La produzione di biometano da fonte rinnovabile non programmabile

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1 La produzione di biometano da fonte rinnovabile non programmabile Ing. Maria Alessandra Ancona DIN-Dipartimento Ing. Industriale, Università di Bologna Ing. Lisa Branchini CIRI-Energia ed Ambiente, Università di Bologna

2 AGENDA Introduzione Il concetto di Power-to-Gas o biometano da fonte rinnovabile non programmabile Il processo di metanazione: elettrolisi e reattore Sabatier Il biometano nel quadro dei sistemi di accumulo Impianti pilota esistenti Osservazioni Conclusive 2

3 RINNOVABILI NON PROGRAMMABILI 2012: 27.5% della produzione da FR di cui 10% da FRNP 3

4 RINNOVABILI NON PROGRAMMABILI Problematiche: Crescente penetrazione della generazione da FRNP Priorità di dispacciamento associata a caratteristiche di variabilità e scarsa prevedibilità Disturbi sulla rete: necessità di aumentare le riserve primariesecondarie-terziarie di regolazione Necessità di massimizzare sfruttamento rinnovabili 4

5 RINNOVABILI NON PROGRAMMABILI In Italia tra 2009 e 2010 persi circa 700 GWh su una produzione complessiva di GWh (circa 4%) di potenziale energia del vento a causa di limitazioni sulla rete o disaccoppiamento con la domanda. La quota di energia persa è destinata a crescere con l aumento della potenza eolica installata. I sistemi di accumulo rappresentano una tecnologia strategica per garantire i servizi necessari alla stabilità e alla sicurezza del sistema elettrico e per massimizzare lo sfruttamento delle fonti rinnovabili. 5

6 POWER-to-GAS CO2 da altri processi (gassificazione, pirolisi, digestione anaerobica, ecc.) O metanazione O C O C C4 utenze O motore cogenerativo elettricità calore fuel cell O 2 2 O2 O elettrolisi 2 STOCCAGGIO 2 automotive combustibile rete gas Fonti Energetiche Rinnovabili (eolico + fotovoltaico) elettricità Integrare lo sfruttamento diretto di risorse rinnovabili sia programmabili (biomasse di origine vegetale e/o animale) che non programmabili (eolico e fotovoltaico) con un processo di produzione sia dell idrogeno che di metano sintetico. 6

7 ELETTROLIZZATORE Elettrolisi: scissione della molecola d acqua in ossigeno ed idrogeno per mezzo del passaggio di corrente elettrica continua in un opportuno elettrolita; processo endotermico richiede un contributo energetico dall esterno. 2 O O K= kj/mol Componenti fondamentali: Elettrodi Elettrolita Sistema di conversione AC/DC Le celle possono essere connesse in serie o in parallelo fino a raggiungere la taglia desiderata. 7

8 ELETTROLIZZATORE- LA CELLA L effetto della temperatura è estremamente rilevante sul comportamento del sistema: Tipologie di celle: bassa temperatura (alcaline, PEM): acqua allo stato liquido, operano a temp C alta temperatura (SOEC): vapor d acqua, operano a temp C 8

9 METANATORE-REATTORE SABATIER Il processo Sabatier permette la metanazione secondo le seguenti reazioni di idrogenazione dell anidride carbonica e del monossido di carbonio: CO C K =-165 kj/mol CO C K = 49.4 kj/mol Reazioni esotermiche favorite dalle alte temperature (tipicamente tra C) ed alte pressioni (40-60 bar). In presenza di un catalizzatore (Ni su allumina, Rh/SiO 2, Fe/SiO 2 etc.) per migliorare selettività del processo ed evitare reazioni di water gas shift. Il calore generato dalla reazione può essere efficacemente recuperato all interno del processo. 9

10 I SISTEMI DI ACCUMULO Sistemi di accumulo dell energia elettrica Meccanica Elettrochimica Chimica Elettromagnetica PS CAES Secondary BESS: LA, NiCd, NiMh, Li.on, NaS ydrogen: Fuel cell. SNG Supercapacitor SMES FES Flow BESS: Redox flow, ybrid flow 10

11 I SISTEMI DI ACCUMULO Volani Batterie (acidi deboli, Ni-Cd, Li-ioni, redox, ) CAES: Compressed air energy storage PS: Pompaggio Idrogeno e gas naturale sintetico 11

12 COSTO INVESTIMENTO SISTEMI DI ACCUMULO A CONFRONTO MATURITA 12

13 METANO Vs. IDROGENO Idrogeno- 2 Metano- C 4 Peso Molecolare [kg/kmol] Temperatura critica [ C] Pressione critica [bar] Calore latente di evaporazione (1 atm) [kj/kg] Densità gas (1 atm, 15 C) [kg/m 3 ] Densità liquido(1 atm, ebollizione) [kg/m 3 ] Potere calorifico [MJ/kg] Limite di infiammabilità (1 bar, 20 C) [% vol] Indice di Wobbe [MJ/Nm 3 ]

14 IMPIANTI ESISTENTI 14 impianti attualmente in esercizio con una tendenza ad aumentare la potenza installata: collocati in Germania (7), USA (6), Canada (5), Spagna (4), UK (4). Solo 2 impianti immettono anche 2 nell infrastruttura del gas naturale: Falkenhagen e Werlte. Gli altri alimentano principalmente stazioni di rifornimento o effettuano stoccaggio e riconversione locali (serbatoi + fuel cell). 14

15 IMPIANTI ESISTENTI (2) Aeroporto di Berlino 15

16 IMPIANTI ESISTENTI (3) e-gas project: Audi con ETOGAS (ex SolarFuel) e MT-BioMethan Circa 1000 t/anno di C 4 prodotto, sequestrate circa 2800 t/anno CO 2, calore residuale del processo di metanizzazione usato in un impianto adiacente che produce biogas. Impianto a biogas, alimentato a scarti alimentari, fornisce la CO 2 per la metanazione. Werlte plant 16

17 IMPIANTI ESISTENTI (3) Falkenhagen (Germany) plant: proprietà E. ON (2013, 2 MW, 360 Nm 3 2 /h) 17

18 OSSERVAZIONI CONCLUSIVE Necessità di massimizzare lo sfruttamento delle FRNP, minimizzando i disturbi sulla rete; Adozione di sistemi di accumulo elettrico per svincolare la produzione delle FRN dalla domanda; Elevate potenzialità per Power to-gas: sfruttamento della rete gas esistente, possibile sfruttamento della CO 2 da impianti di sequestro; Possibilità di generare energia virtualmente a zero emissioni di anidride carbonica. Ricerca e sviluppo crescente nell ambito delle tecnologie di elettrolisi (celle SOEC ad alta temperatura). Power to-gas fornisce una capacità di stoccaggio (grazie alla possibilità di iniezione nella rete del gas) potenzialmente illimitata. Tecnologia potenzialmente scalabile dalle piccolissime taglie (tipiche della generazione distribuita) alla grande generazione di potenza. 18

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