Techno-economic assessment of a solar-driven pyrolysis process using molten salts solar tower technology

In the context of energy transition, biofuels are expected to play a crucial role in replacing fossil fuels, especially in sectors where electrification is challenging (i.e. transport sector and in particular long-distance one). In this scenario, one of the promising solutions is the pyrolysis process, which can convert various carbonaceous biomasses into bio-oil, which can then be refined further to produce biofuels. To date, existing plants burn by-products (i.e. biochar and pyrolysis gas) to meet the energy demand of the endothermic pyrolysis process, producing CO2 emissions and losing products that can be sold on the market. The purpose of this study is to investigate the techno-economic feasibility of a new plant configuration, in which the required heat is supplied by a concentrating solar tower (CST) system using solar salts as heat transfer fluid. The novelty of this work is represented by coupling CST plant with pyrolysis reactor through the addition of a shell-and-tube heat exchanger within it, to exploit the thermal power of hot solar salts flowing into it. The plant can work in two ways: using only the solar thermal energy produced (CSP based case) or in a hybrid way, i.e. burning the by-products of the process during the hours when the solar plant is not working. An annual performance analysis was then conducted varying the solar field size for solar multiples from 1 to 9, to determine the annual production of bio-oil and by-products, and then a techno-economic analysis was carried out to determine the minimum selling price of bio-oil that guarantees a zero net present value (NPV). The lowest selling price is obtained for the hybrid plant, with a value of 20.3 €/GJ (0.319 €/kg), while the conventional plant has the highest value of 27.53 €/GJ (0.433 €/kg). The hybrid configuration is the most cost-effective since it allows a higher number of operating hours than solar-only case, enabling a smaller solar field and an earlier payback of the capital expenditure. The solar-only plant has an intermediate optimum selling price compared to the previous cases, at 23.4 €/GJ (0.366 €/kg) but has the advantage of having the lowest environmental impact. Finally, from the sensitivity analysis conducted, the price of bio-oil is strongly influenced by the investment cost of the pyrolizer, which represents a big fraction of the total costs of the pyrolysis plant, and by the annual solar plant availability, since it determines the quantity of bio-oil produced and saved biochar.

Nell’ambito della transizione energetica, si prevede che i biocombustibili giocheranno un ruolo cruciale nella sostituzione dei combustibili fossili, soprattutto nei settori in cui l'elettrificazione è difficile (ad esempio, il settore dei trasporti e in particolare quello a lunga distanza). In questo scenario, una delle soluzioni promettenti è il processo di pirolisi, che può convertire varie biomasse carboniose in bio-olio, che può poi essere ulteriormente raffinato per produrre biocarburanti. Ad oggi, gli impianti esistenti bruciano i co-prodotti del processo (biochar e gas di pirolisi) per soddisfare la domanda energetica delle reazioni endotermiche di pirolisi, producendo emissioni di CO2 e perdendo prodotti che possono essere venduti sul mercato. Lo scopo di questo studio è di investigare la fattibilità tecno-economica di un nuovo impianto, in cui il calore richiesto è fornito da un sistema a torre solare a concentrazione (CST) che utilizza i sali solari come fluido termovettore. La novità di questo lavoro è rappresentata dall'accoppiamento dell'impianto CST con il reattore di pirolisi attraverso l'aggiunta di uno scambiatore di calore a fascio tubiero al suo interno, per sfruttare la potenza termica dei sali solari caldi che fluiscono al suo interno. L'impianto può lavorare in due modi: utilizzando solo l'energia solare termica prodotta o in modo ibrido, cioè bruciando i co-prodotti del processo durante le ore in cui l'impianto solare non funziona. È stata quindi condotta un'analisi delle prestazioni annuali variando le dimensioni del campo solare per multipli solari da 1 a 9, per determinare la produzione annuale di bio-olio e dei co-prodotti, e poi un'analisi tecno-economica per determinare il prezzo minimo di vendita del bio-olio che garantisce un valore attuale netto (NPV) pari a zero. Il prezzo di vendita più basso si ottiene per l'impianto ibrido, con un valore di 20,3 €/GJ (0,319 €/kg), mentre l'impianto convenzionale ha il valore più alto di 27,53 €/GJ (0,433 €/kg). La configurazione ibrida è la più conveniente in quanto consente un numero maggiore di ore di funzionamento rispetto al caso sola-only, permettendo di avere un campo solare più piccolo e un recupero anticipato del capitale speso. L'impianto solo solare ha invece un prezzo di vendita ottimale intermedio rispetto ai casi precedenti, pari a 23,4 €/GJ (0,366 €/kg), ma ha il vantaggio di avere il minore impatto ambientale. Infine, dall'analisi di sensibilità condotta, il prezzo del bio-olio è fortemente influenzato dal costo di investimento del pirolizzatore, che rappresenta una grande frazione dei costi totali dell'impianto di pirolisi, e dalla disponibilità annuale dell'impianto solare, poiché determina la quantità di bio-olio prodotto e di biochar risparmiato.