Attività LEAP - Progetto GoBioMgobiom.crpa.it/media/documents/gobiom_www/documenti/... · 2017-11-13 · Quadro strategico (Strategia Energetica Nazionale 2017) • Decreto biometano

Attività LEAP - Progetto GoBioM

Dal biogas al biometano liquido:processi e potenzialità

Ing. Federico Capra

Rimini, 8 Novembre 2017

2

Introduzione al LEAPLEAP - 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

CO2 (cattura della CO2)• Energie rinnovabili ed efficienza energetica• Prove su impianti: emissioni gassose, polveri fini e qualità dell’aria• Analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici

Struttura qualificata secondo gli standard della:Accreditamenti per lagestione della qualitàEN ISO 9001:2008

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 biogasper 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 liquido

4

Progetto GoBioM: dal biogas al biometano liquido

1. Analisi dello stato dell’arte (consumi e costi) dei processi di produzione di biometano liquido 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 liquido

3. Valutazione dei bilanci di massa ed energia, selezione della configurazione ottimale dell’impianto e ottimizzazione tecnico-economica

4. Dimensionamento preliminare dei componenti principali dell’impianto

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 2015

→ 10% 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

5

Il Biometano Liquido

• 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

• Liquido criogenico (-162 °C a pressione atmosferica) costituito da metano praticamente puro

6

Specifiche dell’impianto: composizione, p e T• Composizione biometano liquido 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 liquido a -124 °C

1 bar

10 bar

20 bar-107 °C-124 °C

-162 °C

7

Biomasse di interesse e taglie d’impianto• Per quali biomasse di partenza e quali taglie la produzione di

biometano liquido si rivela potenzialmente interessante?

• Biomasse considerate nell’analisi:• FORSU

• Biogas da discarica?

• Biogas da agro-zootecnia?

• Fanghi?

• Taglie di impianto rappresentative: • 500 Nm3/h di biogas da agro-zootecnia (circa 999 kWel

equivalenti) → 4.5 t/giorno di biometano liquido

• Taglia tipica FORSU?

enorme potenzialità produzione biogas

Elevata concentrazione di inquinanti da rimuovere

integrazione con residui agro-industriali e ripotenziamento impianti per raggiungere taglie adeguate

pochi impianti ma concentrati

8

FORSU per la produzione di biogas• Vantaggi FORSU come matrice per la produzione di biogas da DA:

• valore economico e disponibilità biomassa• maggiore concentrazione impianti rispetto al settore agro-

zootecnico, con economie di scala più favorevoli• spinta verso una maggiore raccolta differenziata (RD)

• Quadro attuale italiano (2016) FORSU (solo umido):

• 274 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

Rielaborazione dati Rapporto rifiuti ISPRA 2017

Produzione FORSU ITALIA 2016

FORSU intercettata

da RD

% FORSUintercettata

da RD

FORSU da RD a

compostaggio(aerobico)

FORSU da RDa impianto integrato

(aerobico+anaerobico)

FORSU da RDa DA

(anaerobico)

[ttq/anno] [ttq/anno] [%] [ttq/anno] [ttq/anno] [ttq/anno]9.000.000 4.058.000 45% 1.955.000 1.854.000 249.000

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 CH4 pari a 80 Nm3/ttq):

• Due taglie individuate per stabilire le caratteristiche di un "impianto tipo di produzione biometano da FORSU":

o Taglia media scenario attuale: 40.000 tFORSU/anno → 6,3 tCH4/giornoo Taglia max impianti esistenti: 180.000 tFORSU/anno → 28,2 tCH4/giorno

(impianto di Montello)

Scenario

Produzione FORSU ITALIA 2016

FORSU intercettata

da RD

% FORSUintercettata

da RD

FORSU destinata a produzione

biogasDA

Biometano (CH4) producibileFORSU DA

- [ttq/anno] [ttq/anno] [%] [ttq/anno] [mln Nm3CH4/anno] [tCH4/giorno]

0) Rapporto ISPRA 2017 9.000.000 4.058.000 45% 2.103.000 168 329

1) %RDFORSU attuale e100% FORSU a DA 9.000.000 4.058.000 45% 4.058.000 337 658

2) %RDFORSU al 90% e100% FORSU a DA 9.000.000 8.116.000 90% 8.116.000 673 1316

10

Analisi stato dell’arte processi produzione biometano liquido

Processi sequenziali: upgrading, raffinazione e liquefazione

Processi integrati: si sfruttano tipicamente sinergie tra processi criogenici per l’upgrading e liquefazione del biometano

Pre-trattamento Raw biogas

Upgrading biogas

Liquefazione Bio-CH4

Biogas

Bio-CH4

liquido

Bio-CH4

raffinato

Produzione Biogas (DA)

Raw Biogas

Matrici alimentazione

H2S e altri contaminanti CO2

Raffinazione finale biogas

CO2, H2O N2 ed eventuali altri incondensabili

Bio-CH4

gassoso

Digestato

Pre-trattamento Raw biogas

Upgrading e liquefazione integrati

Biogas

Bio-CH4

liquido Produzione Biogas (DA)

Raw Biogas

Matrici alimentazione

H2S e altri contaminanti

CO2, H2O, N2 ed eventuali altri incondensabiliDigestato

11

Upgrading del biogas a biometano gassoso

Pre-trattamento Upgrading Liquefazione

Raw Biogaspre-trattato

Bio-CH4

liquido Digestione

CO2

Raffinazione

Bio-CH4

gassoso

2. Lavaggio con solvente chimico1. Lavaggio con solvente fisico (es. acqua)

4. Separazione con membrane3. Adsorbimento su materiale solido (es. PSA)

BIOGAS

CO2

BIOMETANO

12

Upgrading del biogas a biometano gassoso1. Lavaggio con solvente fisico (es. acqua)

