Attività LEAP - Progetto GoBioM

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1 Attività LEAP - Progetto GoBioM Dal biogas al biometano : processi e potenzialità Ing. Federico Capra Rimini, 8 Novembre 2017

2 Introduzione al LEAP LEAP - Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza Centro di ricerca (S.c.a r.l.) fondato nel 2005 dal Politecnico di Milano, parte del Tecnopolo di Piacenza Soci: Politecnico di Milano, Università Cattolica del Sacro Cuore, Comune di Piacenza, Fondazione di Piacenza e Vigevano, A2A SpA, Iren Ambiente SpA, Antas Srl Gruppo di lavoro: 20 collaboratori a cui si aggiungono 18 docenti, ricercatori e tecnici del Politecnico con collaborazione stabile Obiettivi: realizzazione di progetti di ricerca, erogazione di servizi e consulenze, svolgimento attività di trasferimento tecnologico e divulgazione scientifica. Settori di ricerca e consulenza Materia ed energia da rifiuti, residui e biomasse Generazione di energia termica ad alta efficienza Tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili con ridotte emissioni di CO 2 (cattura della CO 2 ) Energie rinnovabili ed efficienza energetica Prove su impianti: emissioni gassose, polveri fini e qualità dell aria Analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici Accreditamenti per la gestione della qualità EN ISO 9001:2008 Struttura qualificata secondo gli standard della: 2

3 Attività LEAP su biogas e upgrading a biometano Esperienza pluriennale nella valutazione della fattibilità tecnico-economica e nella successiva verifica di funzionamento di impianti di produzione di biogas per produzione di elettricità (DA + motore a combustione interna) Analisi tecnica, energetica, ambientale ed economica di interventi per la produzione di biometano da residui e/o rifiuti Attività di ricerca per sviluppo e ottimizzazione di tecnologie di upgrading: Tesi di Dottorato supportate da Politecnico di Milano e RSE Analisi di sistema (es. studio di fattibilità, efficientamento ed adeguamento impianto di compostaggio per produzione di biogas, analisi di scenario, ecc.) Progetto BioMethER: redazione linee guida per promuovere lo sviluppo della filiera biometano in Regione Emilia-Romagna Progetto GoBioM - ottimizzazione tecnologica filiera biometano Upgrading a membrane: monitoraggio prestazioni e sviluppo modelli tecnico-economici Produzione di biometano 3

4 Progetto GoBioM: dal biogas al biometano 1. Analisi dello stato dell arte (consumi e costi) dei processi di produzione di biometano e selezione degli schemi di processo di maggiore interesse 2. Definizione delle specifiche ingegneristiche di base: taglia dell impianto e matrici di alimentazione, schema di processo, specifiche biometano 3. Valutazione dei bilanci di massa ed energia, selezione della configurazione ottimale dell impianto e ottimizzazione tecnicoeconomica 4. Dimensionamento preliminare dei componenti principali dell impianto 4

5 Il Biometano Liquido 5 Liquido criogenico (-162 C a pressione atmosferica) costituito da metano praticamente puro Possibile sostituto rinnovabile del Gas Naturale Liquefatto (LNG) in tutte le sue applicazioni: combustibile per mezzi pesanti, approvvigionamento di gas per zone non servite dalla rete, combustibile marino, Stazione di rifornimento LNG Vantaggi come combustibile per mezzi pesanti Densità energetica ~2.5 volte superiore al metano gassoso Emissioni inquinanti (NOx, CO e particolato) sensibilmente ridotte rispetto al diesel Apporto alla quota di rinnovabili nel settore trasporti (6.4% al % obiettivo al 2020) Quadro strategico (Strategia Energetica Nazionale 2017) Decreto biometano bis incentiverà BM per trasporti, in particolare avanzato, e impianti di liquefazione Da recepimento direttiva DAFI, 800 stazioni di rifornimento LNG al 2030

6 Specifiche dell impianto: composizione, p e T 6 Composizione biometano imposta da vincoli tecnici (evitare formazione di solidi durante liquefazione) Al crescere della pressione del biometano la liquefazione avviene a temperature più alte A 10 bar (pressione tipica serbatoi LNG mezzi pesanti) il metano è a -124 C -107 C -124 C -162 C 20 bar 10 bar 1 bar

7 Biomasse di interesse e taglie d impianto 7 Per quali biomasse di partenza e quali taglie la produzione di biometano si rivela potenzialmente interessante? Biomasse considerate nell analisi: FORSU Biogas da discarica? enorme potenzialità produzione biogas Elevata concentrazione di inquinanti da rimuovere Biogas da agro-zootecnia? Fanghi? integrazione con residui agroindustriali e ripotenziamento impianti per raggiungere taglie adeguate pochi impianti ma concentrati Taglie di impianto rappresentative: 500 Nm 3 /h di biogas da agro-zootecnia (circa 999 kw el equivalenti) 4.5 t/giorno di biometano Taglia tipica FORSU?

