Sistemi e tecnologie per l upgrading del biometano

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1 Centro Studi di Economia e Tecnica dell Energia Giorgio LEVI CASES Centro interdipartimentale di ricerca Lo sviluppo del Biometano in Veneto alla luce del nuovo Decreto del 2 marzo 2018 Aula Magna Pentagono, Campus di Agripolis viale dell Università 16 Legnaro (Pd) 11 aprile 2018 Sistemi e tecnologie per l upgrading del biometano Elena Barbera Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Padova 1

2 Biogas upgrading FORSU BIOGAS Reflui agro-zootecnici CH 4 (50-80% v/v) CO 2 (25-50% v/v) N 2 (0.5-3% v/v) O 2 (0-0.5% v/v) H 2 S ( ppm) NH 3 (0-100 ppm) H 2 O (saturazione) UPGRADING EVENTUALI PRETRATTAMENTI 2

3 Tecnologie di upgrading Pressure Water Scrubbing (PWS) Pressure Swing Adsorption (PSA) UPGRADING Chemical scrubbing with hot potassium carbonate (HPC) Membrane technology 3

4 Tecnologie di upgrading Pressure Water Scrubbing (PWS) UPGRADING Chemical scrubbing with hot potassium carbonate (HPC) Pressure Swing Adsorption (PSA) Membrane technology 4

5 Pressure water scrubbing (PWS) Assorbimento fisico: sfrutta la differenza di solubilità di CO 2 e CH 4 in un solvente (acqua), per assorbire selettivamente la prima Solubilità di CO 2 e CH 4 in H 2 O a T = 25 C CO 2 Biogas P = 6-10 bar CH 4 5

6 Pressure water scrubbing (PWS) Assorbimento fisico: sfrutta la differenza di solubilità di CO 2 e CH 4 in un solvente (acqua), per assorbire selettivamente la prima T = C P = 6-10 bar Solubilità di CO 2 e CH 4 in H 2 O a T = 25 C P = 3-5 bar Biogas CO 2 CH 4 6

7 Pressure water scrubbing (PWS) Assorbimento fisico: sfrutta la differenza di solubilità di CO 2 e CH 4 in un solvente (acqua), per assorbire selettivamente la prima P = 1 bar Solubilità di CO 2 e CH 4 in H 2 O a T = 25 C Biogas CO 2 CH 4 7

8 Pressure water scrubbing (PWS) Purezza del biometano > 98% vol Recupero del metano 98-99% Consumi specifici: kwh/nm 3 Tecnologia robusta ed affidabile Nessun fabbisogno di reagenti chimici Non vi è consumo di calore Possibilità di rimozione anche dell H 2 S Necessità di deumidificazione del biometano Aumento del contenuto di tracce di N 2 e O 2 nel biometano prodotto Bassa purezza della CO 2 prodotta Necessità di alte portate di acqua: apparecchiature di grosse dimensioni Smaltimento di consistenti quantità di acqua acidificata 8

9 Tecnologie di upgrading Pressure Water Scrubbing (PWS) UPGRADING Chemical scrubbing with hot potassium carbonate (HPC) Pressure Swing Adsorption (PSA) Membrane technology 9

10 Chemical scrubbing (HPC) Assorbimento chimico: impiego di una soluzione in cui la CO 2 non solo viene disciolta, ma viene coinvolta in una reazione chimica. Tradizionalmente soluzioni di ammine (MEA, DMEA), molto efficienti ma associate a problemi di tossicità per l uomo e l ambiente. Soluzioni saline: K 2 CO 3 (Hot Potassium Carbonate) Biogas P = 5-15 bar 4

11 Chemical scrubbing (HPC) Assorbimento chimico: impiego di una soluzione in cui la CO 2 non solo viene disciolta, ma viene coinvolta in una reazione chimica. Tradizionalmente soluzioni di ammine (MEA, DMEA), molto efficienti ma associate a problemi di tossicità per l uomo e l ambiente. K 2 CO 3 30% w/w Soluzioni saline: K 2 CO 3 (Hot Potassium Carbonate) Biogas T = C P = 5-15 bar P = 3-5 bar University of Padova, 13 th of October

12 Chemical scrubbing (HPC) Assorbimento chimico: impiego di una soluzione in cui la CO 2 non solo viene disciolta, ma viene coinvolta in una reazione chimica. Tradizionalmente soluzioni di ammine (MEA, DMEA), molto efficienti ma associate a problemi di tossicità per l uomo e l ambiente. T = 50 C P = 1 bar Soluzioni saline: K 2 CO 3 (Hot Potassium Carbonate) Biogas T = 110 C University of Padova, 13 th of October

13 Chemical scrubbing (HPC) Purezza del biometano > 98% vol Recupero del metano 99.9% Consumi elettrici specifici: kwh/nm 3 Necessità di deumidificazione del biometano Elevati consumi termici ( kwh/nm 3 ) Impiego di reagenti chimici Elevata purezza della CO 2 prodotta (99.9%) Portate di soluzione molto inferiori (1/4-1/10) Non vi è introduzione di O 2 nel processo 13

14 Tecnologie di upgrading Pressure Water Scrubbing (PWS) Pressure Swing Adsorption (PSA) UPGRADING Chemical scrubbing with hot potassium carbonate (HPC) Membrane technology 14

