Principi base e tecnologie dell upgrading

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Luciana Castellani
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1 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A. Principi base e tecnologie dell upgrading Sergio Piccinini, Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA IL DECRETO PER IL BIOMETANO ITALIANO: PROSPETTIVE DI MERCATO E TECNOLOGIE DISPONIBILI 16 DICEMBRE 2013 BOLOGNA Centro Congressi ZANHOTEL CENTERGROSS

2 Alcune definizioni Pulizia del biogas: rimozione di acqua, H 2 S e tracce di contaminanti indesiderati (polveri, silossani, ammoniaca ) Upgrading: rimozione di CO 2 per raggiungere gli standard qualitativi richiesti dalla rete del gas e gli usi come biocombustibile Biometano: biogas raffinato per l immissione in rete o l uso come biocombustibile

2 per raggiungere gli standard qualitativi richiesti dalla rete del gas e gli usi come

3 Principio fondamentale Biogas grezzo Metano (CH 4 ) Biossido di carbonio (CO 2 ) Acqua (H 2 O) Idrogeno solforato (H 2 S) Ossigeno (O 2 ) Azoto (N 2 ) Pulizia Upgrading Biometano Ammoniaca (NH 3 ) Silossani ((R 2 SiO) n ) Polveri Biogas pulito Produzione EE + ET (Prasad Kaparaju, 2013) Rete + biocombustibile

Pulizia Upgrading Biometano Ammoniaca (NH 3 ) Silossani ((R 2 SiO) n )

4 Pulizia biogas: principali tecniche Desolforazione biologica H 2 S Aggiunta di Cloruro Ferroso o Ferrico (FeCl 2 FeCl 3 ) Carboni attivi impregnati Ossido o idrossido di ferro Lavaggio con idrossido di sodio H 2 O Silossani Ammoniaca Raffreddamento a 2-5 C per H 2 O o -23 C per silossani Carboni attivi, gel di silice Adsorbimento con glicolati e rigenerazione Setacci molecolari (Prasad Kaparaju, 2013)

idrossido di sodio H 2 O Silossani Ammoniaca Raffreddamento a 2-5 C per H 2 O o -23 C per silossani

5 Tecniche di Upgrading

6 Adsorbimento: pressure swing adsorption (PSA) La tecnologia sfrutta la capacità di diversi materiali adsorbenti (carboni attivi, zeoliti, setacci molecolari) di ritenere selettivamente diverse molecole a pressioni differenti. Visto che CH 4 ha una dimensione di 3.8 Å e CO2 3.4 Å vengono separate con un adsorbente con porosità di 3.7 Å. Adsorbimento avviene in genere a 7 10 bar, il desorbimento a 2 4 bar. Semplicità costruttiva, adattamento a piccole taglie e dimensioni compatte % di CH 4 nel biometano 0,5 2% di CH 4 nel gas di coda, superiori in caso di cattivo funz. (Courtesy: ISET, 2008) H 2 S e H 2 O devono essere separate prima per evitare corrosioni e occlusioni

Adsorbimento avviene in genere a 7 10 bar, il desorbimento a 2 4 bar. Semplicità costruttiva, adattamento a piccole taglie e dimensioni compatte.

7 Absorbimento I gas inquinanti presenti nel flusso di biogas sono disciolti in un solvente liquido successivamente rigenerato. Viene definito anche processo di «Washing» o «Scrubbing»: Absorbimento fisico: il composto gassoso è fisicamente absorbito in un fluido solvente non reattivo. La CO 2 è55volte più solubile del CH 4. La solubilità aumenta all aumentare della temperatura e al decrescere della temperatura Absorbimento chimico: il composto gassoso reagisce chimicamente con il solvente liquido

in un fluido solvente non reattivo. La CO 2 è55volte più solubile del CH 4.

8 Absorbimento fisico: water scrubbing E una delle tecnologie maggiormente diffuse, può essere installata con e senza recupero dell acqua di lavaggio e opera anche a piccole taglie. L absorbimento può avvenire in torri a flusso equicorrente, controcorrente o incrociato % di CH 4 nel biometano 0,5 2% di CH 4 nel gas di coda H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni (Courtesy: ISET, 2008)

L absorbimento può avvenire in torri a flusso equicorrente, controcorrente o incrociato.

9 Absorbimento fisico: solventi organici (PEG Polyethylene glycol) E una tecnologie simile a quella con scrubber ad acqua, ha il vantaggio che CO 2 eh 2 S sono maggiormente solubili nel PEG e quindi dimensioni e consumi energetici sono inferiori. Ottimizza anche la deumidificazione 93 98% di CH 4 nel biometano 1 4% di CH 4 nel gas di coda H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni

dimensioni e consumi energetici sono inferiori.

