Convegno conclusivo. Tecnologia di upgrading con membrane: i risultati del prototipo. Nicola Labartino. Giordano Gozzi

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1 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Tecnologia di upgrading con membrane: i risultati del prototipo Nicola Labartino Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia Giordano Gozzi Francesco Magli

2 Task 1: Validazione e verifica dell efficienza e dell efficacia della tecnologia di upgrading con membrane, operando su un prototipo di Biometano Estense Laboratori: CRPA Lab e LEAP Aziende: Biometano Estense, Idro Meccanica, System Gas Biogas grezzo CO 2 + CH 4 Biogas grezzo in pressione Membrana Biometano Attività: Compressore CH 4 CO 2 CO 2 Sul prototipo con tecnologia a membrane, messo a disposizione da Biometano Estense, sono stati effettuati una serie di test finalizzati a verificarne l efficienza di separazione dei gas (CH4, CO2 e altre impurezze) e la qualità del biometano prodotto (in conformità a quanto richiesto dalla norma UNI/TR 11537:2016). Si sono misurate le possibili emissioni in atmosfera di gas serra ed i costi di esercizio.

3 Test di upgrading biogas a biometano Sono state eseguite quattro campagne di campionamenti, due primaverili, una estiva ed una autunnale, per determinare la qualità e la quantità del biometano prodotto con il prototipo installato presso l Az. Agricola Colombaro 2 di Formigine. Il prototipo è stato progettato con 2 membrane che possono lavorare in serie o in parallelo. In seguito, il sistema è stato implementato con l installazione di un secondo pacco costituito da 5 membrane, grazie alla collaborazione con Biomether, Progetto Life+, che ha prestato l attrezzatura per testarne l efficacia.

4 Le prove di upgrading Sono state eseguite prove di upgrading per testare e mettere a punto il sistema, variando sia la pressione in ingresso al sistema di membrane (range 6-22 bar), che il percorso del biogas attraverso le membrane, facendo lavorare le membrane sia in serie che in parallelo. I risultati migliori si sono ottenuti con la configurazione a due stadi, con il primo stadio costituito da 2 membrane in parallelo e il secondo stadio costituito da 5 membrane in parallelo.

5 Analisi certificate del biogas in ingresso e del biometano in uscita dall impianto di upgrading di Colombaro: Punto di campionamento Pressione (bar) CH 4 CO 2 H 2 O 2 N 2 (%v/v) (%v/v) (%v/v) (%v/v) (%v/v) Biogas - 53,60 42,20-0,8 3,40 Uscita dopo uno stadio di upgrading (in parallelo) 16 82,80 13,60 0,001 0,68 2,90 Biogas - 53,50 44,10 0,006 0,54 1,90 Uscita dopo due stadi di upgrading (in serie) 14 97,50 0,89 <0,001 0,31 1,30 Biogas - 53,80 43,30 0,004 0,61 2,30 Uscita dopo due stadi di upgrading (in serie) 16 99,00 0,08 <0,001 0,19 0,72 Flusso biogas in ingresso: ragne Sm 3 /h Flusso biometano in uscita: range Sm 3 /h

6 L analisi dell Off-gas Sono stati analizzati gli off-gas in uscita dal primo e secondo stadio per conoscerne il contenuto di CH4 e CO2 L off-gas del primo stadio è più ricco in CO2 e quindi può essere smaltito in torcia o sfruttato per altri scopi (vedi crescita algale) L off-gas del secondo stadio è più ricco della componente CH4 e quindi ricircolabile in testa all impianto per un ulteriore recupero energetico Off-gas primo stadio media CH4 CO2 9,69 (± 1,66) 89,30(± 2,92) Off-gas secondo stadio media 38,43 (± 8,95) 54,90(± 9,83)

7 L off gas del 1 stadio è stato campionato, insacchettato e inviato al CIRI EA, sede di Ravenna, per le prove di sfruttamento della CO2 di risulta finalizzate alla crescita algale

