Dynamic modeling of complex energy systems

This thesis is the result of my research experiences on physically based dynamic modeling of energy systems. In this framework, I focused on two different research fields: 1) the analysis of the dynamic behavior of waste combustion in grate furnaces and 2) the dynamic modeling of an absorption packed column for CO2 removal from syngas streams. As far as the first topic, I developed a one-dimensional model to simulate the dynamic evolution over time of waste or biomass combustion in packed beds, which was validated against experimental data published in literature. The obtained model was, then, adapted and extended in order to predict the behavior of waste combustion in a real grate furnace. Thanks to the collaboration with the society that manages the WTE plant of Piacenza, Tecnoborgo Spa, the developed simulator was tested in relation to a real operating plant. In particular, the model was used to analyze how vary the temperature in the fuel bed, for different modes of primary air distribution along the grate. The latter topic instead stems from my involvement in the “CO2 Catch-up” research project, a R&D program carried out by the Vattenfall energy company to demonstrate the technical reliability of carbon capture technology into IGCC plants. The technological option considered to separate CO2 from the syngas is physical absorption, specifically the Selexol process. One of the main objectives of the research activity was the development of modeling tools to perform the dynamic simulation of a CO2 capture plant. In this framework, my project task consisted into modeling the dynamic behavior of the absorption column of the pilot plant that Vattenfall put into operation at the Buggenum IGCC power station in order to support the research.

Questa tesi è il risultato della mia ricerca nella modellazione dinamica di sistemi di energia tramite modelli di primo principio. In particolare, ho avuto la possibilità di studiare 1) la combustione di biomassa/rifiuti in forni a griglia e 2) la modellazione dinamica di una colonna di assorbimento di CO2. Per quanto riguarda la prima tematica ho sviluppato un modello monodimensionale che ricostruisce l’andamento nel tempo della combustione di biomassa\rifiuto in letti stazionari. Successivamente tale modello è stato, in primo luogo, validato con dati sperimentali di reattori di tipo batch pubblicati in letteratura, e in secondo luogo, è stato adattato e ulteriormente sviluppato per analizzare il comportamento della combustione del rifiuto in un forno a griglia di scala industriale in funzione della ripartizione dell’aria sottogriglia. Questa parte dell’attività ha potuto avvalersi dei dati messi a disposizione dalla società che gestisce il termovalorizzatore di Piacenza. L’altra tematica svolta si inserisce invece nel quadro del progetto di ricerca “CO2 Catch-up”, che mira a dimostrare la fattibilità tecnica della cattura di CO2 in impianti IGCC tramite processo Selexol. Uno dei principali obiettivi della ricerca ha riguardato la modellazione dinamica dell’isola di cattura dell’impianto pilota che il partner industriale del progetto, Vattenfall AB ha realizzato presso la centrale IGCC di Buggenum (NL). Nella tesi viene approfondita la modellazione della colonna di assorbimento di tale impianto.