10 Absorbimento chimico: ammine (MEA e DMEA) o soluzione di potassio carbonato Tecnologia complessa, ad alta efficienza (impianto + piccolo) ma non separa N 2.Opera a pressioni molto basse grazie all alta affinità MEA/DMEA CO2. Solvente rigenerata con processo termico. Impianti molto grandi 99% di CH 4 nel biometano 0,1 0,2% di CH 4 nel gas di coda H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni

Opera a pressioni molto basse grazie all alta affinità MEA/DMEA CO2.

11 Membrane Tecnologia semplice, sfrutta la selettività di una membrane alle diverse molecole. La differenza di pressione parziale dei diversi gas attraverso la membrana è il parametro più importante. Lavorano ad alte pressioni (25 40 bar) o basse pressioni (9 bar). Le membranepossonoessereabasedipolimerioacetatodicellulosa:discreticostidi manutenzione. Elevata flessibilità impiantistica, dimensioni anche piccole % di CH 4 nel biometano 10 12% di CH 4 nel gas di coda H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni

Lavorano ad alte pressioni (25 40 bar) o basse pressioni (9 bar).

12 Tecnologia criogenica Tecnologia che sfrutta il punto di ebollizione dei gas (CO 2 78 C, CH C): il biogas viene raffreddato fino al punto in cui la CO 2 condensa e può essere separata come liquido. Tecnologia costosa, energeticamente dispendiosa, applicazione relativamente rara, tipica nel caso si voglia fare biometano liquefatto 90% di CH 4 nel biometano In 1 solo stadio 0,5 2% di CH 4 nel gas di coda In 1 solo stadio H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni

Tecnologia costosa, energeticamente dispendiosa, applicazione relativamente rara, tipica nel caso si voglia fare

13 Gas di coda! Il gas di coda difficilmente può essere combusto in torcia senza il sostentamento di gas naturale o biogas. Le perdite di metano devono essere limitate al massimo per note ragioni economiche e ambientali. Il gas di coda può: essere miscelato con biogas per essere utilizzato in cogenerazione essere trattato per ossidazione termica (sistemi di ossidazione senza fiamma) essere trattato per ossidazione catalitica essere trattato ulteriormente con un secondo passaggio in membrana essere trattato per recuperare CO 2 e/o essere integrato in sistemi Power to gas

Il gas di coda può: essere miscelato con biogas per essere utilizzato in cogenerazione essere trattato per ossidazione termica (sistemi di

14 Comparazione tecnologica Valori indicativi riportati dalle poche esperienze consolidate disponibili Water scrubber MEA/DMEA PSA Membrane Criogenico Pressione di lavoro (bar) Purezza massima (%) * 91 Perdite di CH 4 (%) <2 <0.1 <2 nd <2 10 Deumidificazione preliminare si si no no no Desolforazione preliminare no si si si si Operatività annua (%) Costo energetico (kwh/m 3 biometano) Costo complessivo ( /m 3 biometano) 0,43 0,646 0,335 0,769 nd 0,13 0,17 0,28 0,25 0,12 0,22 0,44 * Con un solo stadio (de Hullu et al. 2008; Berndt, 2006; Beil, 2009; Patterson et al., 2009)

1 <2 nd <2 10 Deumidificazione preliminare si si no no no Desolforazione preliminare no si si si si Operatività annua (%) 96 91 94 98 98 Costo energetico

15 Il Progetto BIOMETHER Il biometano in Regione Emilia-Romagna Azioni: Realizzazione di due impianti dimostrativi per l upgrading di biogas e produzione di biometano per distribuzione in rete e per l autotrazione. Misure Strategiche (network biometano, scenari, linee guida, orientamento del sistema normativo/pianificatorio regionale) Partners: ASTER coordinamento. Comunicazione e divulgazione, misure strategiche CRPA partner scientifico. Analisi e monitoraggio, misure strategiche SAFE progettazione e costruzione impianti upgrading HERA, IREN gestione degli impianti, produzione e distribuzione biometano RER cofinanziatore

Misure Strategiche (network biometano, scenari, linee guida, orientamento del sistema normativo/pianificatorio regionale) Partners: ASTER coordinamento.

16 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A. Grazie per l attenzione Sergio Piccinini, Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA IL DECRETO PER IL BIOMETANO ITALIANO: PROSPETTIVE DI MERCATO E TECNOLOGIE DISPONIBILI 16 DICEMBRE 2013 BOLOGNA Centro Congressi ZANHOTEL CENTERGROSS

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