Techno-economic analysis of a solar-driven biomass gasification process for negative-emission methanol production

In order to act on climate change, to safeguard the environment and to decrease its dependence on fossil fuels, the European Union has adopted a new Renewable Energy Directive (RED III) which fosters the consumption of low environmental impact renewable energy sources. Increasing sustainable and advanced biomass energy use is one of the main suggested path to reach these goals. Of interest is gasification, a process that, other than coal, can convert lower quality feedstock into syngas suitable for fuel synthesis. With these objectives in mind, this Thesis work evaluates an innovative solar-integrated biomass gasification process for the production of methanol. Bio-char was separated and sold as a by-product, leading to negative emissions. The solar heat is delivered to the gasifier by means of the particle heat carrier, which is heated by a falling particle receiver. The plant was modeled and studied at various gasification temperatures and solar receiver outlet temperatures. A techno-economic analysis based on the Levelized Cost of Fuel parameter (for syngas and methanol) was conducted to determine the optimal configuration. The solar-integrated configuration was found to be better performing than the conventional gasification one. The optimal configuration was found at a gasification temperature equal to 600°C, a receiver outlet temperature equal to 750°C and a solar multiple equal to 5. Low gasification temperatures ensure a smaller size of the plant and a higher amount of produced bio-char, while high receiver outlet temperatures result in lower mass flow rate of particle heat carrier, thus reducing costs. The Levelized Cost of Methanol for this configuration is equal to 28.3 euro/GJ, a value comparable to the methanol market price as of December 2024.

Con l'intento di affrontare il cambiamento climatico, salvaguardare l'ambiente e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, l'Unione Europea ha adottato una nuova Direttiva sulle Energie Rinnovabili (RED III) che promuove il consumo di fonti di energia rinnovabile a basso impatto ambientale. Aumentare l'uso sostenibile e avanzato di biomassa è uno dei principali percorsi suggeriti per raggiungere questi traguardi. Di particolare interesse è la gassificazione, un processo che, oltre al carbone, può convertire input di qualità minore in syngas adatto per la sintesi di combustibili. Alla luce di tali obiettivi, questo lavoro di tesi valuta un innovativo processo di gassificazione della biomassa integrato con energia solare per la produzione di metanolo. Il bio-char è separato e venduto come sottoprodotto, portando a emissioni negative. Il calore solare è trasferito al gassificatore tramite particelle, che vengono riscaldate da un ricevitore a particelle solide. L'impianto è stato modellato e studiato a diverse temperature di gassificazione e temperature di uscita dal ricevitore solare. È stata condotta un'analisi tecno-economica basata sul parametro Levelized Cost of Fuel (per syngas e metanolo) per determinare la configurazione ottimale. La configurazione integrata con energia solare si è rivelata più performante rispetto a quella di gassificazione convenzionale. La configurazione ottimale è stata trovata a una temperatura di gassificazione di 600°C, una temperatura di uscita del ricevitore di 750°C e un multiplo solare pari a 5. Le basse temperature di gassificazione garantiscono una dimensione ridotta dell'impianto e una maggiore quantità di bio-char prodotto, mentre alte temperature di uscita del ricevitore portano a una minore portata di particelle, riducendo così i costi. Il Levelized Cost of Methanol per questa configurazione è pari a 28.3 euro/GJ, un valore comparabile al prezzo di mercato del metanolo relativo a dicembre 2024.