Le tecnologie BTS Biogas per il biometano

Le tecnologie BTS Biogas per il biometano Matthias Rogger, BTS Biogas Srl/GmbH TSenergyGroup 2014 1

Struttura Aspetti generali Descrizione della nuova situazione Tecnologia upgrading Configurazione impianto Conclusione TSenergyGroup 2014 2

Aspetti generali sul biometano DM 05/12/2013: grande opportunità - lunga tradizione ( ) L italia è ideale per la produzione di biometano, soprattutto per l autotrazione Rete del gas più capillare di tutta l Europa Maggior numero di macchine a metano in Europa Maggior numero di distributori a metano in Europa TSenergyGroup 2014 3

Incentivi per biometano e biogas a confronto TSenergyGroup 2014 4

Impianti realizzabili Impianti di nuova costruzione Distributore + autotrazione + SP All. A+B Distributore + autotrazione + max. 30% BM dedicate (resto SP All. A+B) Distributore + autotrazione Immissione in rete + ritiro gse + SP All. B Impianti esistenti (potenziamento) Distributore + autotrazione + SP All. A+B Distributore + autotrazione + max. 30% BM dedicate Distributore + autotrazione La domanda che ci si pone è: Qual è l impianto ottimale per questa nuova situazione? TSenergyGroup 2014 5

Requisiti tecnici per il biometano Parametro Limite Note CIB da Il BM fatto bene Ossigeno (O2) 0,6 mol-% 0,5 reti umide, 3,0 reti secchi Anidride carbonica (CO2) 3 mol-% 6 mol-% Solfuro d idrogeno 6,6 mg/sm³ OK Zolfo da mercaptani 15,5 mg/sm³ OK Zolfo totale 150 mg/sm³ OK Potere calorifico superiore 34,95-45,28 MJ/Nm³ BM[CH4] 93%-98% Indice di Wobbe 47,31-52,33 MJ/Nm³ OK Densità relativa 0,5548-0,8 OK Punto di ruggiada acqua 5 C a 1-70 bar OK Punto di ruggiada idrocarburi 0 C a 1-70 bar OK Temperatura max < 50 C OK Temperatura min > 3 C OK TSenergyGroup 2014 6

Schema della produzione del biometano Impianto biogas Potenza 250-1000 Nm³/h Biometano (eq. 1-4 Mwel) Nuova costruzione o impianto esistente Biomasse dedicate, sottoprodotti tab. A+B o rifiuti Purificazione gas H2S, NH3, H2O Condizionamento UPGRADING = estrazione CO 2 Immissione in rete Misurazione Stazione di servizio TSenergyGroup 2014 7

Purificazione del biogas: H2S, H2O, NH3 Desolforazione: H 2 S Desolforazione primaria (fino a 200ppm) Avviene già nel fermentatore Desolforazione biologica (adatta solo in parte) Desolforazione chimica o fisica Desolforazione secondaria (fino a 0 ppm) Desolforazione esterna con carboni attivi o ossidi di ferro Deumidificazione: H 2 O Condensazione dell acqua tramite raffreddamento Assorbimento con glicole Filtrazione con membrane Altre sostanze: Assorbimento con carboni attivi NH 3, polveri, acidi organici, TSenergyGroup 2014 8

Upgrading del gas Tecnologie UPGRADING Tecnologie ad assorbimento 1. Tecnologia del lavaggio ad acqua 2. Tecnologia dell assorbimento a pressione oscillante 3. Lavaggio chimico Tecnologie a membrana Tecnologie criogeniche TSenergyGroup 2014 9

Lavaggio ad acqua: il principio Separazione tramite assorbimento fisico a pressione Nella colonna di assorbimento (alta pressione) il CO2 si dissolve nel liquido (H2O) Il CO2 ha una solubilità più alta del CH4 Mentre il CO2 rimane dissolto si può estrarre il CH4 Nella colonna di desorbimento (bassa pressione) si libera il CO2 Processo continuo Estrazione CH4 Estrazione CO2 Compressione CH4 + CO2 Assorbimento CO2 H2O Desorbimento CO2 TSenergyGroup 2014 10

