Turbomachinery configurations for biomass-based energy systems towards a renewable and secure energy future

Abstract

Biomass is a reliable constant energy source that can facilitate the transition towards a renewable net-zero emission future, especially through gasification. The efficient utilization and integration of the latter requires, however, the transition to decentralized small-scale energy systems. In this context, Micro-Gas Turbines can play a key role in the future energy grid. For biomass gasification applications, Externally-Fired Micro-Gas Turbines, can be used, due to the resolution of various biomass-related operability issues. However, key challenges related to lower performance and higher installation costs still restrict their wider implementation. The objective of this work is to answer how future energy systems can benefit from these advantages, addressing their current bottlenecks and identifying potential new key strengths that have not yet been acknowledged in existing literature. In this thesis, the biomass-fueled Externally-Fired Micro-Gas Turbine performance is analyzed, through an optimization process employing the Normal Constraint Method. An analytical thermodynamic model is developed and validated with real-life operational data provided by a reference natural-gas-fired Micro-Gas Turbine, including some techno-economic insights. Thermodynamic analysis features also an exergetic analysis to explain performance variations between investigated cases. To ensure safe operation beyond the design point, a new off-design operating strategy is introduced, based on which the respective performance is determined for various loads and ambient conditions. Finally, Externally-Fired Micro-Gas Turbine response under various biomass fuels is investigated beyond the nominal feedstock, exploring various compositions and Lower Heating Values (LHVs). The optimized performance under the nominal case yields 77.9 kWel of electrical power and 20.3% electrical efficiency, setting a step forward compared to the current state-of-the-art, at such small power scale. When cogeneration is considered, overall efficiency rises to 78.7%, adding 224 kWth of thermal power. Compared to conventional natural-gas-fired Micro-Gas Turbines, however, electrical efficiency is still reduced by 8.8 percentage points (p.p.). An efficiency reduction of 4.0 p.p. is unavoidable due to the fuel change from natural gas to biomass syngas. Despite the lower nominal performance, high part-load performance can be achieved, including variable fuel operation, where efficiency can increase up to 23%. Considering the beneficial effect of lower ambient temperatures, electrical efficiency can reach up to 24.5% in the best-case scenario. The results highlight some new critical aspects of Externally-Fired Micro-Gas Turbine configurations, adding to the existing technological strengths, which allow the assessment of the proposed technology from an entirely new perspective. These include their high part load performance, their high cogeneration flexibility, and their high fuel flexibility based on the system-level analysis. These additional benefits can facilitate Externally-Fired Micro-Gas Turbine integration with other renewables without sacrificing performance, decoupling heat and power generation, and allowing the use of the same system, for various other biomass applications, including different biomass feedstocks and gasifier technologies, without deteriorating performance, at least from a system-level thermodynamic perspective. Ultimately, this can increase the practicality, modularity, and flexibility of the proposed configuration, making it a promising option for the key technologies that will form the future energy mix.

