Exploring the energy generation potential of jatropha cake in a biorefinery: an optimization study

Abstract

Waste management and energy access remain critical challenges globally, especially in developing countries where poor waste management and unreliable power supply exacerbate environmental and socio-economic issues. This study aims to explore the potential of using Jatropha cake as a sustainable bioenergy source in gas-turbine power plants to address these challenges. Using a Central Composite Design (CCD) approach, the study evaluates the effects of compressor efficiency, turbine efficiency, heat transfer coefficients, and heat transfer area on power generation from Jatropha cake, modeled using the DWSim simulation package. The findings show that an open-loop gas-turbine configuration with a compressor efficiency of 83.92% and turbine efficiency of 98% can generate a maximum power output of 174235 kW. In contrast, the closed-loop configuration, optimized with a heat exchanger (HX) at 120 W/m²K heat transfer coefficient and 1000 m² heat transfer area, yields 74375.70 kW. The results suggest that the open-loop configuration is more efficient, offering significantly higher power generation. This study highlights the viability of Jatropha cake as a bioenergy resource, providing a promising solution for improving power supply in energy-deficient communities while contributing to sustainable waste management practices.

Gestionarea deșeurilor și accesul la energie rămân provocări critice la nivel global, în special în țările în curs de dezvoltare, unde gestionarea deficitară a deșeurilor și alimentarea cu energie electrică nesigură amplifică problemele de mediu și socio-economice. Acest studiu își propune să exploreze potențialul utilizării turtei de Jatropha ca sursă durabilă de bioenergie în centralele electrice cu turbine pe gaz pentru a aborda aceste provocări. Folosind o abordare de tip Central Composite Design (CCD), studiul evaluează efectele eficienței compresorului, eficienței turbinei, coeficienților de transfer de căldură și suprafeței de transfer de căldură asupra generării de energie din turta de Jatropha, modelată folosind pachetul de simulare DWSim. Rezultatele arată că o configurație cu turbină pe gaz în buclă deschisă, cu o eficiență a compresorului de 83,92% și o eficiență a turbinei de 98%, poate genera o putere maximă de 174235 kW. În schimb, configurația în buclă închisă, optimizată cu un schimbător de căldură (HX) la un coeficient de transfer de căldură de 120 W/m²K și o suprafață de transfer de căldură de 1000 m², produce 74375,70 kW. Rezultatele sugerează că configurația în buclă deschisă este mai eficientă, oferind o generare de energie semnificativ mai mare. Acest studiu evidențiază viabilitatea turtei de Jatropha ca resursă bioenergetică, oferind o soluție promițătoare pentru îmbunătățirea alimentării cu energie în comunitățile cu deficit energetic, contribuind în același timp la practici durabile de gestionare a deșeurilor.