01 Aprile Contributo dellla ricerca di sistema nella generazione distribuita da biogas/biomasse. Stefano Besseghini

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1 01 Aprile 2016 Contributo dellla ricerca di sistema nella generazione distribuita da biogas/biomasse Stefano Besseghini

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4 RSE: facts and figures Milano - Piacenza 31 laboratori Finanziamento RDS, UE, Industrial partnership Indipendenza e terzietà

5 Progetti europei

6 Vision Attività di ricerca focalizzate sul settore elettrico ed energetico con particolare enfasi sullo sviluppo di applicazioni pilota. Approccio complessivo e di sistema con valorizzazione delle competenze multidisciplinari. Forte orientamento al supporto del sistema elettrico nazionale ed agli operatori industriali. Ampia disseminazione dei risultati delle ricerche (pubblici) e specifiche azioni di trasferimento tecnologico. 6

7 TGM SFE SSE TTD 7

8 Perché RSE? La complessità del sistema elettroenergetico richiede una attenzione: specifica di alto livello di sistema fortemente interdisciplinare e transdisciplinare strettamente connessa con il sistema produttivo Da: Sorbenti solidi per il sequestro di CO2

9 Milano 9

10 Linea 23kV TRASFORMATOR E 800 kva Smart Grid Test Facility SISTEMA DI SUPERVISIONE E ACQUISIZIONE DATI 200 kwe PV BATTERIE superc CARICHI SISTEMA DI COMUNICAZION E (LAN, Wireless, Powerline) IMPIANTO IBRIDO LIMITATORE SUPERCONDUTTIV O DI CORRENTE BATTERIE AL PIOMBO VLA PV DIESEL GENERATOR E EOLICO 3.6 kwe 10 kwe 8 kwe 8 kwe QUADRO GENERALE DI COMANDO 14 kwe CASA DOMOTICA 10 kwe SOLARE TERMODINAMI CO PV INVERTER I-POWER 3 kwe 10 kwe 90 kwth IMPIANTO ORC A BIOMASS E μch P 400V 45 kwe BATTERI E REDOX VOLANO RETE IN CORRENTE CONTINUA 100 kwe 64 kwe 100 kwe 160 kwth 100 kwfr MICROTURBIN A BATTERI A ZEBRA INVERTER 96 kwe 93 kwe 69 kvar 150 kvar CARICO PROGRAMMABI LE BATTERI A ZEBRA 100 kwe 10

11 GD test facility PV Gas engine Biomass Microturbine Storage Solar thermal Fuel cells Stirling motor 11

12 Piacenza Da: APOLLON: il laboratorio di Piacenza 12

13 Plateau Rosa Monitoraggio CO2 13

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15 Reti internazionali

16 22 participants 17 countries FTE: 100 my/y

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18 Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA RSE e il biometano Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA è una società per azioni interamente a capitale pubblico, fa parte del Gruppo GSE e svolge attività di ricerca applicata nel settore elettroenergetico. L organico è costituito da 350 dipendenti distribuiti nelle due sedi di Milano e Piacenza attività di laboratorio su nuovi sorbenti e, in campo, su impianto pilota di upgrading con sorbenti solidi; partecipazione ai lavori normativi all interno del GL2 Biometano del Comitato Italiano Gas (CIG); attività di supporto scientifico alle istituzioni (AEEG, GSE, Regioni, ) su problematiche specifiche (misura, valutazioni energetiche, ).

19 Il Biogas Composizione Discarica Digestione Anaerobica CH 4 (vol-%) Altri HC (vol-%) 0 0 H 2 (vol-%) CO 2 (vol-%) N 2 (vol-%) 5 40 ~0.2 O 2 (vol-%) H 2 S (ppm) NH 3 (ppm) ~ 5 ~100 PCI (kwh/nm 3 ) Fonte: IEA-Bioenergy Task 37 Il biogas è prodotto dalla degradazione della sostanza organica (fanghi, reflui zootecnici, rifiuti organici, ecc.) in ambiente anaerobico controllato (digestore anaerobico) e non (discarica). E costituito principalmente da CH 4 e CO 2 e può contenere impurezze che dipendono sia dalla matrice di partenza sia dai trattamenti subiti: H 2 S, NH 3, silossani, composti di cloro e fluoro,.

