Optimization and implementation of a syngas engine in a bio-hydrogen production plant

This work focuses on the study and optimization of a syngas powered engine and its subsequent implementation within a bio-hydrogen production plant. The primary objective is to demonstrate the efficacy of syngas as an alternative fuel for internal combustion engines, simultaneously highlighting the limitations and advantages associated with its combustion. Additionally, the aim is to assess the potential of the engine within the plant as a backup system for electricity production. The thesis is divided into three main sections: the first provides an analysis of the characteristics of the syngas under investigation. This gaseous mixture, derived from the hydrogen production process, is predominantly composed of H2 and CO. Furthermore, the results of previous studies examining the performance of syngas in various combustion systems are presented. The second section delineates the methodology utilized to determine the laminar flame speed. Subsequently, the examined engine is introduced, a CNG engine sourced from the engine group database at Politecnico of Milan. The modifications made to optimize performance with the new fuel are detailed, and simulation results obtained through the GASDYN software are presented, comparing them with those obtained using natural gas. In the final part of the thesis, the new bio-hydrogen production plant is introduced, which involves the installation of two engines powered by syngas and biogas, along with a heat pump. An economic analysis, conducted using the GAMS software, evaluates the plant's operation considering current values and forecasts for 2030 regarding the CAPEX and OPEX of the components. Various simulations are performed, focusing on the installed components' capacity, total CAPEX, and hydrogen production costs, varying the system's flexibility and the amount of self-generated energy from renewable sources. The work concludes with future development prospects, exploring potential improvements both on the engine side, by evaluating modifications to the injection and combustion system, and on the plant side, by considering alternative configurations of the system and the possibility of relocation.

La presente tesi si dedica allo studio e l’ottimizzazione di un motore con alimentazione a syngas e la sua seguente implementazione all’interno di un impianto di produzione di bio-idrogeno. L’obiettivo primario è quello di dimostrare l’efficacia del syngas come combustibile alternativo per i motori a combustione interna, evidenziando simultaneamente i limiti e i vantaggi legati alla sua combustione. Inoltre, si mira a valutare il potenziale del motore all'interno dell'impianto come sistema di backup per la produzione di elettricità. La tesi si articola in tre sezioni principali: la prima offre un'analisi delle caratteristiche del syngas oggetto dello studio. Questa miscela gassosa, derivante dal processo di produzione di idrogeno, è prevalentemente composta da H2 e CO. Vengono, inoltre presentati i risultati di studi precedenti che hanno esaminato le performance del syngas in vari sistemi di combustione. La seconda sezione delinea il processo messo in atto per determinare la velocità laminare di fiamma. Successivamente, si introduce il motore oggetto di analisi, un motore CNG presente nel database del gruppo motori del Politecnico di Milano. Vengono dettagliate le modifiche apportate per ottimizzare le prestazioni con il nuovo combustibile e sono presentati i risultati delle simulazioni, ricavate tramite il software GASDYN, in confronto con quelli ottenuti utilizzando il gas naturale. Nell'ultima parte della tesi, viene presentato il nuovo impianto di produzione di bio-idrogeno che prevede l'installazione di due motori alimentati rispettivamente a syngas e biogas, insieme a una pompa di calore. Un’analisi economica, condotta mediante il software GAMS, valuta il funzionamento dell'impianto considerando i valori attuali e le previsioni per il 2030 relativi a CAPEX e OPEX degli elementi presenti. Vengono eseguite diverse simulazioni, focalizzandosi sulla capacità dei componenti installati, sui CAPEX totali e sui costi di produzione dell'idrogeno, variando la flessibilità del sistema e la quantità di energia autoprodotta da fonti rinnovabili. La tesi si conclude con le prospettive di sviluppo futuro, esplorando potenziali miglioramenti sia sul lato motore, valutando modifiche al sistema di iniezione e combustione, sia sul fronte impiantistico, considerando configurazioni alternative del sistema e la possibilità di una sua rilocazione.