The technical and economic feasibility of Cynara cardunculus L. gasification

This PhD Thesis analyses the technical and economic feasibility of the gasification of one of the most promising energy crops in terms of biomass yield and plantation costs: Cynara cardunculus L. (cynara). The aim of this analysis is to assess the bioenergy production via fluidized bed gasification (FBG) and the ulterior treatment of the synthesis gas (syngas) produced in the FBG reactor to adequate it to end-use applications such as gas turbines and internal combustion engines. To achieve this objective, this thesis proposes a formulation model approach for evaluating the electricity generation costs (Chapter 2), the reactor performance (Chapter 3) and the syngas conditioning efficiency (Chapter 4). For this purpose, the Autonomous Community of Madrid (CAM) has been taken as study case. The analysis estimates that the cynara has the potential to provide 1708 GWh yr-1, that is, around 42% of national biomass-based electricity supply and exceeds 72% of total renewable-based electricity supply in CAM. Therefore, the implementation of cynara projects could help reducing the total energy consumption of CAM by 0.05%, what would suppose to avoid up to 66% of CO2 emissions from fossil fuels. The economic assessment performed in the present work evaluates the use of two thermochemical technologies for cynara conversion into electricity to be used for different applications or sold to the national grid. The technological solutions considered are: a Combined Cycle Gas Turbine (CCGT) plant and an Internal Combustion Engine (ICE) power generator. The CCGT solution was studied for an installed capacity range of 5-30 MW, while the ICE solution was analysed for a range of 1-30 MW. A sensitivity analysis was conducted to examine the effects of variables such as biomass yield, discount rate, transport cost, operation and maintenance. For a cynara yield of 17 t/ha in an 8 MW plant as base case, the economic analysis estimates a production costs of 21.60 c€/kWh and 24.32 c€/kW for the CCGT and ICE solutions, respectively. Accordingly, CCGT plants are the best choice for a plant size above 8 MW, while ICE plants constitute the most suitable technology below 8 MW. With regards to the discount rate, the results show that for the same base case (8 MW), for a discount rate of 10% the cost of electricity is estimated to be 16.69 c€/kWh for CCGT plants and 19.08 c€/kWh for ICE plants. On the contrary, the use of the lowest discount rate (1%) yields a cost of electricity of 12.70 and 15.13 c€/kWh for CCGT and ICE solutions, respectively. Concerning to the total capital investment, it grows with the plant size, representing up to 93 and 92% of the total CCGT and ICE plant cost, respectively. Such percentages correspond to 42.17M€ and 41.46 M€ for a CCGT and ICE plant for a base case of 8 MW. Nevertheless, the ICE plants show a stronger economy of scale in energy production than the CCGT solution. In addition to this, the total operating costs for an 8 MW CCGT scenario is estimated to be 2.94 M€ and around 3.65 M€ for an ICE plant. In relation to the thermochemical conversion route of cynara, the gasification of biomass in a FB reactor has been modelled to analyse such process for Cynara cardunculus L. taking into consideration the particular biomass behavior. It is well known that the FB reactor thermal state and the biomass volatiles generation are crucial in its operation and performance. Hence, the bubble flow pattern controls the FB temperature profile driving devolatilization and tars cracking kinetics. This underlies in the fact that alkali compounds of biomass fuels, which are featured by a low melting point, can transform into vapours and ash fly that are prone to deposit on heat surfaces in boilers and/or react with the particles of the inert bed material inside the FB. Thus, the formation of agglomerates (the so-called bed agglomeration) would start and then, the defluidization of FB leading to the shut-down of the FBG reactor. Therefore, a modelling approach focused on the bubble phase, which can act as “bypassing” hot spots inside the FB region influencing on ash-related problems, can help to monitor the location of ash sintering and bed agglomeration risk regions and predict undesired FBG reactor performance. A new