Solar driven biomass pyrolysis for high efficiency biofuel production

Global efforts to address climate change are driving significant growth in biofuels, especially with advancements in second and third generation technologies that utilize non-food biomass and waste. It plays a vital role in biomass waste management, carbon sequestration, and producing high-efficiency biofuels, especially for transportation and industrial sectors and contributes to energy security and reducing greenhouse gas emissions. Conventional pyrolysis plants have low energy conversion efficiencies (~75%) and produce a large amount of carbon emissions due to burning of their byproducts to fulfil process energy requirements. In conventional pyrolysis, it loses almost ~24-26% of biogenic carbon in CO2 emissions. That is why a novel approach of solar assisted biomass pyrolysis using a solid particle receiver was studied to analyze its techno economic feasibility. Moreover, the process of biomass pyrolysis to produce biofuels and other products is inherently complex because it is influenced by various factors including process design, feedstock, heat transfer, fluid dynamics and complex chemical kinetics. Experimental prototypes for biomass pyrolysis process are very cost intensive and modeling is very challenging due to above mentioned complexities. To overcome above mentioned issues an integrated approach was adopted in two phases. In the first phase, a 10 MW biomass pyrolysis plant was modeled in Aspen Plus®, while the concentrated solar power (CSP) solar field and solid particle receiver were modeled using Solar PILOT® and specific in-house codes, respectively. Three scenarios were investigated: a conventional combustion-based pyrolysis plant, a fully solar-powered plant where all the heat is supplied by the CSP system, and a hybrid system in which most of the heat comes from CSP with a backup provided by byproduct combustion. These cases were analyzed through yearly simulations with hourly resolution, accounting for various solar multiples and thermal energy storage sizes to optimize performance. Two types of solid particle heat carriers (PHCs) were examined: sand and the commercially available Carbo Accucast ID50. The performance of each pyrolysis scenario was evaluated based on annual production, optical and thermal efficiencies, and emissions. However, the process model developed in Aspen Plus® useful for initial analysis and not flexible enough to accommodate variable operating conditions and biomass feedstock. The model relied on fixed product compositions sourced from the national renewable energy laboratory (NREL) database, which limited its adaptability. Therefore, a more dynamic and flexible reactor network (RN) model was needed to accurately predict product yield and composition under various conditions. The second phase of this work involved the development, refining and validation of a robust reactor network modelling tool of NetSMOKE. This model aims to simulate the pyrolysis process more accurately by handling complex chemical kinetics and predicting the product composition based on variable biomass feedstocks and operating conditions. In this novel approach, the RN model employs multiphase perfectly stirred reactors (sPSR) to represent the emulsion phase, while plug flow reactors (PFR) are used to model the gas phase. The automatic reactor network generation tool of NetSMOKE enables the creation of detailed reactor networks for fluidized bed reactors, allowing for the analysis of emulsion-bubble mixing effects by adjusting the network's complexity. NetSMOKE was validated against experimental and computational fluid dynamics (CFD) model results. After validating the RN model, sensitivity analyses were conducted to assess how different operating conditions affect pyrolysis yield. One of the major steps of this study was integrating the reactor network (RN) model with the Aspen Plus® process model, as the standalone RN model could not provide the data for mass and energy balances required for subsequent economic and environmental analysis. A custom Fortran subroutine was developed to link NetSMOKE to Aspen Plus®, facilitating data transfer and allowing for post-process calculations under similar operating conditions. This integration updated the product yield composition, offering more accurate results compared to the fixed data from the NREL-based model (NREL-BM). Key findings from the RN-based process model show significant differences in product yields compared to the NREL model. The oil share in the product composition decreased from 64% in the NREL model to 45% in the RN-based model (RN-BM), while the shares of char, gas, and water increased to 17.5%, 21.9%, and 15.7%, respectively. Moreover, carbon efficiency in the solar-based pyrolysis process reached over 90%, with 35% of the biogenic carbon retained in the biochar according to the RN model. This increased carbon efficiency resulted in lower specific emissions of biogenic CO₂, reducing from 41.6 kgCO₂/GJoil to 13.2 kgCO₂/GJoil in the RN-BM. Yearly simulations revealed that hybrid pyrolysis systems achieved carbon efficiencies of 83% and 89%, with specific emissions of 19 kgCO₂/GJoil and 20.8 kgCO₂/GJoil in the NREL and RN models, respectively. Net biogenic emissions reductions (Net ETO) for CSP-based and hybrid systems were also significant, with CSP-based systems showing greater environmental benefits. However, economic analysis indicated that hybrid pyrolysis in RN-BM is the most cost-effective, achieving a minimum fuel selling price (MFSP) of 0.046 €/kg of oil (3.09 €/GJ), which was nearly five times lower than conventional pyrolysis. The CSP-based pyrolysis system was more expensive than hybrid pyrolysis but environmentally superior, with an MFSP of 6.05 €/GJ, although this was still lower than conventional pyrolysis. The economic-environmental trade-off between CSP based and hybrid configurations is evident, with CSP offering 10% higher carbon efficiency but at a higher capital expenditure due to a lower yearly capacity factor. Sensitivity analyses further showed that factors such as discount rate, biomass cost, biochar selling price, and pyrolyzer CAPEX had the most significant impact on MFSP, while the choice of particle heat carrier (PHC) had a minor effect. Finally, the breakeven biochar selling price (BSP) required for CSP-based and hybrid pyrolysis systems to compete with conventional pyrolysis was calculated. In the RN-BM, CSP and hybrid systems would need BSPs of 1.30 €/kg and 0.97 €/kg to achieve economic parity respectively, that corresponds to carbon credits of 494 €/tCO₂ and 368 €/tCO₂. Conclusively, this study highlights the potential of solar based and hybrid biomass pyrolysis to deliver both economic and environmental advantages, while illustrating a flexible and robust pyrolysis process model capable of operating efficiently under variable operating conditions and accommodating diverse biomass feedstocks for optimal performance.

