Ολοκληρωμένος σχεδιασμός θερμοχημικών διεργασιών ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας

Abstract

The purpose of this Ph.D thesis is the integrated approach to the design of thermochemical processes of biomass utilization for renewable energy production. Biomass is a renewable energy source (R.E.S.) with great potential and within the European Union represents one of the main pathways to achieve its energy system independence from fossil fuels for both environmental and political reasoning. In the past years within the European Union, the efficient power production from biomass has been the subject of intense applied research. The main thermochemical processes for biomass utilization for power production are combustion and gasification. Biomass gasification can be integrated into more efficient systems, but as a technology is still confronted with several technical problems which limit its full scale commercial deployment. The promising process of fluidized bed biomass gasification is explained and the design and experiments in a lad scale pilot fluidized bed facility that was build for this purpose are presented in the experimental part of the thesis. The combination of biomass gasification and the utilization of hydrogen rich product gas into fuel cells can offer advanced power producing systems with high efficiencies. A system like that, with allothermal biomass gasification and solid oxide fuel cells is examined and analyzed intensively by using the process simulation software AspenplusTM. The integration of the system is examined exergetically. The thesis comprises of eight chapters (1-8). Chapters 1-4 give the required knowledge to deal with the main innovative parts of the thesis. In Greek language there was not up to now a technology overview text like that, and its incorporation to the thesis was done to allow future young researchers to easily acquire the basics in the field of bioenergy. Chapter 5 is a description of the laboratory fluidized bed installation and the gasification experiments. Chapter 6 presents the simulation and design of an integrated allothermal biomass gasification with solid oxide fuel cells system. In Chapter 7 the proposed system is analyzed exergetically. Chapter 8 is the summary of the thesis with the results and recommendations for future research. More analytically for each chapter:

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ολοκληρωμένη προσέγγιση στο σχεδιασμό θερμοχημικών διεργασιών αξιοποίησης βιομάζας για την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας. Η βιομάζα, μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (Α.Π.Ε.) με μεγάλο δυναμικό, αποτελεί για την Ενωμένη Ευρώπη έναν από τους κύριους τρόπους ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι για ανεξαρτητοποίηση του ενεργειακού συστήματός της από τα ορυκτά καύσιμα τόσο για περιβαλλοντικούς όσο και πολιτικούς λόγους. Η αποτελεσματική παραγωγή ηλεκτρισμού από βιομάζα έχει αποτελέσει αντικείμενο έντονης εφαρμοσμένης ερευνητικής δραστηριότητας εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα τελευταία έτη. Οι κυριότερες θερμοχημικές διεργασίες αξιοποίησης της βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρισμού είναι η καύση και η αεριοποίηση. Η αεριοποίηση βιομάζας μπορεί να προσφέρει συστήματα με μεγαλύτερες αποδόσεις αλλά ως τεχνολογία βρίσκεται ακόμα αντιμέτωπη με διάφορα τεχνικά προβλήματα που περιορίζουν την εφαρμογή της σε ευρεία κλίμακα. Η υποσχόμενη τεχνολογία της αεριοποίησης βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη αναλύεται διεξοδικά ενώ στο πειραματικό τμήμα της διατριβής παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η εκτέλεση πειραμάτων αεριοποίησης σε εργαστηριακής κλίμακας ολοκληρωμένο πιλοτικό σύστημα ρευστοποιημένης κλίνης που κατασκευάστηκε για το σκοπό αυτό. Ειδικότερα ο συνδυασμός της αεριοποίησης βιομάζας και η χρήση του πλούσιου σε υδρογόνο παραγόμενου αερίου σε ηλεκτροχημικά στοιχεία καυσίμου αποτελεί τεχνολογική πρόκληση για τη δημιουργία προηγμένων ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων με υψηλές αποδόσεις. Ένα τέτοιο ολοκληρωμένο σύστημα με αλλοθερμική αεριοποίηση βιομάζας και ηλεκτροχημικά στοιχεία καυσίμου στερεού οξειδίου εξετάζεται διεξοδικά χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό πακέτο προσομοίωσης διεργασιών Aspenplus. Η ολοκλήρωση του συστήματος εξετάζεται εξεργειακά. Η διατριβή αποτελείται από οχτώ κεφάλαια (1-8). Τα κεφάλαια 1-4 δίνουν την απαραίτητη υποστηρικτική γνώση για την αντιμετώπιση του κυρίως πρωτότυπου τμήματος του διδακτορικού που ακολουθεί. Στην Ελληνική γλώσσα δεν υπάρχει μέχρι σήμερα αντίστοιχο κείμενο, και η ενσωμάτωσή του στο διδακτορικό κρίθηκε σκόπιμη με στόχο τη υποβοήθηση μελλοντικών ερευνητών ώστε να μπορούν να ενημερωθούν γρήγορα και να αποκτήσουν βασικές γνώσεις γύρω από τα θέματα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα. Το κεφάλαιο 5 αποτελεί περιγραφή του σχεδιασμού της πειραματικής εγκατάστασης ρευστοποιημένης κλίνης και την πραγματοποίηση πειραμάτων αεριοποίησης. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται διεξοδικά η προσομοίωση και σχεδιασμός ολοκληρωμένου συστήματος αλλοθερμικής αεριοποίησης βιομάζας με χρήση του αερίου σε ηλεκτροχημικά στοιχεία καυσίμου στερεού οξειδίου ενώ στο κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται εξεργειακή ανάλυση του προτεινόμενου συστήματος. Το κεφάλαιο 8 αποτελεί την ανακεφαλαίωση της διατριβής με τα προκύπτοντα συμπεράσματα και προτάσεις μελλοντικής έρευνας. Περισσότερο αναλυτικά για κάθε κεφάλαιο: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια ανασκόπηση της κατάστασης της παραγωγής ενέργειας εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης με σκοπό να αναδειχθεί ο σημασία που έχει η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. H E.E. έχει θέσει ως στόχο να παράγει το 12,5% του ηλεκτρισμού της το έτος 2010 από Α.Π.Ε. Σε αυτό το ποσό η βιομάζα αναμένεται να συνεισφέρει περίπου 230 TWhe, που αντιστοιχεί στο 65% περίπου της αναμενόμενης ηλεκτροπαραγωγής από Α.Π.Ε. Αυτό φανερώνει τη μεγάλη σπουδαιότητα που θα πρέπει να δοθεί στην βιομάζα για την ηλεκτροπαραγωγή τα επόμενα χρόνια. Οι λόγοι που οδηγούν την Ευρωπαϊκή Ένωση στη χρησιμοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι τόσο περιβαλλοντικοί, που συνοψίζονται στις δεσμεύσεις της Ένωσης απέναντι στην συμφωνία του Κιότο, όπως επίσης και πολιτικοί, καθώς η Ένωση επί του παρόντος είναι κατά μεγάλο ποσοστό εξαρτώμενη από εισαγωγές ορυκτών καυσίμων από ασταθείς πολιτικά περιοχές του πλανήτη.