La produzione di Idrogeno e Metano Sintetico da Fonte Rinnovabile non Programmabile

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1 La produzione di Idrogeno e Metano Sintetico da Fonte Rinnovabile non Programmabile Ing. Maria Alessandra Ancona DIN-Dipartimento Ing. Industriale, Università di Bologna

2 AGENDA Introduzione Il concetto di Power-to-Gas o biometano da fonte rinnovabile non programmabile Il processo di metanazione: elettrolizzatore e reattore Sabatier Idrogeno vs metano Impianti pilota esistenti Osservazioni conclusive 2

3 Sistemi di Accumulo Energia Elettrica 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 3

4 Sistemi di Accumulo Energia Elettrica 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 4

5 IL SISTEMA DI ACCUMULO 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. 5

6 1. 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. 6

7 1. Elettrolizzatore Classificazione sulla base dell elettrolita utilizzato per la conduzione di ioni tra anodo e catodo: elettrolizzatori alcalini elettrolizzatori a membrana polimerica (anche indicati come PEM Proton Exchange Membrane) elettrolizzatori ad ossidi solidi (SOEC - Solid Oxide Electrolysis Cell) Alcalini (KO) Polimerici (PEM) Ad ossidi solidi (SOEC) Elettrolita KO Membrana Mat. Ceramico polimerica (Nafion) Ni/YSZ Portatori di carica O, K + + O 2- Alimentazione 2 O (liq) 2 O (liq) 2 O (gas) Temperature di esercizio [ C] Diversi livelli di temperatura: elettrolizzatori a bassa temperatura (alcalini e PEM) elettrolizzatori ad alta temperatura (SOEC) 7

8 1. 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): vapore d acqua, operano a temp C 8

9 1. Elettrolizzatore - SOEC Schema di funzionamento Il vapore d acqua è alimentato al catodo. Quando viene applicato un potenziale agli elettrodi, l acqua diffonde nei siti reattivi e viene dissociata in idrogeno gassoso e ioni O2-. L idrogeno prodotto diffonde fino alla superficie esterna catodica e viene raccolto, mentre gli ioni O2- migrano attraverso l elettrolita verso l anodo, dove sono ossidati ad ossigeno gassoso che si libera attraverso la superficie del comparto anodico. 9

10 1. Elettrolizzatore - SOEC impiego di elettroliti realizzati con materiali ceramici (es. a base di ossidi di zirconio stabilizzati con ittrio - YSZ) gli elettrodi sono realizzati in materiali conduttori porosi I materiali utilizzati nella fabbricazione degli elettrodi devono avere buone proprietà di conduzione elettronica e ionica e presentare elevata porosità ed attività catalitica per le reazioni di interesse L elettrolita solido inoltre deve essere sufficientemente denso da evitare il contatto diretto tra i gas, che altrimenti si ricombinerebbero cortocircuitando la cella 10

11 1. Elettrolizzatore - SOEC Vantaggi: Stato solido dei componenti: eliminazione dei problemi connessi alla corrosione e all evaporazione dell elettrolita riducendo i costi di esercizio. Utilizzo di metalli non preziosi per la catalisi: riduzione dei costi di produzione e di esercizio delle celle elettrolitiche. Possibilità di utilizzo di acqua non precedentemente purificata: al contrario degli elettrolizzatori convenzionali, non richiedono una purificazione dell acqua o la rimozione dell eventuale CO2 dal gas. Possibilità di sfruttare il calore generato: l elevata temperatura di esercizio permette un recupero utile del calore generato all interno del sistema incrementando così l efficienza totale. Elevate efficienze di conversione: grazie all elevata temperatura di esercizio, questi sistemi potrebbero realisticamente raggiungere efficienze di conversione dell elettricità in idrogeno superiori al 90% e teoricamente prossimi al 100%. 11

12 2. Reattore Sabatier (metanatore) 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. 12

13 2. Reattore Sabatier (metanatore) La resa in metano del reattore è influenzata anche dalla pressione di esercizio: 1 Alte temperature ed elevate pressioni favoriscono la conversione in C C4 out / CO2 in Yield p=1 bar, (CO2/2) inlet =1:4 p=10 bar, (CO2/2) inlet =1:4 p=30 bar, (CO2/2) inlet =1:4 Nel range di temperature ottimale un incremento di pressione oltre i 10 bar non apporta sostanziali incrementi nella produzione di metano Limiti di legge da rispettare per l immissione del metano sintetico in rete! T emperature ( C) 13

14 Idrogeno vs. Metano 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 ] legata alla densità energetica, per unità di volume e per unità di massa 14

15 Idrogeno vs. Metano in tutto il range di pressioni evidenziate, la densità energetica del metano risulta superiore a quella dell idrogeno a parità di densità energetica per unità di volume, il metano può essere operato a valori di pressione inferiori di circa un fattore 1/3 della pressione dell idrogeno, con conseguenti minori dispendi energetici per la compressione 15

16 Idrogeno vs. Metano 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 ] indicatore di qualità di un combustibile, utilizzato nella pratica industriale per misurarne l intercambiabilità, in primo luogo rispetto al gas naturale, all interno di apparati di combustione 16

17 P2G 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). 17

18 P2G Impianti Esistenti 1. Aeroporto di Berlino Aeroporto di Berlino 18

19 P2G Impianti Esistenti 2. Wertle Plant 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, 6 MW di elettrolisi 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. 19

20 P2G Impianti Esistenti 3. Falkenhagen Plant Falkenhagen (Germany) plant: proprietà E. ON (2013, 2 MW, 360 Nm 3 2 /h) Produzione energia da eolico 2 immesso nella rete gas 20

21 Power-to-Gas osservazioni conclusive Necessità di massimizzare lo sfruttamento delle FER-NP, minimizzando i disturbi sulla rete. Adozione di sistemi di accumulo elettrico per svincolare la produzione delle FER-NP dalla domanda. Elevate potenzialità 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 e rende trasportabile l energia prodotta da FER-NP. Tecnologia potenzialmente scalabile dalle piccolissime taglie (tipiche della generazione distribuita) alla grande generazione di potenza. 21

22 La produzione di Idrogeno e Metano Sintetico da Fonte Rinnovabile non Programmabile Grazie per l attenzione