Conceptual design of alternative energy systems from biomass
Authors:   , Pérez Fortes María del Mar 
Published: September 2023

El sector energético se está dirigiendo hacia un nuevo paradigma, favoreciendo la aparición de procesos de conversión más eficientes, el uso de las fuentes de energía renovables y la micro-generación. La bioenergía es una solución prometedora para la futura combinación de energías. Los conceptos de ingeniería deben de integrarse junto con los aspectos económicos, ambientales y sociales en el desarrollo de proyectos. Los sistemas de energía centralizados y distribuidos necesitan enfoques a medida para explotar las características de cada posible sistema.

Esta tesis investiga el potencial del sector bioenergético, mediante el estudio de la gasificación de biomasa a través de técnicas avanzadas de modelización de procesos y de la incorporación de la gestión de la cadena de suministro, en el marco del diseño conceptual para la toma de decisiones. Los sistemas estudiados son: (i) gasificación integrada con ciclo combinado y con métodos de captura y almacenamiento de CO2 (IGCC-CCS, 285 MWe) para los sistemas de energía centralizados, y (ii) un gasificador de biomasa combinada con un motor de gas (BG-GE, 14 kWe) para los sistemas de energía distribuidos.

La superestructura concebida puede ser utilizada en el diseño preliminar de alternativas para los diferentes procesos considerados, para adaptar los ya existentes y para adquirir conocimiento sobre las condiciones de operación de plantas de gasificación. El problema de optimización multi-objetivo considerado evalúa el equilibrio entre los criterios técnico-económicos y ambientales de 25 escenarios, con mezclas de diferentes materias primas y cambios topológicos: mezclas de carbón, coque y biomasa y la generación de electricidad a partir de gas de síntesis, la generación de electricidad a partir de H2 y la producción de H2 puro, considerando o no el uso del gas de purga del PSA en el ciclo combinado. El análisis de Pareto revela que como mejores escenarios el que utiliza coque de petróleo como materia prima para producir H2, con reciclo del gas de purga del PSA y el que utiliza biomasa residual sin reaprovechamiento del gas de purga del PSA. La implementación de la tecnología CCS conlleva una penalización en la eficiencia de un 8,7% en términos de potencia neta, si el H2 se utiliza en el ciclo combinado.

La gestión de cadenas de suministro de sistemas centralizados, señalan que España tiene potencial de biomasa residual, invirtiendo en nuevas centrales IGCC-CCS, o para producir electricidad mediante co-combustión en las centrales térmicas de carbón ya existentes. Para el primer caso, el valor actual neto óptimo es 230 millones de € para un periodo considerado de 25 años. Para el segundo caso, se ha calculado que las políticas de subvención en este tipo de proyectos deben de tener en cuenta la sostenibilidad económica, cubriendo en un rango de 5,84% a 20,25% el aumento de los precios de la electricidad. El caso de estudio propuesto y optimizado como ejemplo de un sistema distribuido tiene en cuenta una comunidad de Ghana en el marco de la electrificación rural, a abastecer con peladuras de yuca y mediante sistemas BG-GE. Los resultados revelan una red inviable. De las cadenas de suministro resultantes como óptimas, se puede deducir que cierto nivel de centralización es necesario para que las propuestas sean sostenibles en el tiempo.

El sector de la bioenergía cumple ofrece ventajas en términos de impacto ambiental y social. Su implementación es posible con el apoyo de las tecnologías actuales de conversión de energía. Los principales retos están en la mejora de los procesos de pretratamiento de la biomasa y en su almacenamiento. La conversión de la biomasa, junto con los métodos de captura y almacenamiento de CO2, necesitan de incentivos políticos para poder penetrar definitivamente en el mercado, como sería el caso de cualquier otra tecnología alternativa de conversión de energía
The energy sector faces a new energy paradigm, with more efficient conversion processes, renewable sources and micro-generation. Bioenergy is a promising solution. Engineering aspects must be integrated with economic, environmental and social aspects in bioenergy projects. Biomass properties enhancement is crucial. It concerns energy and matter densifications, for stabilisation and easier transport. Tailor-made approaches are needed to account for the characteristics of each potential system, being it centralised or distributed.

This thesis has assessed the bioenergy potential using advanced modelling techniques, enlarged with supply chain management strategies, in the framework of conceptual design for decision-making. The studied energy systems are (i) an integrated gasification combined cycle power plant combined with carbon capture and storage (IGCC-CCS, 285 MWe) for centralised energy systems, and (ii) a biomass gasifier with a gas engine (BG-GE, 14 kWe) for distributed energy systems. Process system modelling and optimisation approaches are integrated with supply chain management to analyse co-gasification and co-production of electricity and hydrogen alternatives in IGCC-CCS, and co-combustion of biomass and coal in pulverised coal power plants in the light of economic and environmental considerations. Process modelling is integrated with supply chain management optimisation for rural electrification by BG-GE systems, considering economic, environmental and social issues.

The superstructure can be used for the design of process alternatives, retrofit of existing ones and to gain knowledge on operation of IGCC-CCS. The multi-objective optimisation problem evaluates the trade-off between techno-economic and environmental criteria of 25 scenarios. Considerations comprise different coal, petcoke and biomass combinations and electricity generation from syngas, electricity generation from H2 and purified H2 production without and with PSA purge gas use in the combined cycle. The Pareto frontier analyses reveals that the scenario with petcoke as feedstock for H2 production with PSA flue gas profit is the best in terms of techno-economic optimisation. The scenario with residual biomass without PSA flue gas profit is the best in terms of environmental optimisation. CCS technology implementation leads to an efficiency penalty of 8.7% in net power terms if H2 is used in the IGCC. To maintain the same power level than that obtained with the combustion of syngas, the feedstock should be increased by 21% on a mass basis.

Supply chain studies highlight, for Spain, a huge biomass waste potential for electricity and H2 production by investing on new IGCC-CCS power plants, or adaptation of existing plants. For the first case, the optimal NPV is around 230M€ for a period of 25 years. The sensitivity of the optimal solutions to changes in prices is demonstrated. For the second case, policy subsidies or alternatively price increases range from 5.84% to 20.25%. The investment is within 549M€ and 1640M€. A supply chain in a specific community from Ghana is proposed for rural electrification using cassava peels. Optimisations considers 9 communities and an overall electricity demand of 118 MWh/yr. The results reveal an unviable network. From the resulting networks, distributed approaches need a certain level of centralisation to be feasible on time.
Bioenergy offers decisive advantages in terms of environmental and social impacts. Its deployment is straightforward to support with current energy conversion technologies. Challenges concern the biomass pre-treatment and storage. Despite all the striking advantages, political incentives are needed for definitive market entry, as would be the case for any energy conversion alternative.