8 Il modello di membrana Il modello numerico simula le prestazioni di membrane di tipo hollow fiber (fibra cava) asimmetriche. Materiale selettivo Permeato (off-gas) Alimento (biogas) Retentato (biometano) Materiale selettivo Il modello considera bilanci di massa, energia, perdite di carico, effetto di gas reale, proprietà in funzione della temperatura. Validato su dati di letteratura riferiti a varie miscele di gas di partenza. Fonti figure: membraneinsider.com, Robeson (2012), Polymer Science: A Comprehensive Reference, e Pan (1986), AIChE Journal, 32(12),

9 Caso studio Descrizione Il modello è stato usato per ottimizzare le prestazioni economiche (massimizzazione Valore Attuale Netto a 20 anni) di un impianto di produzione di biometano, con sistema di upgrading analogo al prototipo installato da Biometano Estense presso l Az. Agricola Colombaro 2. Off-gas Biogas Stadio 1 Stadio 2 Biometano Compressore 390 Nm 3 /h di biogas (~800 kw el ) da sottoprodotti agro-industriali. Variabili: pressione di compressione del biogas e area dei 2 stadi di membrana. Vincolo: il biometano prodotto deve rispettare le specifiche di rete.

10 Caso studio Configurazioni considerate Sono state confrontate 2 configurazioni, entrambe con motore cogenerativo per soddisfare gli autoconsumi termici ed elettrici: è tecnologia robusta e già nota nel settore biogas. Calore dissipato Gas naturale di rete Calore MOTORE Elettricità Elettricità immessa in COGENERATIVO rete Calore dissipato Calore MOTORE COGENERATIVO Elettricità Elettricità immessa in rete Off-gas Off-gas Biomassa SEZIONE DI DIGESTIONE ANAEROBICA Biogas SEZIONE DI UPGRADING A STADIO 1 MEMBRANE Biometano Biomassa SEZIONE DI DIGESTIONE ANAEROBICA Biogas SEZIONE DI UPGRADING A STADIO 1 MEMBRANE Biometano Digestato Digestato Separata: acquisto gas naturale per alimentare il motore Integrata: parte del biogas, miscelato con l offgas, alimenta il motore Il calore in eccesso è dissipato, l elettricità in eccesso è venduta alla rete.

11 Caso studio Risultati Biomassa 146 t/g SEZIONE DI DIGESTIONE ANAEROBICA Gas naturale 64 Sm 3 /h 284 kw th MOTORE 237 kw el Elettricità COGENERATIVO Digestato Off-gas 176 Sm 3 /h 3,8 % CH 4 immessa in rete 49 kw el Biogas Biometano STADIO 1 STADIO Sm 3 /h 234 Sm 3 /h 56,9 % CH 300 m m ,0 % CH 4 24 bar(g) Principali indicatori di prestazione valutati nel punto ottimo Consumo elettrico upgrading Recupero di CH 4 (CH 4 nel biometano/ch 4 nel biogas) 0,296 kwh/nm 3 biogas 97,2 % La configurazione separata risulta la migliore: conviene trasformare la maggior parte possibile del biogas in biometano rispetto a bruciarlo per soddisfare autoconsumi. Nell ipotesi «zero incentivi» il recupero di CH 4 si ferma al 93,3 %: il DM 2 marzo 2018 favorisce dunque una maggiore efficienza di trasformazione in biometano. TIR e tempi di payback sono attraenti per biomasse che danno origine a biometano avanzato.

12 Conclusioni Le prove svolte con il prototipo della Biometano Estense hanno dimostrato l applicabilità e le buone performances del sistema di upgrading a membrane, nello specifico applicato alla filiera del biogas agricolo. Il prototipo può lavorare a diverse pressioni ed è stato testato nel range di 6-22 bar, avendo migliori performance all aumentare della pressione di esercizio. Per raggiungere una qualità del biometano che soddisfi la norma UNI/TR 11537, è stato necessario installare il secondo stadio di upgrading. È stato costruito e validato un modello numerico in grado di simulare le prestazioni di sistemi di upgrading a membrane, utile per identificare le migliori condizioni di funzionamento e facilitare la progettazione di impianti futuri. Le simulazioni hanno mostrato che l attuale schema incentivante favorisce le soluzioni più efficienti di conversione del biogas in biometano, penalizzando usi alternativi del biogas.

13 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Grazie per l'attenzione gobiom.crpa.it Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia Nicola Labartino n.labartino@crpa.it Francesco Magli francesco.magli@polimi.it