Lavaggio ad acqua: schema di flusso 99% CH4, p=4,5 bar deumidificazione BIOMETANO Offgas 0,2% CH4 Q=2,5xQ[Biogas] 15% CH4, p=2 bar, Q=20%[Qtot] COLONNA FLASH Q=0,2xQ[Biogas] BIOGAS Scambiatore di calore Scambiatore di calore Scambiatore di calore p=2mbar p=1 bar p=5,5 bar soffiante compressore ASSORBIMENTO DESORBIMENTO Pompa per acqua TSenergyGroup 2014 11

Lavaggio ad acqua: caratteristiche Funzionamento a basse temperature Tutto l O2 e N2 finiscono nel biometano ( desolforazione) Processo insensibile all H2S e NH3 Deumidificazione posizionata a valle del processo tramite lavaggio a glicole Per impianti medi e grandi con esclusiva produzione di biometano Trattamento Offgas necessario TSenergyGroup 2014 12

Lavaggio ad assorbimento a pressione oscillante (PSA): principio La separazione dei gas si basa sull assorbimento del gas su una superficie solida sotto pressione Materiale di assorbimento: carboni attivi o ceoliti Con l abbassamento della pressione si liberano di nuovo le diverse componenti gas Principio simile al lavaggio ad acqua TSenergyGroup 2014 13

Lavaggio ad assorbimento a pressione oscillante (PSA): schema di flusso I contenitori di assorbimento vengono riempiti con biogas Sotto pressione la CO2 viene assorbito dal materiale. Estrazione Biometano Quando il materiale di assorbimento è saturo di CO2, l estrazione di Biometano viene interrotta. Abbassando la pressione si libera la CO2. In questa fase viene prodotta una frazione a basso contenuto di CH4. Il gas della fase iniziale del desorbimento viene ricircolato La parte finale contiene poco CH4: trattamento termico TSenergyGroup 2014 14

Lavaggio ad assorbimento a pressione oscillante (PSA): caratteristiche Per impianti piccoli e medi Processo a pressione Assorbimento fisico Eliminazione di H2S, NH3, H2O prima del processo TSenergyGroup 2014 15

Lavaggio chimico: principio Il gas da estrarre viene legato chimicamente al liquido La reazione chimica avviene solo con la CO2 Il biometano può essere estratto La reversibilità del processo, cioè la rottura del legame chimico tra CO2 e la soluzione di amino, avviene tramite l aggiunta di energia termica NH3 e H2S vengono estratti prima del lavaggio Il liquido può essere riutilizzato, una parte evapora e finisce nel biometano Estrazione CH4 Estrazione CO2 CH4 + CO2 Assorbimento CO2 liquido Desorbimento CO2 Energia termica TSenergyGroup 2014 16

Lavaggio chimico: schema di flusso 1. Eliminazione CO2 tramite legame chimico ad un liquido solvente 2. Regenerazione del liquido tramite energia termica (160 C) 3. Pressione d esercizio bassa TSenergyGroup 2014 17

Lavaggio chimico: caratteristiche Resa in metano molto alta Offgas non deve essere trattato Dimensione impianto medio/grande Processo a pressione atmosferica Eliminazione H2S, NH3, H2O prima del processo Richiede molta energia termica (= energia contenuta nel metano) Liquido tossico Una parte del liquido evapora e finisce nel biometano e nell offgas TSenergyGroup 2014 18

Tecnologia a membrana: il principio Il gas viene compresso a 7-16 bar Il biogas viene filtrato con delle apposite membrane Processo modulare TSenergyGroup 2014 19

Tecnologia a membrana: schema di flusso Nel primo stadio il biogas desolforizzato e filtrato viene compresso con pressione d esercizio a 7-16 bar. L energia termica prodotta durante la compressione del biogas viene riutilizzata per il riscaldamento del fermentatore o ceduta all ambiente Il biogas compresso e deumidificato passa per diverse membrane e viene separato in due flussi di gas: uno ricco di CH4 e l altro ricco di CO2 Il numero di membrane determina la qualità del gas deumidificazione deumidificazione Filtro H2S CH4 Membrane Biogas compressore H2O/NH3 H2O/NH3 CO2 Processo a due stadi TSenergyGroup 2014 20