Gli sforzi globali per affrontare il cambiamento climatico stanno guidando una significativa crescita dei biocarburanti, specialmente con i progressi nelle tecnologie di seconda e terza generazione che utilizzano biomassa non alimentare e rifiuti. Questi biocarburanti svolgono un ruolo vitale nella gestione dei rifiuti di biomassa, nella cattura del carbonio e nella produzione di biocarburanti ad alta efficienza, particolarmente per i settori dei trasporti e industriali, contribuendo alla sicurezza energetica e alla riduzione delle emissioni di gas serra. Gli impianti di pirolisi convenzionali presentano basse efficienze di conversione energetica (~75%) e producono una grande quantità di emissioni di carbonio a causa della combustione dei sottoprodotti per soddisfare i requisiti energetici del processo. Nella pirolisi convenzionale, si perde circa il 24-26% del carbonio biogenico in emissioni di CO₂. Per questo motivo, è stata studiata un’innovativa approccio di pirolisi della biomassa assistita da energia solare utilizzando un ricevitore a particelle solide per analizzarne la fattibilità tecnico-economica. Inoltre, il processo di pirolisi della biomassa per produrre biocarburanti e altri prodotti è intrinsecamente complesso, poiché è influenzato da vari fattori, tra cui il design del processo, la materia prima, il trasferimento di calore, la dinamica dei fluidi e cinetiche chimiche complesse. I prototipi sperimentali per il processo di pirolisi della biomassa sono molto costosi e la modellazione è una sfida a causa delle suddette complessità. Per superare tali problematiche è stato adottato un approccio integrato in due fasi. Nella prima fase, è stato modellato un impianto di pirolisi della biomassa da 10 MW in Aspen Plus®, mentre il campo solare a concentrazione (CSP) e il ricevitore a particelle solide sono stati modellati utilizzando Solar PILOT® e codici specifici sviluppati internamente. Sono stati studiati tre scenari: un impianto di pirolisi basato sulla combustione convenzionale, un impianto completamente alimentato a energia solare in cui tutto il calore è fornito dal sistema CSP e un sistema ibrido in cui la maggior parte del calore proviene dal CSP con un backup fornito dalla combustione dei sottoprodotti. Questi casi sono stati analizzati attraverso simulazioni annuali con risoluzione oraria, tenendo conto di vari multipli solari e dimensioni di accumulo di energia termica per ottimizzare le prestazioni. Sono stati esaminati due tipi di vettori termici a particelle solide (PHC): sabbia e il Carbo Accucast ID50 disponibile in commercio. Le prestazioni di ciascun scenario di pirolisi sono state valutate in base alla produzione annuale, alle efficienze ottiche e termiche e alle emissioni. Tuttavia, il modello di processo sviluppato in Aspen Plus® è utile per un’analisi iniziale, ma non abbastanza flessibile da adattarsi a condizioni operative variabili e a diverse materie prime di biomassa. Il modello si basava su composizioni di prodotti fisse derivate dal database del National Renewable Energy Laboratory (NREL), limitandone l'adattabilità. Pertanto, era necessario un modello di rete di reattori (RN) più dinamico e flessibile per prevedere accuratamente la resa e la composizione dei prodotti in condizioni diverse. La seconda fase di questo lavoro ha riguardato lo sviluppo, il perfezionamento e la validazione di uno strumento di modellazione robusto di rete di reattori, denominato NetSMOKE. Questo modello mira a simulare il processo di pirolisi in modo più accurato gestendo cinetiche chimiche complesse e prevedendo la composizione dei prodotti sulla base di diverse biomasse e condizioni operative. In questo approccio innovativo, il modello RN utilizza reattori perfettamente agitati multifase (sPSR) per rappresentare la fase di emulsione, mentre i reattori a flusso a pistone (PFR) vengono utilizzati per modellare la fase gassosa. Lo strumento di generazione automatica di reti di reattori di NetSMOKE consente la creazione di reti dettagliate per reattori a letto fluidizzato, permettendo l'analisi degli effetti di miscelazione emulsione-bolle regolando la complessità della rete. NetSMOKE è stato validato rispetto a risultati sperimentali e modelli di fluidodinamica computazionale (CFD). Dopo la validazione del modello RN, sono state condotte analisi di sensibilità per valutare come diverse condizioni operative influenzano la resa della pirolisi. Uno dei passi principali di questo studio è stato l'integrazione del modello RN con il modello di processo Aspen Plus®, poiché il modello RN standalone non poteva fornire i dati per i bilanci di massa ed energia richiesti per le successive analisi economiche e ambientali. È stata sviluppata una subroutine custom in Fortran per collegare NetSMOKE ad Aspen Plus®, facilitando il trasferimento dei dati e consentendo calcoli post-processo in condizioni operative simili. Questa integrazione ha aggiornato la composizione della resa dei prodotti, offrendo risultati più accurati rispetto ai dati fissi del modello basato su NREL (NREL-BM). I principali risultati del modello di processo basato su RN mostrano differenze significative nelle rese dei prodotti rispetto al modello NREL. La quota di olio nella composizione del prodotto è diminuita dal 64% nel modello NREL al 45% nel modello basato su RN (RN-BM), mentre le quote di char, gas e acqua sono aumentate al 17,5%, 21,9% e 15,7%, rispettivamente. Inoltre, l'efficienza del carbonio nel processo di pirolisi basato sull’energia solare ha raggiunto oltre il 90%, con il 35% del carbonio biogenico trattenuto nel biochar secondo il modello RN. Questa maggiore efficienza del carbonio ha portato a minori emissioni specifiche di CO₂ biogenico, riducendosi da 41,6 kgCO₂/GJoil a 13,2 kgCO₂/GJoil nel RN-BM. Le simulazioni annuali hanno rivelato che i sistemi di pirolisi ibrida hanno raggiunto efficienze del carbonio dell'83% e dell'89%, con emissioni specifiche di 19 kgCO₂/GJoil e 20,8 kgCO₂/GJoil nei modelli NREL e RN, rispettivamente. Le riduzioni nette delle emissioni biogeniche (Net ETO) per i sistemi CSP e ibridi sono state significative, con i sistemi CSP che mostrano maggiori benefici ambientali. Tuttavia, l'analisi economica ha indicato che la pirolisi ibrida nel modello RN-BM è la più conveniente, raggiungendo un prezzo minimo di vendita del carburante (MFSP) di 0,046 €/kg di olio (3,09 €/GJ), quasi cinque volte inferiore alla pirolisi convenzionale. Il sistema di pirolisi basato sul CSP era più costoso della pirolisi ibrida, ma ambientalmente superiore, con un MFSP di 6,05 €/GJ, sebbene ancora inferiore alla pirolisi convenzionale. Il compromesso economico-ambientale tra le configurazioni basate su CSP e quelle ibride è evidente, con il CSP che offre un’efficienza del carbonio superiore del 10% ma a un costo capitale maggiore a causa di un fattore di capacità annuo inferiore. Le analisi di sensibilità hanno inoltre mostrato che fattori come il tasso di sconto, il costo della biomassa, il prezzo di vendita del biochar e il CAPEX del pirolizzatore hanno avuto l'impatto più significativo sul MFSP, mentre la scelta del vettore termico a particelle (PHC) ha avuto un effetto minore. Infine, è stato calcolato il prezzo di vendita del biochar (BSP) necessario affinché i sistemi di pirolisi basati su CSP e ibridi possano competere con la pirolisi convenzionale. Nel RN-BM, i sistemi CSP e ibridi richiederebbero BSP di 1,30 €/kg e 0,97 €/kg per raggiungere la parità economica, corrispondenti a crediti di carbonio di 494 €/tCO₂ e 368 €/tCO₂. In conclusione, questo studio evidenzia il potenziale della pirolisi della biomassa basata sull'energia solare e ibrida nel fornire vantaggi sia economici che ambientali, illustrando un modello di processo di pirolisi flessibile e robusto, capace di operare efficientemente in condizioni operative variabili e di adattarsi a diverse biomasse per prestazioni ottimali.