20 Upgrading del biogas a biometano Processo di purificazione del biogas che comporta la quasi completa rimozione della CO 2 e degli inquinanti come H 2 S, NH 3, silossani, ecc. Principali tecnologie disponibili 1. Lavaggio fisico con acqua o solventi 2. Lavaggio chimico con ammine 3. Adsorbimento su setacci molecolari (PSA) 4. Separazione con membrane

21 Vantaggi del biometano rispetto al biogas CHP Elettricità (CHP) rete Calore (CHP + caldaie) biogas upgrading biometano trasporti Il biogas tal quale è utilizzabile solo in loco per produrre calore da combustione diretta o in motori a combustione interna per la (co)produzione di energia elettrica e calore. Il biometano ottenuto per upgrading del biogas è un combustibile merceologicamente equivalente al gas naturale: può essere distribuito ovunque attraverso la rete del gas naturale e anche utilizzato come carburante per i trasporti. Secondo rilevazioni EurObserv ER, la produzione in Europa di energia primaria da biogas da digestione anaerobica (digestori e discariche) è stata nel 2013 di oltre 13 Mtep corrispondenti a 16 miliardi di metri cubi di metano. In Italia nel 2013 la produzione di energia primaria da biogas è stata di 1,8 Mtep corrispondenti a 2,2 miliardi di metri cubi di metano (circa 3% del consumo nazionale annuo di gas naturale).

22 Biometano da biogas: tecnologie Tecnologie di upgrading disponibili sul mercato basate su: i) processi di assorbimento dell anidride carbonica (adsorbimento su carboni attivi, absorbimento fisico con acqua o solventi organici, absorbimento chimico con soluzioni di ammine); ii) separazione con membrane. Impianti commerciali tra poche centinaia m 3 /h e m 3 /h di biogas. La scelta dipende da diversi fattori inclusa la qualità del biogas da trattare e quella del biometano da produrre. Nessuna delle tecnologie ora sul mercato sembra prevalere sulle altre. Margini per miglioramenti. Fonte IEA: Inventario impianti di upgrading a fine 2014

23 Biometano da biogas: tecnologie Lavaggio fisico (acqua o solventi) deumidificazione Biometano (+N 2 e O 2 ) Rimozione H 2 S H 2 O Offgas 4-10 bar Colonna di absorbimento Colonna di desorbimento biogas CO 2 H 2 S H 2 O CO 2 H 2 S Vantaggi: + elevata efficienza (>97%) + facilità operativa + separazione H 2 S e polveri + impianti più compatti (per solvente organico) Svantaggi: - elevati consumi d acqua - consumi energetici rigenerazione solvente - elevate pressioni - utilizzo sostanze chimiche

24 Biometano da biogas: tecnologie Lavaggio chimico (soluzioni ammine) Vantaggi: + elevata efficienza (>99%) + elevata selettività (perdite CH 4 basse) + impianti compatti (elevata capacità cattura) + basse pressioni Svantaggi: - consumi energetici per rigenerazione - pretrattamento del gas - utilizzo sostanze chimiche - periodica sostituzione del reagente (1 volta/anno)

25 Biometano da biogas: tecnologie Pressure Swing adsorption (PSA) Vantaggi: + no soluzioni acquose + CH 4 secco + no consumo calore Svantaggi: - costi elevati di investimento e gestione - impianto complesso - consumi energetici - pretrattamento gas

26 Biometano da biogas: tecnologie Separazione con membrane (CH 4, N 2 ) (CO 2, H 2 O, NH 3 ) (H 2 S, O 2 in tracce) Alta P (fase gas ad entrambi i lati ΔP = kpa) Bassa P (fase liquida lato permeato P atm) Vantaggi: + no soluzioni acquose e reagenti + processo semplice + bassi consumi energetici AXIOM (Austria) impianto da 500 Nm 3 /h di biogas Svantaggi: - pretrattamento gas - costi di investimento elevati - consumi energetici per la compressione - perdite di metano elevate - riduzione della permeabilità nel tempo

27 Consumi a confronto per piccoli impianti Fonte: Fraunhofer

28 Investimenti e taglia impianto Fonte: Biogas upgrading Review of commercial technologies, SGC Report 2013:270, Svenskt Gastekniskt Center AB

29 Tecnologia RSE: sorbenti solidi Lavaggio chimico con soluzioni di ammine è uno dei processi più efficienti e semplici, ma presenta i seguenti svantaggi, tutti legati alla presenza di ammine in soluzione: 1. Elevate richieste termiche in fase di rigenerazione 2. Corrosione 3. Degrado ossidativo dell ammina 4. Formazione di schiume Come superare questi problemi, pur mantenendo un elevata efficienza? Ammine supportate su SUPPORTI SOLIDI (tecnologia inizialmente sviluppata in RSE per cattura e sequestro CO 2 ) Pellets di Al 2 O 3, ad elevata area superficiale (270 m 2 /g) e distribuzione porosa bimodale meso (8-10 nm) e macro ( nm) Deposizione di dietanolammina (DEA) al 36% wt tramite wet-impregnation