Tecnologia a membrana: caratteristiche Concetti degli impianti a membrana Sistema monostadio Integrazione di impianti esistenti Solo una parte del biogas prodotto viene trasformato in biometano La frazione ad alto contenuto di CO2 (15% CH4) viene reimmessa nel fermentatore Ideale per distributori a biometano Autoconsumo basso Sistema a tre stadi Tutto il biogas viene trasformato in biometano Basso contenuto di metano nell offgas L energia termica della compressione del biogas viene riutilizzata per il riscaldamento del fermentatore Richiesto trattamento termico dell offgas È possibile anche la produzione di CO2 TSenergyGroup 2014 21

Tecnologia a membrana: caratteristiche Tecnologia nuova Grandi potenziali di sviluppo sulle membrane Impianto modulare Portata flessibile Possibile anche la produzione di CO2 Costo operativo basso Basso costo di realizzazione TSenergyGroup 2014 22

Tecnologia criogenica Separazione del CO2 tramite refrigerazione del gas sotto la temperatura di fusione della CO2 Alta richiesta di energia elettrica Interessante per la produzione di LNG Stoccaggio di volumi ridotti Anche per autotrazione (p.e. Volvo FM Methan- Diesel) TSenergyGroup 2014 23

Parametri Lav. ad acqua Lav. chimico PSA Membrana Dim. impianto Medio/grande Medio/grande Piccolo/medio Piccolo/grande Contenuto CH4 [vol%] 95-99 >99 95-99 95-99 Resa metano [%] 98,0 99,96 98,0 80-99,5 Pressione finale [bar] 4-8 0 4-7 7-16 ACel [kwhel/m³ BM] 0,46 0,27 0,46 0,2-0,5 Richiesta termica - Alta, 160 C - - Eliminazione H2S nec. No Si Si Si Eliminazione NH3 nec. No Si Si Si Eliminazione H2O nec. Si Si Si Si Materiali di consumo Antischiuma, Acqua Soluzione Amin (tossico) Carboni attivi Ceoliti Modulazione prod. [%] 50-100 50-100 85-115 10-130 Costo spec. [ /m³/hbm] 100 m³/h 250 m³/h 500 m³/h Costo oper. [ct/m³/h BM] 100 m³/h 250 m³/h 500 m³/h 10.000 5.500 3.500 13 10 8 9.000 5.000 3.500 15 12 11 10.000 5.500 3.700 6.000 4.500 3.500 TSenergyGroup 2014 24 13 10 9 13 10 9

Misurazione e condizionamento biometano 1. Misurazione della quantità del biometano La quantità prodotta è la base per l incentivo Misuratore omologato e tarato (ancora da definire) 2. Misurazione della qualità del biometano La qualità del biogas deve rispettare i parametri della rete (da definire) 3. Impostazione del potere calorifico richiesto Solo se non vengono rispettati i parametri di rete Con aggiunta di GPL o aria 4. Aggiunta di sostanze odorose Il CH4 è inodore e incolore Prima di essere immesso nelle reti cittadine, miscelato con sostanze odorizzanti (terziar-butilmercaptano o tetraidrotiofene) con un forte e cattivo odore Evitare intossicazione o esplosioni 5. Compressione del biometano Compressione sulla pressione richiesta del gestore di rete (4-70bar) TSenergyGroup 2014 25

Misurazione e condizionamento del biogas Stazione elaborazione dati dei misuratori di portata omologata Misurazione qualità con Gascromatografo Biometano dall impianto di Upgrading compressore Misuratore di portata 1 Miscelatore statico Misuratore di portata 2 Biometano conforme alle richieste del gestore regolatore GPL/aria valvola Misuratore istantaneo per impostazione del potere calorifico Stazione di odorizzazione TSenergyGroup 2014 26

