Modellazione e valutazione energetica di due tecnologie per la conversione di biomassa in energia elettrica e calore

Describing how, as from biomass it would be possible to obtain electric power and heat using two different kind of technologies is the main objective of this thesis. The two technologies considered are:  A bubbling fluidized bed gasifier, coupled with an innovative externally fired micro gas turbine cycle;  A furnace, coupled with the same thermodynamic cycle above. In addition to biomass, these plants have an auxiliary natural gas supply for the gas turbine burner. Both these plants have been simulated via the GS software, according to working conditions found in many articles examined, and then has been managed a global energetic analysis for the two solutions. The results obtained bring out the fact that the performances of the two plants are very similar, even if for the combustion one a greater efficiency has been obtained than the gasifier one. Particularly, comparing the results for the two cycles come out that the gasifier plant produces 100,95 kWel with a net electrical efficiency of 20,6 % and a first law efficiency of 49,5 %; the combustion plant produces 99,75 kWel with a net electrical efficiency of 23,5 % and a first law efficiency of 61,05 %. On the other hand, if we look at the share of the energetic inputs (i.e. biomass and natural gas), emerges that the gasification plant has a greater amount of energy entering as biomass, than the combustion plant, and this underline how the gasification is a more green technology. Particularly, while the ratio between bio- energy and natural gas energy for the gasification plant is 9 / 1, for the combustion plant this ratio is 1,2 / 1.

Il presente lavoro di tesi ha l’obiettivo di descrivere come, dalla biomassa, sia possibile ottenere energia elettrica e calore impiegando due diverse tecnologie:  La prima impiega un gassificatore a letto fluido bollente, accoppiato ad un innovativo ciclo con microturbina a gas a combustione esterna;  La seconda prevede invece l’uso di una fornace, accoppiata allo stesso ciclo termodinamico di cui al punto precedente. Oltre che essere alimentati a biomassa, entrambi questi impianti presentano poi un’alimentazione ausiliaria di gas naturale per il bruciatore che assiste la turbina a gas. Per entrambe queste tecnologie, sono state riprodotte le condizioni di funzionamento reperite da alcuni articoli di letteratura presi come riferimento, grazie all’impiego del software di calcolo GS, ed è stata poi effettuata un’analisi energetica globale. Dai risultati ottenuti, è emerso che le prestazioni dei due impianti sono molto simili, anche se l’impianto con fornace presenta dei rendimenti (di primo principio ed elettrico netto) un po’ superiori rispetto a quello con gassificatore. In particolare, confrontando i risultati delle prestazioni dei due cicli, è emerso che l’impianto con gassificatore produce 100,95 kWel raggiungendo un rendimento elettrico netto del 20,60 % e un rendimento di primo principio del 49,50 %; l’impianto con fornace produce invece 99,75 kWel con un rendimento elettrico netto del 23,50 % e un rendimento di primo principio del 61,05 %. Esaminando però la ripartizione degli input energetici (biomassa e gas naturale), è scaturito che la soluzione con gassificatore presenta una maggiore percentuale entrante con la biomassa rispetto a quanto non accada per l’impianto con fornace, la qual cosa la rende di fatto la scelta da preferire in un’ottica di riduzione dell’impiego di fonti energetiche fossili. Nel caso specifico, mentre per l’impianto con gassificatore il rapporto tra la potenza entrante con la biomassa e quella col gas naturale è risultato pari a 9 a 1, nel caso della fornace questo valore vale 1,2 a 1.