Le tecnologie per la purificazione del biogas: costi e possibilità

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Battistina Giovannini
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1 la purificazione : costi e possibilità CONVEGNO IL BIOMETANO : un opportunità per le aziende agrozootecniche Sergio Piccinini, Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 6 marzo 2014 FIERA - CREMONA Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 6

2 Alcune definizioni Pulizia : 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

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

3 Principio fondamentale Biogas 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 Produzione EE + ET Rete + biocombustibile (Prasad Kaparaju, 2013) 3

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) 4

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

5 Tecniche di Upgrading 5

6 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 è 55 volte 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 6

un fluido solvente non reattivo. La CO 2 è 55 volte più solubile del CH 4.

7 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 CH4 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 7

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

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 (Courtesy: ISET, 2008) H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni 8

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 CO2 e H2S 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 9

dimensioni e consumi energetici sono inferiori.

10 Absorbimento chimico: ammine (MEA e DMEA) o soluzione di potassio carbonato Tecnologia molto complessa, ad alta efficienza (impianto + piccolo) ma non separa N2. Opera a pressioni molto basse grazie all alta affinità MEA/DMEA-CO2. Solvente rigenerata con processo termico 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 10

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 membrane possono essere a base di polimeri o acetato di cellulosa: discreti costi di manutenzione. Elevata flessibilità impiantistica 82-89% di CH 4 nel biometano 10-12% di CH 4 nel gas di coda H 2 S deve essere separato prima per evitare corrosioni 11

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

12 Tecnologia criogenica Tecnologia che sfrutta il punto di ebollizione dei gas (CO2 78 C, CH4 160 C): il biogas viene raffreddato fino al punto in cui la CO2 condensa e può essere separata come liquido. Tecnologia costosa, energeticamente dispendiosa, applicazione relativamente rara. 90% 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 12

Tecnologia costosa, energeticamente dispendiosa, applicazione relativamente rara.

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 13

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

14 Comparazione tecnologica Water scrubber MEA/DMEA PSA Membrane Criogenico Pressione di lavoro Purezza massima (%) Perdite di CH 4 (%) <2 <0.1 <2 nd <2-10 Deumidificazione preliminare Desolforazione preliminare si si no no no no si si si si Operatività annua (%) Costo energetico (kwh/m 3 biometano) 0,43 0,646 0,335 0,769 nd Costo complessivo ( /m 3 biometano) 0,13 0,17-0,28 0,25 0,12-0,22 0,44 14

1 <2 nd <2-10 Deumidificazione preliminare Desolforazione preliminare si si no no no no si si si si Operatività

15 Stato dell arte biometano in Europa Situazione IN EUROPA a dicembre 2013: > 230 impianti di upgrading circa 70% inietta il BM nella rete del gas naturale > 1 miliardo m 3 BM /anno Number Pojects planned Operating Plants 15

BM nella rete del gas naturale > 1 miliardo m 3 BM /anno Number

16 Potenzialità biometano in UE 16

17 Potenzialità /biometano in Italia Circa 8 Miliardi m 3 di CH 4 /anno o circa 3300 MWe Stima CIB

18 Possibili applicazioni nel settore agro-zootecnico Esempi virtuosi 18

19 Possibili applicazioni nel settore agro-zootecnico Esempi virtuosi 19

20 Possibili applicazioni nel settore agro-zootecnico Esempi virtuosi 20

21 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 21

22 Grazie per l attenzione CONVEGNO s.piccinini@crpa.it c.fabbri@crpa.it IL BIOMETANO : un opportunità per le aziende agrozootecniche 6 marzo 2014 FIERA - CREMONA Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

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