8 FORSU per la produzione di biogas 8 Vantaggi FORSU come matrice per la produzione di biogas da DA: valore economico e disponibilità biomassa maggiore concentrazione impianti rispetto al settore agrozootecnico, con economie di scala più favorevoli spinta verso una maggiore raccolta differenziata (RD) Quadro attuale italiano (2016) FORSU (solo umido): Produzione FORSU da RD FORSU % FORSU FORSU da RD FORSU da RD FORSU a intercettata intercettata a impianto integrato a DA ITALIA compostaggio da RD da RD (aerobico+anaerobico) (anaerobico) 2016 (aerobico) [t tq /anno] [t tq /anno] [%] [t tq /anno] [t tq /anno] [t tq /anno] % Rielaborazione dati Rapporto rifiuti ISPRA impianti di compostaggio, 31 integrati e 21 di digestione anaerobica Potenziale biogas da FORSU ampiamente sotto-utilizzato: poco più del 50% della FORSU da RD (2,1 milioni di t/anno) viene valorizzata per produrre biogas tramite DA

9 9 Producibilità di biometano da FORSU Strategie per incrementare produzione di biogas da FORSU: 1) Cambio destinazione 100% FORSU da RD inviata a DA (con %RD invariata) 2) Aumento %RD della sola FORSU da 45% a 90% Proiezioni LEAP (con resa specifica in CH 4 pari a 80 Nm 3 /t tq ): Scenario Produzione FORSU ITALIA 2016 FORSU intercettata da RD % FORSU intercettata da RD FORSU destinata a produzione biogas DA Biometano (CH 4 ) producibile FORSU DA - [t tq /anno] [t tq /anno] [%] [t tq /anno] [mln Nm 3 CH4/anno] [t CH4 /giorno] 0) Rapporto ISPRA ) %RD FORSU attuale e 100% FORSU a DA 2) %RD FORSU al 90% e 100% FORSU a DA % % % Due taglie individuate per stabilire le caratteristiche di un "impianto tipo di produzione biometano da FORSU": o Taglia media scenario attuale: t FORSU /anno 6,3 t CH4 /giorno o Taglia max impianti esistenti: t FORSU /anno 28,2 t CH4 /giorno (impianto di Montello)

10 10 Analisi stato dell arte processi produzione biometano Processi sequenziali: upgrading, raffinazione e liquefazione Matrici alimentazione Digestato Produzione Biogas (DA) Raw Biogas H 2 S e altri contaminanti Pretrattamento Raw biogas Biogas CO 2 Upgrading biogas gassoso CO 2, H 2 O Raffinazione finale biogas N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione Processi integrati: si sfruttano tipicamente sinergie tra processi criogenici per l upgrading e liquefazione del biometano Matrici alimentazione Digestato Produzione Biogas (DA) Raw Biogas H 2 S e altri contaminanti Pretrattamento Raw biogas Biogas CO 2, H 2 O, N 2 ed eventuali altri incondensabili Upgrading e liquefazione integrati

11 Upgrading del biogas a biometano gassoso 11 CO 2 Raw Biogas pre-trattato gassoso Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione Liquefazione 1. Lavaggio con solvente fisico (es. acqua) 2. Lavaggio con solvente chimico 3. Adsorbimento su materiale solido (es. PSA) 4. Separazione con membrane BIOGAS BIOMETANO CO 2

12 Upgrading del biogas a biometano gassoso Lavaggio con solvente fisico (es. acqua) Semplice, economico, buona purezza del biometano prodotto X Necessità di reintegro del solvente, slip di metano moderato 2. Lavaggio con solvente chimico Basso slip di metano, elevata purezza X Necessità di calore per rigenerazione solvente X Possibili criticità nella gestione del solvente 3. Adsorbimento Non ci sono solventi circolanti nell impianto X Sensibile trade-off tra purezza e recupero 4. Separazione con membrane Tecnologia modulare Facilità di installazione ed operazione X Configurazioni di impianto complesse per avere purezze elevate X Necessità di gestione del CH 4 nell off-gas

13 Raffinazione del biometano gassoso 13 CO 2, H 2 O Digestione Pretrattamento Upgrading gassoso Raffinazione raffinato Liquefazione È necessario introdurre un ulteriore step di raffinazione per evitare la formazione di solidi negli scambiatori Obiettivi molto stringenti sui contaminanti nel biometano da liquefare, principalmente: CO 2 H 2 S H 2 O 50 ppm 1 4 ppm ppm Tecnologie di rimozione tipicamente utilizzate: Adsorbimento (su carboni attivi) CO 2, H 2 S, Hg, N 2, H 2 O Lavaggio con solventi fisici o chimici H 2 S, CO 2 Membrane CO 2, O 2, H 2 O, H 2 S

14 14 Liquefazione del biometano raffinato Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione Tecnologie per la liquefazione di biometano e gas naturale: Scambio con azoto Stirling Brayton inverso Claude Rankine inverso Linde-Hampson Rankine di grande taglia per LNG Taglia impianto di liquefazione [t/giorno di biometano ] I cicli ottimizzati per le grandi taglie avrebbero efficienze molto elevate, ma costi del tutto ingiustificati per le dimensioni degli impianti di produzione di biometano

