficiencies of the process. Electrified configurations are modelled and simulated with Aspen Plus® software; from the obtained results, the influence of the resistances on plant performances is estimated through the comparison of Key Performance Indicators. The creation of hybrid mode maps allows through a differential economic analysis to verify whether this alternative can be competitive and under which conditions. Ultimately the adoption of PV solar field and Li-ion battery to satisfy electricity load is simulated: in this way the plant can reach partial grid independence and hedge against price fluctuations.

Il presente lavoro di Tesi è svolto nell’ambito dei processi Biomass-to-Liquids e riguarda la progettazione, la simulazione e l’analisi tecno-economica di sistemi per la conversione di biomassa in metanolo per mezzo della gassificazione. Due paradigmi alternativi per la gassificazione sono considerati: il riscaldamento del reattore può infatti essere eseguito direttamente, grazie ad una combustione interna al gassificatore mediante l’uso di un ossidante (Aria/Ossigeno), o indirettamente, dove un bruciatore alimentato con parte della biomassa fornisce la potenza termica necessaria. Se da un lato il consumo di biomassa per il riscaldamento dei reattori consente di evitare l'uso di un combustibile fossile, dall’altro la Carbon Efficiency del processo ne risulta penalizzata. Il seguente studio di ricerca considera l'elettrificazione del gassificatore, ottenuta inserendo elementi resistivi all'interno dei reattori, come alternativa per soddisfare il carico termico richiesto. Seguendo l’andamento di prezzo della rete elettrica nazionale, è possibile soddisfare il carico termico dei gassificatori alternativamente con il sistema tradizionale, ossidando parte della biomassa disponibile, o attraverso le resistenze elettriche per effetto Joule. In questo modo si ottiene un risparmio della biomassa, un extra prodotto, il biochar, e si innalzano le efficienze Power-to-Methanol e di Carbonio. Le configurazioni elettrificate sono modellate e simulate con il software Aspen Plus®; l'influenza delle resistenze sulle prestazioni dell'impianto è stimata attraverso il confronto dei KPIs. La creazione di mappe di funzionamento ibrido permette attraverso un'analisi economica differenziale di verificare se questa alternativa può essere competitiva e a quali condizioni. Inoltre, per rendere l’impianto parzialmente autonomo dalla rete elettrica, viene simulata anche l’adozione di un campo solare con uno stoccaggio di energia variabile per mezzo di batterie a ioni di litio.