Upgrading del biogas a biometano tecnologie a confronto

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1 Upgrading del biogas a biometano tecnologie a confronto W. Giacetti, E. Parelli, R. Corleto ECOMONDO Sessione Tecnica: IL BIORIFIUTO Rimini, 6 novembre 2014

2 ETRA S.p.A.

3 Impianti biogas di ETRA S.p.A. Polo rifiuti di Bassano del Grappa Centro biotrattamenti di Camposampiero FORSU Frazione Verde Nm 3 biogas /anno FORSU Fanghi Nm 3 biogas/anno Discarica di Campodarsego Rifiuti non riciclabili Nm 3 biogas/anno E.B.S. Etra Biogas Schiavon Effluenti zootecnici Coltivazioni agricole dedicate Nm 3 biogas/anno

4 Sviluppi Futuri Polo rifiuti di Bassano del Grappa Studio di fattibilità mirato alla realizzazione di un impianto di upgrading del biogas, di compressione, stoccaggio ed erogazione del biometano da utilizzare per rifornire l intero parco mezzi di ETRA S.p.A e/o per essere venduto o ai consumatori finali oppure ai distributori di metano Centro biotrattamenti di Camposampiero Accordo di Collaborazione tra ETRA S.p.A. e RSE S.p.A. per la sperimentazione di un sistema innovativo per l upgrading del biogas: la tecnologia proposta per la cattura della CO 2 si basa sull impiego di un sorbente solido costituito prevalentemente da dietanolammina (DEA) su supporto di ossido di alluminio (Al 2 O 3 ) il processo opera il modalità combinata di Temperature and Pressure Swing Adsorption (TPSA)

5 Impianto DA di Bassano del Grappa(VI)

6 Impianto DA di Bassano del Grappa(VI) STATO ATTUALE STATO DI PROGETTO

7 Considerazioni preliminari BIOGAS DEPURAZIONE PURIFICAZIONE (UPGRADING) desolforazione CH deumidificazione 4 = 50 70% depolverazione rimozione NH 3 controllo inquinanti in traccia rimozione CO 2 CH 4 = 90 98% BIOMETANO POST TRATTAMENTI compressione odorizzazione miglioramento parametri combustione aggiunta di propano, butano,gpl

8 Attività di Ricerca & Sviluppo In un settore relativamente nuovo come quello del biometano, l attività di Ricerca & Sviluppo assume un ruolo estremamente importante, in quanto vengono proposte costantemente nuove varianti dei sistemi di upgrading atte a garantire delle migliori performance Collaborazione con più di 40 aziende operanti nel settore del biometano su scala mondiale per lo più dislocate nel nord Europa ma anche negli USA e nel Canada (conclusa a luglio 2014)

9 Processi di upgrading del biogas Tutte le tecnologie di rimozione della CO 2 attualmente disponibili sul mercato danno origine ad un flusso di un gas ricco di metano (biometano) un flusso di gas ricco di biossido di carbonio (offgas)

10 Absorbimento La separazione della CO 2 avviene per il contatto tra il flusso di biogas con una corrente liquida in grado di absorbirla selettivamente rispetto agli altri componenti del biogas alimentati in controcorrente in una colonna di assorbimento da cui la corrente gassosa purificata esce dall alto della colonna mentre dal basso defluisce il solvente liquido ricco di anidride carbonica sottratta al biogas e si rende necessario rigenerare il solvente tramite asportazione della CO 2 Assorbimento Rigenerazione

11 Absorbimento fisico: Water scrubbing Disidratazione CO 2 e H 2 S Rigenerazione solvente Compressione H 2 O Fonte: Biogasmax La separazione contestuale di CO 2 e H 2 S dal flusso gassoso avviene sfruttando la maggiore solubilità in acqua di tali composti rispetto a quella del CH 4 Il sistema si presenta con due distinte configurazioni impiantistiche commerciali la differenza risiede nella presenza o meno della rigenerazione degli spurghi liquidi

12 Absorbimento fisico: Lavaggio fisico Compressione CO 2 e H 2 S H 2 O Rigenerazione solvente Fonte: Biogasmax L assorbimento della CO 2 può essere condotto utilizzando un solvente sostitutivo all acqua, quale è il PoliEtilen-Glicole (PEG), che presenta maggiori capacità di dissoluzione nei confronti della CO 2 cinque volte superiore rispetto all absorbimento mediante acqua pressurizzata

13 Absorbimento chimico sol.organici H 2 S Disidratazione CO 2 Rigenerazione solvente H 2 O Fonte: Biogasmax L operazione di assorbimento in colonna può essere condotta utilizzando un reagente chimico costituite da soluzioni alcaline di ammine monoetanolammina MEA dietanolammina DEA metildietanolammina MDEA

14 Absorbimento chimico sol.inorganici Disidratazione Sistema raffreddamento CO2 e olio CO 2 e H 2 S Rigenerazione solvente Compressione Fonte: GM-GreenMethane La CO 2 viene rimossa mediante lavaggio con soluzione di K 2 CO 3 (Carbonato di Potassio) nella colonna di assorbimento

15 Adsorbimento: PSA 1/2 È possibile separare l anidride carbonica dal biogas per adsorbimento su letti di carboni attivi o setacci molecolari (possono essere impiegate le zeoliti o i CMS-carbon molecular sieves): il CH 4 ha una dimensione di 3.8 Å e la CO Å vengono separate con un adsorbente con porosità di 3.7 Å Fonte: Bio.Ret.E- Quaderni di ricerca 2011 Un impianto PSA è costituito da una serie di colonne riempite di materiale adsorbente, generalmente da 4 a 6 che operano in parallelo, in cui lo stesso ciclo (il più semplice proposto da Skarstrom prevede quattro o sei fasi ) viene riprodotto con un opportuno sfasamento, in modo da emulare un processo continuo la separazione dei componenti di una miscela condotta ad elevata pressione la rigenerazione del solido adsorbente è ottenuta riducendo la pressione totale in colonna