30 La proposta RSE: sorbenti solidi La sperimentazione in RSE si è orientata verso lo sviluppo di sorbenti innovativi basati su ammine supportate su solidi. freddo 2R 2 NH + CO 2 R 2 NH 2+ + R 2 NCO - 2 calore Obiettivo di riduzione costo energetico critico (rigenerazione), grazie a: ridotta capacità termica rispetto ad ammine in soluzione; più bassa temperatura di rigenerazione. Q H reazione m C p T 1500 kj/kg CO 2 (non varia) kg/kg CO 2 KJ/kg C C KJ/kg CO 2 Soluzione DEA 30% 17 4, % DEA /Allumina 22 1, %

31 Prestazioni del sorbente solido RSE Prestazioni del materiale testato in un impianto da laboratorio, in un reattore a letto fisso operante in modalità TPSA nelle seguenti condizioni : 1. Assorbimento: 5, 10 e 25% CO 2, 3% O 2, 10% H 2 O, N 2 a bilancio T = 40 C, p atm Peso di sorbente = 650 g Velocità spaziale = 0,44 Nl/h/g 2. Rigenerazione: T = 85 C p da 100 a 1013 mbar Flusso di N 2 di stripping finned tube + sorbent between fins water out termocouple water out Gas out filler Gas in water in Water in

32 La proposta di RSE: impianto pilota Impianto di upgrading da 2 Nm 3 /h di biogas in collaudo presso RSE

33 La proposta di RSE: impianto pilota Impianto pilota installato presso il Digestore Anaerobico del Centro di Biotrattamenti di ETRA S.p.A. Camposampiero (PD) Rif. M. Notaro et al, Raffinazione di biogas a biometano con tecnologia a sorbente amminico in fase solida: validazione in campo su impianto pilota esercito con biogas da digestione anaerobica, Rapporto di Ricerca di Sistema, Prot , gennaio 2015.

34 Possibile upscale di taglia industriale Unità a letto fisso di tipo batch che attuano un processo in continuo di cattura della CO 2 grazie al loro funzionamento alternato e sequenziale come assorbitori o rigeneratori in modalità TPSA Temperature Pressure Swing Adsorption: unità concepite come scambiatori di calore a fascio tubiero alettato con sorbente caricato nello spazio libero (intercapedini fra le alette); raffreddate con acqua nella fase di assorbimento e riscaldate con acqua calda in rigenerazione; raffreddamento e riscaldamento indiretto del sorbente senza contatto con acqua. A pari durata delle tre fasi, ai fini di un processo continuo occorrono almeno tre unità. Nelle prove di laboratorio si è verificata solo l uguaglianza tra i tempi di assorbimento e di rigenerazione.

35 Possibile upscale di taglia industriale Fonte: Brevetto nazionale RSE «Processo per raffinare una corrente di biogas a biometano e relativo apparato per la sua attuazione», Domanda n. MI2014A del 30 giugno 2014.

36 La proposta di RSE: confronto tecnologie Parametri Absorbimento con acqua Lavaggio con ammine in soluzione PSA Ammine su supporti solidi CH 4 nel biometano [% vol] >97 >99 >96 >99 Perdite di CH 4 [%] 1 < ,5 (autoconsumi) 0,18 (**) Consumo di energia elettrica [kwh/nm 3 <0.25 < (coperta da biogas grezzo] autoproduzione) Pressione [bar] Necessità di pre-trattamenti NO SI SI SI Costi di investimento [M ) (per un impianto da 500 Nm3/h di biogas grezzo Costi annui (*) [k /a] (per un impianto da 500 Nm 3 /h di biogas grezzo) Costo del trattamento [ /Nm 3 di biometano] (*) costi = costi operativi annui + costi del personale annui + costi di manutenzione e riparazione + costi del capitale annualizzato. (**) i consumi energetici dell impianto sono interamente coperti dalla produzione di energia del motore cogenerativo, con un surplus di energia elettrica di 135 kw prodotta che può essere remunerata conseguendo così una riduzione dei costi annui.

37 Conclusioni Il DM 5 dicembre 2013 e le successive delibere stanno definendo un quadro di riferimento per produrre ed utilizzare il biometano anche in Italia. Diverse tecnologie di upgrading già sul mercato ed altre in fase di sviluppo. In base a valutazioni preliminari anche la tecnologia RSE a sorbenti solidi risulta promettente in termini di prestazioni (capacità di cattura) e sostenibilità (tecnica ed energetica). Caratteristiche biogas e requisiti prodotto finale (purezza, pressione, ), taglia impianto, tra i parametri da considerare per scelta tecnologia di upgrading. In Italia interesse per tecnologie applicabili su piccola scala (poche centinaia di m 3 /h di biogas).

38 Le attività sono state finanziate dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambito dell Accordo di Programma tra RSE S.p.A. (ex ERSE) e il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del D.M. del 11 novembre Informazioni più dettagliate sono reperibili al seguente indirizzo: