Production and Combustion of Syngas in Biomass Polygeneration Systems

Il semble paradoxal que malgré la biomasse abondante à leur disposition, les serres agricoles dépendent encore fortement des produits à base de combustibles fossiles pour leurs activités énergivores. Pourtant, la biomasse résiduelle présente dans les zones agricoles comme les copeaux de bois ou la paille de blé, ressources qui ne sont pas en concurrence avec les cultures vivrières, est une ressource d’énergie renouvelable neutre en carbone. En plus d’être simplement brûlée, la biomasse peut être convertie par gazéification en produits à valeur ajoutée pour satisfaire les principaux besoins énergétiques des serres et de plusieurs autres tâches énergivores en milieu agricole. Alors que la littérature sur de tels systèmes de conversion se concentre principalement sur les implémentations à grande échelle, les bioraffineries décentralisées à petite échelle qui pourraient être intégrées dans des serres sont rarement discutées. Par conséquent, le premier objectif de cette thèse est de concevoir et d’analyser les performances de nouvelles conceptions de systèmes de biomasse qui pourraient produire du biocarburant, de l’électricité, de la chaleur et un flux de dioxyde de carbone de haute pureté. Ce dernier, en plus d’être nécessaire dans les atmosphères de serre pour améliorer la croissance des cultures, est facilement séquestrable, permettant ainsi la capture et le stockage du carbone. Des modèles thermodynamiques sont mis en oeuvre en utilisant le simulateur ASPEN Plus pour concevoir quatre nouveaux systèmes de polygénération, qui diffèrent soit par le type de gazéifieur utilisé, soit par le biocarburant synthétisé. Pour ces derniers, le méthanol et le gaz naturel renouvelable sont considérés. Ces biocarburants peuvent être utilisés pour alimenter des machines dans ou autour des serres, et les quantités excédentaires peuvent être vendues par les agriculteurs, fournissant une nouvelle source de revenus. Des piles à combustible réversibles à oxyde solide sont également incorporées dans les systèmes. Ces composants polyvalents peuvent produire de l’électricité de manière efficace et propre lorsqu’ils sont alimentés en gaz de synthèse dérivé de la biomasse, et produisent H2 et O2 par l’électrolyse de la vapeur d’eau lorsqu’ils sont alimentés avec une partie de l’électricité générée. Ce H2 est essentiel pour conditionner le gaz de synthèse avant le réacteur de biocarburant, tandis que le O2 pur est utilisé dans le gazéifieur pour générer un gaz de synthèse sans N2. Les conditions de fonctionnement favorables sont identifiées par une analyse paramétrique, qui a montré que l’efficacité globale du processus de polygénération pourrait atteindre 85%. Un élément clé pour atteindre ces rendements élevés est le brûleur de gaz de synthèse, qui exploite l’énergie du gaz résiduel après les étapes de production de biocarburant et d’électricité, et produit de la chaleur qui est localement demandée en grande quantité par les serres. L’énergie chimique du gaz de synthèse restant pourrait atteindre 35% de l’énergie initiale de la biomasse.

Abstract

It is paradoxical to realize that despite having abundant biomass at their disposal, agricultural greenhouses are still heavily relying on fossil fuel-based products for their energy-intensive activities. Residual biomass found in agricultural areas such as wood chips or wheat straw, resources that do not compete with food crops, is a carbon-neutral and renewable energy resource. Moreover, in addition to simply being burned, biomass can be converted via gasification into value-added products to satisfy the main energy demands of greenhouses and of several other energy-intensive tasks in agricultural settings. While the main focus in the literature for such conversion systems is large-scale implementations, decentralized smallscale biorefineries that could be integrated in greenhouses are rarely discussed. Therefore, the first objective of this thesis is to design and analyze the performance of novel biomass system designs that could produce biofuel, electricity, heat, and a high-purity carbon dioxide stream. The latter is needed within the greenhouse atmospheres to enhance crop growth, with surplus amounts being readily sequesterable to enable carbon capture and storage. Thermodynamic models are implemented on the ASPEN Plus process simulator to design four novel polygeneration systems, which either differ in the type of gasifier used or biofuel synthesized. For the latter, methanol and synthetic natural gas are considered. These biofuels can be used to power machinery in or around greenhouse facilities, and the excess amounts can be sold by farmers, providing a new revenue stream. Reversible solid-oxide fuel cells are also incorporated in the systems. These versatile components can produce electricity in an efficient and environmentally friendly manner when supplied with biomass-derived sygnas, and produce H2 and O2 via steam electrolysis when fed with part of the generated electricity. This H2 is key for conditioning the syngas before the biofuel reactor, while the pure O2 is used in the gasifier to generate an energy-dense N2-free syngas stream. The favorable operating conditions are identified through parametric analysis, where it is revealed that the overall polygeneration process efficiency could reach 85%. A key component in attaining such high efficiencies is the syngas burner, which harnesses the energy of the residual gas following the biofuel and electricity production stages, and produces heat that is locally demanded in large quantities by greenhouses. The chemical energy of the leftover syngas could reach 35% of the initial biomass energy.