formulation for biomass FBG reactor modelling that considers the instantaneous devolatilization and temperature peaks due to volatiles combustion inside the FB region is proposed in the present work. A bubble phase and a FB energy balance are used to monitor the gradual release of biomass volatiles along the FB and to check the performance of the FBG reactor. The one-dimensional, steady-state proposed model uses a two-phase (bubble and emulsion) and two zone (bottom dense bed and upper freeboard) modelling approach to account for the complex nature of FBG reactor dynamics. Furthermore, no catalytic effects of ash composition from biomass are taken into consideration. For further validation and tuning up of the model proposed, a sensitivity analysis of cynara gasification in FB, under bubbling regime, was performed considering the specification design of the pilot-plant scale FBG reactor in the Thermal and Fluid Engineering Department facilities at Carlos III University of Madrid. The simulation campaign yields a syngas composition (on dry basis) of 4.79-14.84% for CO, 19.77- 21.35% for CO2, 6.11-15.00% for H2 and 2.16-5.73% for CH4. Besides, the lower heating value and tar content of the syngas fall in the range of 2.25-6.25MJ/Nm3 and 60-180g/Nm3, respectively. These results correspond to a syngas-biomass flows ratio in the range of 1.309-2.392Nm3/kg, accounting for N2 in the raw syngas produced. The analysis of the results in comparison with previous experiments stands out: 1) the good predictive capability of the model proposed and 2) the discrepancies between simulations and experimental works are attributable to the data heterogeneity found in the literature, that is, different biomass compositions, operating conditions, (catalytic) bed material used, sampling methods for syngas and tar compositions, etc. Hence, further experimental research would help improving the predictive capability of the proposed model. Finally, the conditioning of the syngas produced from the FBG reactor is needed in order to achieve end-use requirements in ICE and gas turbines (GT) plants, since the lack or inefficiency of syngas clean-up could lead to operational problems in downstream equipment and then, unscheduled shut-down and extra maintenance and repair costs. For example, particulate material can cause clogging and fouling, while tars can condensate producing blockage and attrition in filters, exit pipes, heat exchangers, etc. Furthermore, the syngas treatment to reduce its pollutants would influence the performance, investment and operational costs of the gas cleaning devices. Nowadays, gas cleaning systems are aimed to reduce particulate and tars material levels below the allowable concentrations (mg/Nm3) for ICE and GT devices: 50-50 and 30-5, respectively. Thus, as a part of the present thesis, the modelling and analysis of a moving bed heat exchange filter (MBHEF) is proposed as hot gas clean-up equipment. The MBHEF stands out because its benefits: high temperature operation (700-800ºC the exhaust gas temperature from the FB reactor), no-clogging and non-pressure increase during operation, which can lead to unscheduled shut-down if using other typical hot gas cleaning devices such as ceramic filters, bag filters. Additionally, the MBHEF would provide a high contact area between gas and solids without entrainment nor elutriation of solids. This compact size equipment would allow saving costs. Eventually, the MBHEF solution for hot gas cleaning would also avoid extra costs derived from the reactor design modification and the use of additives/catalysts in order to remove tars. It is presented a modelling approach for simulating tars and particulate removal in a MBHEF. The two-dimension, adiabatic, steady-state proposed model accounts for twophase (gas and solid) and neglects conduction and mass diffusion. Tars condensation is modelled through representative tar class lumps: phenol (class 2), naphthalene (class 4), and pyrene (class 5) according to the literature. The model also considers tar concentration influence on tar dew point, while the filtration model is taken from literature. Furthermore, an exergy study was conducted in order to optimise the equipment size and help the choice of the less expensive operating conditions. A sensitivity analysis was performed varying the particle size