Riassunto analitico
Lo sfruttamento a fini energetici della biomassa è un tema di grande interesse nel panorama energetico italiano. I motivi preponderanti di questo interesse sono l’abbondante disponibilità ben distribuita sul territorio, il buon grado di efficienza ed affidabilità delle tecnologie di conversione e la generosa incentivazione economica dell’energia elettrica prodotta dettata dai recenti decreti ministeriali. In questo contesto, una tecnologia di grande interessante risulta essere la gassificazione di biomassa lignocellulosica. La tecnologia in questione è in grado di convertire la biomassa solida in un vettore gassoso che può essere a sua volta convertito in energia elettrica attraverso sistemi quali macchine a fluido o dispositivi elettrochimici. La gassificazione è ad oggi la tecnologia più efficiente per convertire biomassa lignocellulosica in energia elettrica, inoltre risulta sostenibile per quanto riguarda il bilancio ambientale della CO2. Questo lavoro di tesi risulta quindi incentrato su sistemi tecnologicamente avanzati che gassificano biomassa lignocellulosica al fine di alimentare generatori stazionari di energia elettrica. La prima parte dell’elaborato è focalizzato sulla caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse impiegate. Successivamente viene trattata la gassificazione sia da un punto di vista chimico-analitico sia tecnologico, sono presentate e discusse le tipologie di gassificatori più diffuse nel panorama scientifico con particolare dettaglio in merito alle più idonee a processare biomassa lignocellulosica. Si è poi trattata la modellazione dei reattori di gassificazione a letto fisso in cui sono illustrati tre diversi approcci modellistici di completezza e complessità crescente. Per ogni modello, sviluppato partendo dalla letteratura di riferimento, è illustrata la validazione sperimentale ed il campo di applicabilità. Nel seguito sono descritti e simulati al calcolatore alcuni sistemi di generazione compresivi dello stadio di filtraggio/purificazione del gas, eventuale stoccaggio del gas e sua conversione in energia elettrica. Sono presi in considerazione alcune applicazioni d’avanguardia: sistemi di stoccaggio ad assorbimento attivo della CO2 tramite zeoliti, sistemi di riduzione dell’azoto nell’aria intesa come agente gassificante e sistemi elettrochimici con celle a combustibile ad ossidi solidi per la generazione elettrica. A conclusione dell’indagine analitica sulla tecnologia si è effettuata un’analisi economica costi-benefici di alcuni impianti commerciali a gassificazione lignocellulosica di piccola taglia. Sono descritti i guadagni derivanti dalla vendita dell’energia elettrica prodotta secondo il programma d’incentivazione nazionale vigente ma anche i costi legati alla manutenzione degli impianti e allo smaltimento dei sottoprodotti quali carbonella, catrami e condensati. Per completezza viene illustrata un interessante applicazione della gassificazione: un impianto per la generazione distribuita di biodiesel ed energia elettrica partendo da coltivazioni energetiche in cui la gassificazione svolge un ruolo fondamentale nel processo di produzione del biodiesel.
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Abstract
Biomass utilization for energy purposes is a topic of great interest in the Italian energy scenario. The predominant reasons of this issue are the abundant availability well distributed in the area, the good degree of reliability and efficiency of conversion technologies and the generous subsidies for the yield electricity dictated by recent government rule. In this context, a technology of great validity is the gasification of wood biomass. This technology is able to turn solid biomass into a gaseous carrier called syngas which can be converted into electrical energy through systems such as fluid machines or electrochemical devices. The gasification is currently the most efficient technology to convert wood biomass into electricity and it is also sustainable in terms of the environmental balance of CO2. Therefore, the thesis is focused on technologically advanced systems that gasify wood biomass in order to feed stationary generators of electricity. The first part of the thesis is focused on the physical-chemical characterization of wood biomass. Subsequently, gasification is described from the chemical-analytical point of view and some technological applications are introduced. The most common types of gasifiers in the scientific field are presented and discussed with more details about the fixed bed gasifiers which are the most suitable reactors able to process wood biomass. The modeling of fixed bed gasifier is presented and three different modeling approaches of increasing complexity and completeness are discusses. For each model, adopted from literature, the experimental validation and applicability domain are shown. In the following, some biomass generation system are described and simulated. The filtration, purification and storage of the syngas and its conversion into electrical energy are taken into account. Some advance applications are also considered: storage systems with absorption of CO2 using zeolite, reduction of nitrogen in the inlet air considered as gasifying agent and electrochemical solid oxide fuel cell for electrical generation. An economical cost - benefit analysis of some commercial small size wood gasification plants are made. The gains from the sale of yielded electricity are reported according with the national subsidies but also the costs related to the plant maintenance and the disposal of by-products such as charcoal, tars and condensates are discussed. Finally, an interesting application of gasification is described: a plant for distributed generation of biodiesel and electricity starting from energy crops in which the gasification plays a fundamental role in the process of production of biodiesel.
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