Η βιομάζα είναι μια αξιόπιστη και σταθερή πηγή ενέργειας που μπορεί να διευκολύνει τη μετάβαση προς ένα ανανεώσιμο μέλλον με μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, ιδίως μέσω της αεριοποίησης. Η αποτελεσματική αξιοποίηση της απαιτεί, ωστόσο, τη μετάβαση σε αποκεντρωμένα ενεργειακά συστήματα μικρής κλίμακας. Στο πλαίσιο αυτό, οι μικρο-αεριοστρόβιλοι μπορούν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο. Για εφαρμογές αεριοποίησης βιομάζας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρο-αεριοστρόβιλοι εξωτερικής καύσης, λόγω της επίλυσης διαφόρων ζητημάτων λειτουργικότητας που σχετίζονται με τη αξιοποίηση της βιομάζας. Ωστόσο, οι βασικές προκλήσεις που σχετίζονται με τη χαμηλότερη απόδοση και το υψηλότερο κόστος εγκατάστασης εξακολουθούν να περιορίζουν την ευρύτερη εφαρμογή τους. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να απαντήσει πώς τα μελλοντικά ενεργειακά συστήματα μπορούν να επωφεληθούν από αυτά τα πλεονεκτήματα, αντιμετωπίζοντας τους υπάρχοντες περιορισμούς και εντοπίζοντας πιθανά νέα πλεονεκτήματα που δεν έχουν ακόμη αναγνωριστεί στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Στην παρούσα διατριβή, αναλύεται η απόδοση του μικρο-αεριοστροβίλου εξωτερικής καύσης, μέσω μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης που χρησιμοποιεί τη Μέθοδο Κανονικών Περιορισμών (Normal Constraint Method). Αναπτύσσεται ένα αναλυτικό θερμοδυναμικό μοντέλο, το οποίο επικυρώνεται με πραγματικά λειτουργικά δεδομένα που παρέχονται από έναν μικρο-αεριοστροβίλου φυσικού αερίου αναφοράς, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τεχνοοικονομικών πληροφοριών. Η θερμοδυναμική ανάλυση περιλαμβάνει επίσης μια εξεργετική ανάλυση για την εξήγηση των αποκλίσεων της απόδοσης μεταξύ των υπό εξέταση περιπτώσεων. Για να εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία πέραν του σημείου σχεδιασμού, εισάγεται μια νέα στρατηγική λειτουργίας εκτός σχεδιασμού, βάσει της οποίας προσδιορίζεται η αντίστοιχη απόδοση για διάφορα φορτία και συνθήκες περιβάλλοντος. Τέλος, διερευνάται η απόκριση του μικρο-αεριοστροβίλου εξωτερικής καύσης χρήσει διαφόρων καυσίμων βιομάζας πέραν της ονομαστικής πρώτης ύλης. Η βελτιστοποιημένη απόδοση στην ονομαστική περίπτωση αποδίδει 77,9 kW ηλεκτρικής ισχύος και 20,3% ηλεκτρική απόδοση, θέτοντας ένα βήμα προς τα εμπρός σε σύγκριση με την τρέχουσα κατάσταση, σε τέτοια μικρή κλίμακα ισχύος. Όταν λαμβάνεται υπόψη η συμπαραγωγή, η συνολική απόδοση αυξάνεται στο 78,7%, προσθέτοντας 224 kW θερμικής ισχύος. Ωστόσο, σε σύγκριση με τους συμβατικούς μικρο-αεριοστροβίλους φυσικού αερίου, ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης εξακολουθεί να μειώνεται κατά 8,8 ποσοστιαίες μονάδες. Η μείωση του βαθμού απόδοσης κατά 4,0 ποσοστιαίες μονάδες είναι αναπόφευκτη λόγω της αλλαγής του καυσίμου από φυσικό αέριο σε αέριο σύνθεσης βιομάζας. Παρά τη χαμηλότερη ονομαστική απόδοση, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή απόδοση σε μερικό φορτίο, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας με μεταβλητό καύσιμο, όπου ο βαθμός απόδοσης μπορεί να αυξηθεί έως και 23%. Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση των χαμηλότερων θερμοκρασιών περιβάλλοντος, ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης μπορεί να φθάσει το 24,5% στο καλύτερο σενάριο. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν ορισμένες νέες κρίσιμες πτυχές των υπό εξέταση μικρο-αεριοστροβίλων εξωτερικής καύσης, οι οποίες επιτρέπουν την αξιολόγηση της προτεινόμενης τεχνολογίας από μια εντελώς νέα οπτική γωνία. Αυτές περιλαμβάνουν την υψηλή απόδοση σε μερικό φορτίο, την μεγάλη ευελιξία συμπαραγωγής και την μεγάλη ευελιξία καυσίμου. Αυτά τα πρόσθετα πλεονεκτήματα μπορούν να διευκολύνουν την ενσωμάτωση των μικρο-αεριοστροβίλων εξωτερικής καύσης με άλλες ανανεώσιμες πηγές, επιτρέποντας τη χρήση του ίδιου συστήματος, για διάφορες άλλες εφαρμογές βιομάζας, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών πρώτων υλών και τεχνολογιών αεριοποίησης, χωρίς επιδείνωση της απόδοσης τους. Αυτό μπορεί να αυξήσει την πρακτικότητα και την ευελιξία της προτεινόμενης διαμόρφωσης, καθιστώντας την μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για τις βασικές τεχνολογίες που θα αποτελέσουν το μελλοντικό ενεργειακό μείγμα.