Configurazione impianti Premesse: Produzione biometano per autotrazione produttore = distributore Imp. 1: impianto esistente 1MWel produzione Biometano 50Nm³/h Imp. 2: impianto Biometano nuovo 250Nm³/h TSenergyGroup 2014 27

Impianto biogas esistente 40 kw el Impianto biogas: aumento produzione biogas +20% quantità biogas: 600m³/h 500m³/h Biogas (49%) 30 kw el Cogeneratore: Pel=1MW Pth=1MW 50m³/h offgas 15%CH4 100m³/h biogas Upgrading a membrana 50m³/h biometano Stoccaggio /carro bombolaio Distributore: (Ca. 30-40 macchine o 5-10 autobus) 15 kw el 5 kw el 300 kw th SCENARI PER AUTOCONSUMO 1. Da Enel 2. Prod. corrente da energia termica cogen. (ORC, motore a vapore, ) 3. Aumento prod. cogeneratore dell autoconsumo 4. Gruppo elettrogeno a biogas 5. Dalla produzione del cogeneratore esistente (28ct) TSenergyGroup 2014 28

Impianto 1: vantaggi Vantaggi: investimento relativamente basso nessun trattamento dell offgas grande opportunità per diffondere le stazioni di servizio sul territorio Punti aperti: da dove prendere l autoconsumo elettrico? TSenergyGroup 2014 29

Impianto biometano di nuova costruzione ENEL 170 kwel 40 kwel 115 kwel 15 kwel Impianto biogas: Quantità biogas: 535m³/h 500m³/h 50% CH4 Upgrading: lavaggio ad acqua 250m³/h; 98% CH4 Stoccaggio carro bombolaio 35 m³/h; 50% CH4 300kWth 30 kwth 1000 m³/h 1,5 % CH4 Caldaia 150 kwth 120 kwth Trattamento Offgas Alternativa: utilizzo Offgas con cogeneratore a gas poveri: motore a iniezione pilota microturbina a gas L offgas viene miscelato con biogas fino a raggiungere una percentuale di CH4 di min. 15% Distributore TSenergyGroup 2014 30

Impianto 2 L offgas viene miscelato con biogas fino a raggiungere una percentuale di CH4 di almeno il 10-15% per azionare un cogeneratore Il modulo di cogenerazione viene regolato in base alla richiesta di energia termica massima efficienza La potenza del modulo si calcola in base alla richiesta termica dell impianto TSenergyGroup 2014 31

Redditività impianto 1 Reddito produzione biometano: 50m³/h x 8000h x 1,02 /m³ = 410.520 Costo di produzione Biogas: 100m³/h x 8000h x 0,24 /m³ = -192.192 Costo d esercizio produzione Biometano: 50m³/h x 8000h x 0,14 /m³ = -56.000 Costo aggiuntivo per gestione biogas: stima = -20.000 Somma : 142.328 Investimento 500.000 Tempo di ritorno 4-5 anni TSenergyGroup 2014 32

Redditività impianto 2 Ricavo: 250m³/h x 8000h x 1,1875 /m³ = 2.375.000 Costo di produzione biogas: 600m³/h x 8000h x 0,29 /m³ = -1.383.784 Costo d esercizio: 250m³/h x 8000h x 0,11 /m³ = -220.000 Somma : 771.216 Investimento 4.500.000 Tempo di ritorno 7-8 a (Con 1,4025 5-6a; 1,725 3-4a) TSenergyGroup 2014 33

Conclusioni e prospettive Il BIOMETANO da trazione rilancia il settore biogas in Italia Tariffa molto interessante Impianti altamente redditivi Processi molto complessi, ma BTS ha la soluzione adatta BTS fornisce soluzioni complete: dal campo/bidone al serbatoio BTS sta realizzando il suo impianto di upgrading per produrre il biometano che alimenterà le proprie flotta a biometano (ca. 30 mezzi) TSenergyGroup 2014 34

Grazie per la cortese attenzione! TSenergyGroup 2014 35