and superficial gas velocity as key operating parameters. To accomplish this, a syngas composition from experiments reported in the literature has been taken as study case. Thus, maps of temperature, tars abatement and particulate removal efficiencies are presented, which show the MBHEF performance for reducing impurities content. The simulation results indicate the feasibility of use a MBHEF as tars removal equipment benefiting its advantages against other gas-cleaning methods with acceptable pollutant removal efficiencies, ranging 88-94%. As observed, the MBHEF yields efficiencies, at least, the same order of magnitude of the ones attainable with the use of catalytic crackers, venture scrubbers or sand filter at much lower temperatures and higher than the ones achieved by means of wash towers, wet electrostatic precipitators, fabric filters and fixed bed absorbers. In case of not reaching the reduction level for each end-use application, the MBHEF device can be used as effective secondary removal method for eliminating tars from the syngas, with the advantages stated above as opposed the rest of removal technologies. Results also point out that low gas velocities (0.5-1m/s) and high particle size (400- 700μm) for saving costs are the most suitable operating conditions. Nevertheless, the exergy optimization involves low or very low tar removal efficiency so that the pollutant reduction and exergy cannot be optimised simultaneously. The technical and economic feasibility of Cynara cardunculus L. via fluidized bed gasification carried out in the present PhD thesis has shown the cynara as a promising energy crop to meet energy demands in Mediterranean climate locations such the CAM (study case here). Besides, the modelling approach proposed for predicting the FBG reactors performance has been shown as a useful tool to help other diagnosis methods for the prevention of bed agglomeration and ash sintering in order to avoid operational problems and unscheduled shut-down of FBG reactors. Finally, the use MBHEF as hot gas clean-up method has been analysed by means of a modelling approach presented here. This study points out that the MBHEF is very effective equipment for removing particulate and tars from the syngas produced in FBG reactors. Thus, downstream tarsrelated problems such as fouling, blockage and attrition could be avoided. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La presente tesis doctoral analiza la viabilidad técnica y económica de la gasificación de Cynara cardunculus L. (cynara). El objetivo de este análisis es evaluar la producción de bioenergía por medio de la gasificación en reactores de lecho fluidizado y el posterior tratamiento del gas de síntesis (syngas) producido en dichos reactores para adecuar el syngas a las posibles aplicaciones como turbinas de gas y motores internos de combustión. Para lograr este objetivo, esta tesis propone la formulación de sendos modelos para evaluar los costes de generación de electricidad (Capítulo 2), el rendimiento del reactor (Capítulo 3) y la eficiencia de la depuración del syngas (Capítulo 4). Con este propósito, se ha considerado la Comunidad Autónoma de Madrid (CAM) como caso base de estudio. El análisis realizado estima que la cynara tiene el potencial de proveer 1708 GWh al año, es decir, alrededor del 42% del suministro eléctrico nacional basado en biomasa excediendo en un 72% el suministro total de la electricidad procedente de la biomasa en la CAM. De este modo, la implementación de proyectos que utilicen la cynara como combustible podrían ayudar a reducir el consumo de energía de la CAM en un 0.05%, lo que supondría evitar hasta el 66% de las emisiones de CO2 procedentes de la combustión de combustibles fósiles. La evaluación económica llevada a cabo en el presente trabajo estudia el uso de dos tecnologías termoquímicas para la conversión de cynara en electricidad destinada a diferentes aplicaciones o a ser vendida a la red nacional. Dichas soluciones tecnológicas consideradas son: plantas de Turbinas de Gas en Ciclo Combinado (CCGT) y generadores de potencia en Motores de Combustión Interna (ICE). La solución CCGT ha sido estudiada para un rango de capacidades instaladas de 5-30 MW, mientras que la tecnología ICE ha sido analizada para un rango de 1-30 MW. Así pues, se realizó un análisis de sensibilidad