16 Adsorbimento: PSA 2/2 Compressione CO 2 H 2 S H 2 O Fonte: Biogasmax

17 Permeazione: Tecn. a Membrane 1/2 Una tecnologia di separazione della CO 2 basata su configurazioni impiantistiche che prevedono per il processo separativo moduli di membrane polimeriche (polisifone, poliimmide, polidimetilos) costituite da materiali permeabili all'anidride carbonica, acqua, ammoniaca, solfuro di idrogeno, ossigeno e azoto i quali passano attraverso la membrana in considerevole misura mentre il metano passa solo in misura molto ridotta Fonte: Bio.Ret.E- Quaderni di ricerca 2011 Principio di funzionamento di una membrana semi-permeabil: il retentato ricco in CH 4 il permeato ricco in CO 2

18 Permeazione: Tecn. a Membrane 2/2 Compressione Permeazione a3 stadi H 2 S e H 2 O Fonte: MT Biomethan

19 Processi criogenici L anidride carbonica viene separata fisicamente dal metano condensandola a temperature criogeniche, attraverso più passaggi di compressione e raffreddamento sfruttando i diversi punti di ebollizione delle componenti presenti (il metano ha un punto di ebollizione pari a -160 C a pressione atmosferica, mentre per la CO 2 è pari a -78 C) cosicchè la CO 2 può essere separata dal biogas sotto forma di liquido Compressione Raffreddamento Fonte: Biogasmax Silossani H 2 S CO 2 liquida

20 Caso esemplificativo Schema impiantistico Fonte: Cirmac Purificazione di biogas Weltec(Arneburg, Germania) Fonte: Bilfinger EMS GmbH Absorbimento chimico con solventi organici

21 Diffusione commerciale Le tecnologie più utilizzate sono Water Scrubber, Lavaggio chimico con solventi organici e PSA 49 impianti nel impianti nel 2014 circa il 30% degli impianti tratta Nm 3 /h di biogas Fonte. IEA Bioenergy Task 37 Gennaio 2014

22 Analisi Tecnica Sono stati individuati i parametri più significativi necessari ad effettuare un confronto tra le varie tecnologie esclusivamente ricondotto al caso di ETRA S.p.A. (657 Nm 3 /h di biogas grezzo) * Valori riferiti ai Nm 3 di biogas grezzo (raw biogas) La metodologia di scelta per effettuare l analisi tecnica, verte su i due fattori tecnici che maggiormente influenzano gli indicatori economici ed ambientali I consumi energetici necessari al processo di upgrading Il recupero di metano ottenuto dal processo di purificazione

23 Analisi Tecnica: Confronto 1/3 I consumi energetici: energia elettrica I consumi di energia elettrica per lo più imputabili alla sola fase di compressione sono strettamente connessi a quella che è la pressione in uscita dall impianto non solo per il calcolo degli OPEX ma anche in ottica di una successiva fase di ri-compressione in virtù dei diversi usi del biometano

24 Analisi Tecnica: Confronto 2/3 I consumi energetici: energia termica La richiesta di energia termica va considerata per i soli processi che necessitano di calore per la rigenerazione del solvente Lavaggio chimico con solventi organici (Ammine) Lavaggio chimico con solventi inorganici (K 2 CO 3 )

25 Analisi Tecnica: Confronto 3/3 Recupero di metano Nessuna tecnologia di separazione riesce a garantire un recupero di metano pari al 100%, se il flusso di gas di scarico possa essere immesso nell atmosfera o se deve essere ulteriormente trattato dipende: dal contenuto di metano dell offgas dallo slip di metano dell'impianto di upgrading (quantità di metano nel gas di scarico rispetto alla quantità di metano presente nel biogas grezzo in ingresso) dalla situazione giuridica presso l impianto Per i processi con slip di metano maggiore o uguale dello 0,5%* sarà ipotizzata l installazione di un sistema di trattamento RTO *Ai sensi della normativa tedesca DVGW la quale afferma che le emissioni di metano nell atmosfera devono essere pari max. 0,2% 0,5% in rapporto al gas in ingresso

26 Analisi Economica I costi d investimento per un impianto di 657 Nm 3 /h variano tra poco più 1,6 mln fino ad arrivare a circa 2 mln Dalla ripartizione percentuale delle singole voci di costo appare evidente come i maggiori costi di gestione sono imputabili ai consumi di energia elettrica, maggiore del 60% nei sistemi che prevedono la compressione iniziale, fino ad arrivare quasi all 80% nel caso del lavaggio fisico

27 Team di Lavoro Ing Walter Giacetti Responsabile Area Ricerca Innovazione e Sviluppo Lab. Compliance Ambientale- ETRA S.p.A. Ing Enrico Parelli (e.parelli@etraspa.it) Responsabile Ricerca & Sviluppo - Progetti Innovativi ETRA S.p.A. Dott. Raffaele Corleto (r.corleto@etraspa.it) Ricerca & Sviluppo - Progetti Innovativi ETRA S.p.A. Etra S.p.A. - Energia Territorio Risorse Ambientali Sede legale: Bassano del Grappa (VI) Sede amministrativa: Via del Telarolo, Cittadella (PD) info@etraspa.it