Simulazione con Aspen di un gassificatore ad aria per la produzione di idrogeno da biomassa: approccio strutturale basato su lignina, cellulosa ed emicellulosa.

Abstract

Nel contesto della transizione energetica e della decarbonizzazione, l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili gioca un ruolo strategico. Tra le soluzioni che si stanno indagando, l’utilizzo di idrogeno come vettore energetico è tra le più discusse grazie alle sue caratteristiche chimiche e fisiche. La sua produzione evitando l’utilizzo di fonti fossili però, rappresenta ancora una sfida. In quest’ottica la biomassa potrebbe rappresentare una possibile alternativa anche in ottica di economia circolare. Il presente lavoro di tesi si focalizza sullo sviluppo di un modello di simulazione in ambiente Aspen plus per la gassificazione della biomassa lignocellulosica per la produzione di idrogeno. A differenza dei modelli sviluppati in passato, è stato adottato un approccio che vede la biomassa scomposta in pseudo-componenti strutturali (cellulosa, emicellulosa e lignina) e un complesso sistema di cinetiche di reazione che ne descrive le interazioni all’interno del reattore. La validazione del modello è stata condotta tramite confronto con i dati sperimentali ottenuti da un impianto pilota, suddivisi in due dataset operativi (Set A e Set B). L’analisi dell’accuratezza, valutata tramite l’Errore Quadratico Medio (RMSE) e il coefficiente di determinazione (R2 ), ha mostrato globalmente una buona capacità predittiva, con un’ottima aderenza per il metano (CH4) e l’idrogeno (H2). Inoltre, il confronto con il modello basato sulla biomassa analizzata per elementi (C, H, O, N) ha mostrato dei risultati soddisfacenti, presentando errori minori per la maggior parte dei dati. Infine, l’analisi di sensitività eseguita facendo variare, prima la portata d’aria poi la temperatura, ha riportato una buona coerenza fisica a conferma della robustezza del modello e la affidabilità predittiva. Il lavoro svolto si propone dunque come strumento affidabile per lo sviluppo dei processi di gassificazione finalizzati alla produzione di idrogeno da biomassa lignocellulosica.

In the context of the energy transition and decarbonization, the use of renewable energy sources plays a strategic role. Among the solutions currently under investigation, the use of hydrogen as an energy carrier is one of the most discussed topics due to its chemical and physical characteristics. However, its production without the use of fossil fuels remains a challenge. From this perspective, biomass could represent a viable alternative, particularly within the framework of a circular economy.The present thesis work focuses on the development of a simulation model in the Aspen Plus environment for the gasification of lignocellulosic biomass for hydrogen production. In contrast to models developed in the past, this study adopts an approach where biomass is decomposed into structural pseudo-components (cellulose, hemicellulose, and lignin), utilizing a complex system of reaction kinetics to describe their interactions within the reactor.The model validation was conducted by comparing the results with experimental data obtained from a pilot plant, divided into two operating datasets (Set A and Set B). The accuracy analysis, evaluated using the Root Mean Square Error (RMSE) and the coefficient of determination ($R^2$), demonstrated good overall predictive capability, with excellent agreement for methane ($CH_4$) and hydrogen ($H_2$).Furthermore, a comparison with the model based on biomass analyzed by elements (C, H, O, N) yielded satisfactory results, exhibiting lower errors for the majority of the data. Finally, the sensitivity analysis—performed by varying the air flow rate and temperature—showed good physical consistency, confirming the robustness of the model and its predictive reliability. Therefore, this work serves as a reliable tool for the development of gasification processes aimed at producing hydrogen from lignocellulosic biomass.