15 15 Liquefazione del biometano raffinato Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione Tecnologie per la liquefazione di biometano e gas naturale: Scambio con azoto Stirling Taglia di interesse per Rankine di grande taglia per LNG biometano Brayton inverso Claude Rankine inverso Linde-Hampson Taglia impianto di liquefazione [t/giorno di biometano ] I cicli ottimizzati per le grandi taglie avrebbero efficienze molto elevate, ma costi del tutto ingiustificati per le dimensioni degli impianti di produzione di biometano

16 16 Liquefazione del biometano raffinato Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione Per la progettazione del ciclo frigorifero ottimo nell ambito del progetto GoBioM saranno analizzati i seguenti processi: 1. Scambio con azoto 2. Ciclo Brayton inverso ad azoto 3. Ciclo Rankine inverso con refrigerante misto 4. Ciclo Claude 5. Ciclo Stirling inverso

17 17 1. Scambio con azoto Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione T Pochi componenti (adatto per applicazioni di taglia micro) e ridotti costi investimento Necessità di approvvigionamento continuo di azoto (-196 C) Costi dipendenti da approvvigionamento azoto Sposta il problema della produzione di freddo su impianti grossi centralizzati QQ

18 18 2. Ciclo Brayton inverso ad Azoto Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione Fluido di lavoro: N 2 Biometano gassoso T M C Ciclo chiuso con fluido refrigerante inerte (azoto) Facilità di operazione T Biometano Prestazioni limitate dall accoppiamento delle curve di raffreddamento (diagramma T-Q) Trade-off tra complessità dell impianto (dunque costo) ed efficienza QQ

19 19 3. Ciclo Rankine inverso con refrigerante misto Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Liquefazione T QQ Ciclo chiuso con fluido refrigerante misto: miscela di inerti e idrocarburi (adattabile all applicazione) Maggiore efficienza per via del migliore accoppiamento tra le curve di raffreddamento Complessità operativa: eventuali perdite di refrigerante ne alterano la composizione serve controllo sofisticato per mantenere le condizioni di funzionamento ottime

20 20 4. Ciclo Claude N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione Liquefazione Ciclo Claude aperto C Biometano gassoso Preraffreddamento C Ciclo Claude chiuso Biometano gassoso Scambiatore recuperativo T Scambiatore recuperativo T Separatore di fase Biometano Separatore di fase Biometano Elevata efficienza Elevata complessità, sia impiantistica che operativa

21 21 5. Ciclo Stirling N 2 ed eventuali altri incondensabili raffinato Digestione Pretrattamento Upgrading Raffinazione Liquefazione Macchina di Stirling, alternativa Fluido di lavoro inerte (tipicamente elio) Possibili unità di taglia molto ridotta (commerciale per 0.15 t/giorno di biometano ) Taglie elevate raggiunte con più unità in parallelo ridondanza ( affidabilità), flessibilità, costo

22 Processo integrato 22 Processo integrato (fase di upgrading gassoso eliminata), con CO 2 separata in fase solida e successiva liquefazione del metano Elevata possibilità di integrazione termica (recupero del freddo) Possibilità recupero CO 2 ad elevata purezza T [ C] Q [kw] Formazione H 2 O liquida Formazione H 2 O solida Formazione CO 2 solida Liquefazione biometano RIMOZIONE H 2 O LIQUIDA RIMOZIONE H 2 O SOLIDA RIMOZIONE CO 2 SOLIDA LIQUEFAZIONE BIOMETANO Biometano N2 H 2 O Liquida H 2 O Solida CO 2 Solida

23 Schema di impianto per progetto GoBioM Sinergie tra sezione di upgrading a membrane, motore che valorizza off-gas, sezione di raffinazione e sezione di liquefazione Energia elettrica Calore biogas grezzo biogas DIGESTORE ANAEROBICO PRE- TRATTAMENTI UP-GRADING CON MEMBRANE off-gas MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PRE-TRATTAMENTI FORSU FORSU H 2 S, CO 2, H 2 O biometano RAFFINAZIONE FINALE (carboni attivi) biometano raffinato CICLO FRIGORIFERO biometano 23

24 Schema di impianto per progetto GoBioM Sinergie tra sezione di upgrading a membrane, motore che valorizza off-gas, sezione di raffinazione e sezione di liquefazione Energia elettrica Calore biogas grezzo biogas DIGESTORE ANAEROBICO PRE- TRATTAMENTI UP-GRADING CON MEMBRANE off-gas MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PRE-TRATTAMENTI FORSU FORSU Strumenti di modellazione: H 2 S, CO 2, H 2 O Modello numerico sviluppato da LEAP-CRPA e validato con campagna sperimentale Modello accurato con software flowsheeting Aspen Plus biometano RAFFINAZIONE FINALE (carboni attivi) biometano raffinato CICLO FRIGORIFERO biometano 24