para examinar los efectos de variables tales como la producción de biomasa, tasa de retorno del proyecto, costes de transporte y operación y mantenimiento de las plantas. Para rendimientos de producción de cynara del orden de 17 t/ha considerando un planta de 8 MW como caso base de estudio, el análisis económico estima unos costes de producción de 21,60 c€/kWh y 24,32 c€/kW para las soluciones CCGT e ICE, respectivamente. Por tanto, las plantas CCGT son la mejor elección para tamaños de planta por encima de los 8 MW, mientras que las plantas ICE constituyen la tecnología más acorde por debajo de los 8 MW de tamaño de planta. Con respecto a la tasa de retorno, los resultados muestran que para el mismo caso base de estudio considerado (8 MW), tasas de retorno del 10% suponen un coste de electricidad estimado en 16,69 c€/kWh para plantas CCGT y de 19,08 c€/kWh para plantas ICE. Por el contrario, el empleo de tasas de retorno bajas (1%) dan un coste de electricidad de 12,70 y 15,13 c€/kWh para las opciones tecnológicas CCGT e ICE, respectivamente. Sobre la inversión total de capital, ésta crece con el tamaño de planta representando hasta el 93 y 92% del total de las plantas CCGT e ICE, respectivamente. A tener en cuenta que estos porcentajes corresponden a 42,17M€ y 41,46 M€ respectivamente para el caso base de 8 MW. Sin embargo, las plantas ICE muestran una mayor economía de escala en términos de producción de energía. Además, los costes totales de operación para el mismo escenario de una planta CCGT se estimó en 2,94 M€ y alrededor de 3,65 M€ para una planta ICE. En relación a las rutas termoquímicas de conversión de cynara, la gasificación de biomasa en un lecho fluidizado ha sido modelado para analizar dicho proceso para Cynara cardunculus L. considerando el comportamiento característico de la biomasa. Se conoce muy bien que el estado térmico del lecho fluidizado y la generación de volátiles de la biomasa son cruciales en su operación y rendimiento. De hecho, el patrón de flujo de la fase burbuja controla el perfil de temperatura del lecho fluidizado que determina la devolatilización y las reacciones de craqueo de tars. Esto subyace en el hecho de que los compuestos alcalinos, caracterizados por un bajo punto de fusión, pueden transformarse en vapores y la llamada ceniza volante propensos a depositarse sobre las superficies de los combustores y/o reaccionar con las partículas del material inerte del lecho. De esta manera, la formación de aglomerados (precursores de la aglomeración del lecho) empezaría y así, la defluidización del lecho que llevaría a la parada del reactor. En consecuencia, una aproximación de modelado enfocada en la fase burbuja, que puede actuar como puntos calientes de “by-pass” influyendo los problemas derivados de las cenizas, puede ayudar a monitorizar la localización de regiones con riesgo de sinterización de ceniza y aglomeración de lecho y predecir funcionamientos indeseados de los reactores de lecho fluidizado. En el presente trabajo se propone una nueva formulación para el modelado de reactores de gasificación de biomasa en lecho fluidizado considerando la devolatilización instantánea y picos de temperatura por la combustión de volátiles dentro del lecho. La fase burbuja y el balance de energía del lecho fluidizado se emplean para seguir la liberación gradual de volátiles de la biomasa a lo largo del lecho y comprobar el rendimiento del reactor de lecho fluidizado. La aproximación de modelado unidimensional y estacionario que se plantea usa un modelo de dos fases (burbuja y emulsión) con dos zonas (región densa del lecho y freeboard) para explicar la naturaleza compleja de la dinámica del reactor de lecho fluidizado. Por simplificación, no se consideran los efectos catalíticos de la fracción de ceniza de la biomasa. Para la futura validación, ajuste y puesta a punto del modelo propuesto, se ha realizado un análisis de sensibilidad de la gasificación de cynara en lecho fluidizado, dentro del régimen burbujeante, y considerando las especificaciones de diseño de la planta piloto a escala del reactor de lecho fluidizado del Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos en la Universidad Carlos III de Madrid. La campaña de simulación ha arrojado una composición de syngas (en base seca) de 4,79-14,84% para CO, 19,77-21,35% para CO2, 6,11-15,00% para