Biomass Based Sustainable Ammonia Production: Digestion vs Gasification

[EN]The synthesis of ammonia is one of the most important chemical processes in the world. The Haber–Bosch process has predominantly been used to synthesize ammonia over the last decades. However, it uses coal or natural gas as raw materials. In this work, the path to produce ammonia from biomass has been evaluated and optimized. Thermochemical and biochemical routes have been compared. Three alternative gasification technologies have been considered together with anaerobic digestion. For the reforming stage, two alternatives have been compared: autothermal and steam reforming. Finally, ammonia is synthesized in a multibed reactor with two different configurations: direct or indirect cooling. The problem is formulated as a mixed integer nonlinear program but solved as a set of 14 nonlinear programs. Indirect gasifier followed by steam methane reforming and direct cooling ammonia reactor is the path that presents the best performance with an ammonia production cost of about 380 €/t. The biochemical route shows worse results to ammonia due to the low yield to biogas and, therefore, to ammonia

Optical and laser diagnostics : The versatility of Imaging

Optical and laser diagnostics is a field where optical techniques are developed that offer remote, non-intrusive measurements in order to characterise a system. Imaging is a big part of this field and the versatility it offers makes it a great tool in the hands of researchers and in practical applications. In this thesis, multiple applications of imaging are presented, together with possible data processing routines that are used to obtain qualitative and quantitative information. Intuitive ways of presenting big datasets along with trends and variations in them are shown, for both, time-resolved and single-shot measurements. Efforts to enhance the efficiency of internal combustion engines are discussed and a study on the interaction of spray jets and prevailing combustion in light-duty diesel engines is shown. A thorough optical investigation of methanol combustion in compression ignition engines is presented, along with a characterisation of the injection process and fuel distribution for methanol inside a heavy-duty optical engine. The potential of methanol as a renewable fuel and energy carrier is discussed in a wider perspective, together with demonstrating the benefits of such a propulsion system. In addition, a study of exhaled respiratory particles is presented, in an attempt to characterise the potential for transmission of diseases through the respiratory tract. This consisted of an evaluation of everyday tasks such as talking and singing, which is not commonly found in the literature as most studies are focused on sneezing and coughing. Finally, a novel approach on Background Oriented Schlieren, known as Laser Speckle-based BOS, is presented together with some preliminary results. There is great potential for this technique to be used in combustion engine diagnostics, as it requires minimal optical access to create the pattern and the sensitivity of the setup relies less on the distance of the subject to the background pattern

On the decarbonization of chemical and energy industries: Power-to-X design strategies

Tesis por compendio de publicaciones[ES]Hoy en día, la preocupación por la sostenibilidad está dando lugar a todo un nuevo sistema económico. Este nuevo paradigma afecta a todos los sectores como la agricultura, la industria, el sector financiero, etc. Dos de los más afectados son la industria química y el sistema energético debido a su configuración actual y, estos dos sectores son particularmente estudiados en esta tesis. En cuanto a la industria química, la producción electroquímica es uno de los métodos más atractivos para producir productos químicos de forma sostenible dejando atrás la producción tradicional no renovable. En esta tesis se ha prestado especial atención a la producción sostenible de amoníaco. Se han evaluado dos rutas diferentes, la primera utiliza la electrólisis del agua y evalúa diferentes tecnologías de separación del aire en función de la escala, y la segunda utiliza la biomasa como materia prima. Utilizando estos productos electroquímicos, es posible construir una nueva industria química sostenible. En esta tesis se propone la síntesis de carbo- nato de dimetilo (DMC) utilizando metanol renovable, amoníaco y dióxido de carbono capturado. En cuanto al sector energético, la introducción de fuentes renovables es esencial para alcanzar los objetivos propuestos. En este punto, el almacenamiento de energía será crucial para garantizar la satisfacción de la demanda debido a las fluctuaciones inherentes a las energías solar y eólica. Esta tesis se centra en la evaluación de productos químicos como forma potencial de almacenamiento o como vectores de energía. Se estudia la transformación del amoníaco en electricidad a escala de proceso proporcionando los resultados necesarios para implementar esta alternativa a escala de red. El diseño y el funcionamiento de las insta- laciones basadas en renovables se abordan simultáneamente, incluyendo la ubicación de las unidades debido a que los recursos renovables estan distri- buidos. Se propone un sistema integrado para utilizar productos químicos como vectores energéticos para diferentes aplicaciones energéticas en una región de España, calculando las capacidades, la operación y la ubicación óptima de las instalaciones. Además, se realiza la integración de diferentes energías renovables intermitentes y no intermitentes junto con diferentes tecnologías de almacenamiento desde una perspectiva económica y social para satisfacer una determinada demanda eléctrica. Todos estos sistemas y herramientas propuestos contribuyen a crear un escenario futuro en el que los sectores químico y energético se transforman para ser menos impactantes en el medio ambiente que nos rode