15 Pressure Swing Adsorption(PSA) Adsorbimento a pressione oscillante: impiego di materiali porosi ad alta superficie specifica in grado di adsorbire selettivamente CO 2,N 2 e O 2 in pressione, e di rilasciarli a pressione inferiore. Adsorbenti di equilibrio (zeoliti): adsorbono quantità più elevate di CO 2 rispetto a CH 4 Adsorbenti cinetici (CMS): adsorbono molto più rapidamente la CO 2 rispetto al CH 4 BIOCH4 Adsorbimento Depressurizzazione MCOMPR C1 C2 C3 C4 C5 C6 ~ 22 s BIOGAS OUTGAS Pressurizzazione Spurgo COMPR1 HE1 COMPR2 HE2 University P of = 4-10 Padova, bar 13 th of October

16 Pressure Swing Adsorption(PSA) Adsorbimento a pressione oscillante: impiego di materiali porosi ad alta superficie specifica in grado di adsorbire selettivamente CO 2,N 2 e O 2 in pressione, e di rilasciarli a pressione inferiore. Adsorbenti di equilibrio (zeoliti): adsorbono quantità più elevate di CO 2 rispetto a CH 4 Adsorbenti cinetici (CMS): adsorbono molto più rapidamente la CO 2 rispetto al CH 4 BIOCH4 Adsorbimento Depressurizzazione MCOMPR ~ 200 s C1 C2 C3 C4 C5 C6 ~ 22 s BIOGAS OUTGAS Pressurizzazione Spurgo COMPR1 HE1 COMPR2 P = 0.1 bar HE2 University of Padova, 13 th of October

17 Pressure Swing Adsorption(PSA) Adsorbimento a pressione oscillante: impiego di materiali porosi ad alta superficie specifica in grado di adsorbire selettivamente CO 2,N 2 e O 2 in pressione, e di rilasciarli a pressione inferiore. Adsorbenti di equilibrio (zeoliti): adsorbono quantità più elevate di CO 2 rispetto a CH 4 Adsorbenti cinetici (CMS): adsorbono molto più rapidamente la CO 2 rispetto al CH 4 BIOCH4 Adsorbimento Depressurizzazione MCOMPR C1 C2 C3 C4 C5 C6 ~ 200 s BIOGAS OUTGAS Pressurizzazione Spurgo COMPR1 HE1 COMPR2 HE2 University of Padova, 13 th of October

18 Pressure Swing Adsorption(PSA) Purezza del biometano > 98% vol Recupero del metano 98-99% Consumi elettrici specifici: kwh/nm 3 Tecnologia robusta ed affidabile Non vi è necessità di deumidificare il biometano Bassa purezza della CO 2 prodotta Particolarmente sensibile all H 2 S Alti costi capitali (conveniente per taglie impiantistiche > 500 Nm 3 /h di biogas Necessità di buffer per il biogas in ingresso e per il biometano in uscita Parziale riduzione delle tracce di O 2 ed N 2 Longevità dei CMS Non vi è consumo di calore 18

19 Tecnologie di upgrading Pressure Water Scrubbing (PWS) Pressure Swing Adsorption (PSA) UPGRADING Chemical scrubbing with hot potassium carbonate (HPC) Membrane technology 19

20 Membrane technology Membrane: sfrutta la differenza di permeabilità di CO 2 e CH 4 attraverso membrane polimeriche. CO 2 e O 2 permeano attraverso la membrana, mentre CH 4 e N 2 restano nel retentato. P = 5-20 bar Biogas CO 2 CH 4 N 2 O 2 Forza motrice: gradiente di pressione parziale Selettività CO 2 /CH 4 :

21 Membrane technology Membrane: sfrutta la differenza di permeabilità di CO 2 e CH 4 attraverso membrane polimeriche. CO 2 e O 2 permeano attraverso la membrana, mentre CH 4 e N 2 restano nel retentato. P = bar P = bar Biogas CO 2 CH 4 N 2 O 2 Forza motrice: gradiente di pressione parziale Selettività CO 2 /CH 4 :

22 Membrane technology Membrane: sfrutta la differenza di permeabilità di CO 2 e CH 4 attraverso membrane polimeriche. CO 2 e O 2 permeano attraverso la membrana, mentre CH 4 e N 2 restano nel retentato. Biogas CO 2 CH 4 N 2 O 2 P = 1-3 bar Forza motrice: gradiente di pressione parziale Selettività CO 2 /CH 4 :

23 Membrane technology Purezza del biometano >98% vol Recupero del metano > 99% Consumi elettrici specifici: kwh/nm 3 Buona purezza della CO 2 prodotta (98.9%) Non vi è necessità di deumidificare il biometano Necessità di sostituire le membrane (5-6 anni - >10) Prestazioni ridotte gradualmente nel tempo Perdite di carico lungo i moduli Suscettibili a solfuri, ammoniaca, idrocarburi, composti aromatici Parziale riduzione delle tracce di O 2 ed N 2 Non vi è consumo di calore 23

24 Conclusioni RIASSUNTO PRESTAZIONI Tecnologia Purezza bio-ch 4 [% vol] Recupero bio-ch 4 [%] Consumi termici [kwh/nm 3 biogas] Consumi elettrici [kwh/nm 3 biogas] PWS > 98% 98-99% HPC > 98% 99.9% PSA >98% 98-99% Membrane >98% >99% I valori sono ricavati da letteratura, analisi dirette, e da calcoli di simulazioni di processo In termini di prestazioni, e di costi, non vi sono grosse differenze tra le tecnologie di upgrading. La scelta della tecnologia migliore dipenderà dalle caratteristiche del biogas da trattare e dall utilizzo finale del biometano prodotto 24