H2 and 2,16-5,73% para CH4. Además, el poder calorífico inferior y contenido de tars del gas de síntesis caen en el rango de 2,25-6,25MJ/Nm3 y 60-180g/Nm3, respectivamente. Estos resultados corresponden a una relación de gastos másicos de biomasa y caudal de syngas generado de 1,309- 2,392Nm3/kg, incluyendo N2. El análisis de los resultados en comparación con la experimentación previa destaca: 1) la buena capacidad predictiva del modelo propuesto y 2) las discrepancias entre las simulaciones y los trabajos experimentales son atribuibles a la heterogeneidad de datos encontrados en la literatura, como por ejemplo, las diferentes composiciones de biomasa, condiciones de operación, material de lecho (catalítico) empleado, métodos de muestreo de gas y de tars, etc. Por lo tanto, investigación experimental adicional ayudaría a mejorar la capacidad predictiva del modelo propuesto. Por último, se necesita el acondicionamiento del gas de síntesis producido en el reactor de lecho fluidizado para lograr las especificaciones de las plantas que operan con motores de combustión interna y turbinas de gas. De lo contrario, la carencia o ineficiencia de la limpieza del gas de síntesis podría conllevar a problemas operacionales in los equipos posteriores y entonces, paradas no planificadas con los costes extra de mantenimiento y reparación. Por ejemplo, las partículas finas arrastradas pueden ocasionar obstrucción y contaminación, mientras que los tars pueden condensar produciendo el taponamiento y atrición en filtros, conductos, intercambiadores de calor, etc. Además, el tratamiento del gas de síntesis para reducir las sustancias contaminantes que pudiera tener influiría en el rendimiento y los costes operacionales y de inversión de los equipos de limpieza de gas. Actualmente, los sistemas de depuración de gases tienen el objetivo de reducir los niveles en partículas y tars por debajo de las concentraciones admisibles (mg/Nm3) para los motores de combustión interna y turbinas de gas: 50-50 y 30-5, respectivamente. De este modo, como parte de la tesis, se propone el modelado y análisis de un filtrointercambiador de calor en lecho móvil (MBHEF) como equipo de limpieza del gas de síntesis. El filtro-intercambiador de calor en lecho móvil destaca por sus beneficios: operación a alta temperatura (700-800ºC, la temperatura de salida del reactor del gas de síntesis), sin obstrucción ni incremento de la presión durante su operación, que podría llevar a parar el proceso si se usaran otros métodos de depuración del syngas como filtros cerámicos, bolsas de filtro, etc. Además, dicho filtro en lecho móvil otorgaría una alta superficie de contacto entre el gas a tratar y el lecho sin arrastre ni elutriación de sólidos. Así, este tamaño compacto del equipo permitiría ahorrar costes. Finalmente, dicho equipo también evitaría costes adicionales derivados de las modificaciones del diseño del reactor de lecho fluidizado así como el empleo de aditivos y otros materiales catalíticos para eliminar y reducir el contenido de tars en el gas. Por ello, se plantea una aproximación de modelado para simular la eliminación de partículas y tars en un filtro-intercambiador de calor en lecho móvil. El modelo bidimensional, adiabático y estacionario que se propone considera dos fases (gas y sólido) e ignora la conductividad térmica y difusión de materia. Respecto a los tars, su condensación se modela a través de la elección de compuestos representativos de las clases de tars más importantes de acuerdo a la literatura: fenol (clase 2), naftaleno (clase 4) y pireno (clase 5). El modelo también considera la influencia de la concentración de tars en el punto de rocío mientras que el modelo de filtración se ha tomado de la literatura. Además, se ha llevado a cabo un estudio de exergía con el fin de analizar la optimización del tamaño del equipo y ayudar a la elección de las condiciones de funcionamiento más económicas. Se ha realizado un análisis de sensibilidad con el tamaño de partícula y la velocidad superficial de gas, los cuales han demostrado ser parámetros operativos clave. En dicho análisis de sensibilidad, se ha tomado como caso base de estudio una composición de gas de síntesis a partir de trabajos experimentales de la literatura. Por lo tanto, los mapas de temperatura y eficiencias de reducción de tars y partículas que se