Semplice, economico, buona purezza del biometano prodottoX Necessità di reintegro del solvente, slip di metano moderato

2. Lavaggio con solvente chimico Basso slip di metano, elevata purezzaX Necessità di calore per rigenerazione solventeX Possibili criticità nella gestione del solvente

3. Adsorbimento Non ci sono solventi circolanti nell’impiantoX Sensibile trade-off tra purezza e recupero

4. Separazione con membrane Tecnologia modulare Facilità di installazione ed operazioneX Configurazioni di impianto complesse per avere purezze elevateX Necessità di gestione del CH4 nell’off-gas

13

Raffinazione del biometano gassoso

• 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:

Tecnologie di rimozione tipicamente utilizzate:• Adsorbimento (su carboni attivi) CO2, H2S, Hg, N2, H2O• Lavaggio con solventi fisici o chimici H2S, CO2

• Membrane CO2, O2, H2O, H2S

Pre-trattamento Upgrading Liquefazione Bio-CH4

liquido

Bio-CH4

raffinato

Digestione Raffinazione

CO2, H2O

Bio-CH4

gassoso

CO2 50 ppmH2S 1 – 4 ppmH2O 0.1 – 1 ppm

Tecnologie per la liquefazione di biometano e gas naturale:

• 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

Stirling

Linde-Hampson

Rankine inverso

Claude

Scambio con azoto liquido

Brayton inverso

Rankine di grande taglia per LNG

0.1 1 10 100 1000 10000

Taglia impianto di liquefazione [t/giorno di biometano liquido]


liquido

Bio-CH4

raffinato


N2 ed eventuali altri incondensabili

14

Liquefazione del biometano raffinato

Tecnologie per la liquefazione di biometano e gas naturale:

• 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

Stirling

Linde-Hampson

Rankine inverso

Claude

Scambio con azoto liquido

Brayton inverso

Rankine di grande taglia per LNG

0.1 1 10 100 1000 10000

Taglia impianto di liquefazione [t/giorno di biometano liquido]


liquido

Bio-CH4

raffinato



15


Taglia di interesse per

biometano


liquido

Bio-CH4

raffinato



16


Per la progettazione del ciclo frigorifero ottimo nell’ambito del progetto GoBioM saranno analizzati i seguenti processi:

1. Scambio con azoto liquido

2. Ciclo Brayton inverso ad azoto

3. Ciclo Rankine inverso con refrigerante misto

4. Ciclo Claude

5. Ciclo Stirling inverso

17

1. Scambio con azoto liquido

• Pochi componenti (adatto per applicazioni di taglia micro) e ridotti costi investimento

• Necessità di approvvigionamento continuo di azoto liquido (-196 °C)

• Costi dipendenti da approvvigionamento azoto liquido

• Sposta il problema della produzione di freddo su impianti grossi centralizzati

T

�̇�𝑸


liquido

Bio-CH4

raffinato



18

2. Ciclo Brayton inverso ad Azoto


liquido

Bio-CH4

raffinato



• Ciclo chiuso con fluido refrigerante inerte (azoto)• Facilità di operazione• Prestazioni limitate dall’accoppiamento delle curve di

raffreddamento (diagramma T-Q)• Trade-off tra complessità dell’impianto (dunque costo) ed

efficienza

T

�̇�𝑸

Biometano gassoso

C T

Biometano liquido

Fluido di lavoro: N2

M

19

3. Ciclo Rankine inverso con refrigerante misto


liquido

Bio-CH4

raffinato



• 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

T

�̇�𝑸

20

4. Ciclo Claude


liquido

Bio-CH4

raffinato



• Elevata efficienza• Elevata complessità, sia impiantistica che operativa

Biometano liquido

C

T

Biometano gassoso

Separatore di fase

Scambiatore recuperativo

Biometano liquido

C

T

Biometano gassoso

Separatore di fase

Scambiatore recuperativo

Pre-raffreddamento

Ciclo Claude aperto

Ciclo Claude chiuso

21

5. Ciclo Stirling

• Macchina di Stirling, alternativa

• Fluido di lavoro inerte (tipicamente elio)

• Possibili unità di taglia molto ridotta (commerciale per 0.15 t/giorno di biometano liquido)

• Taglie elevate raggiunte con più unità in parallelo →ridondanza (↑ affidabilità), ↑ flessibilità, ↑ costo


liquido

Bio-CH4

raffinato



22

Processo integrato• Processo integrato (fase di upgrading gassoso eliminata), con CO2

separata in fase solida e successiva liquefazione del metano• Elevata possibilità di integrazione termica (recupero del freddo)• Possibilità recupero CO2 ad elevata purezza

-165.00

-145.00

-125.00

-105.00

-85.00

-65.00

-45.00

-25.00

-5.00

15.00

35.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

T [°C

]

Q [kW]

Formazione H2O liquidaFormazione H2O solida

Formazione CO2 solidaLiquefazione biometano

LIQUEFAZIONE BIOMETANO

N2

Biometanoliquido

RIMOZIONE H2O LIQUIDA

H2O Liquida

RIMOZIONE H2O SOLIDA

H2O Solida

RIMOZIONE CO2 SOLIDA

CO2 Solida

23

Schema di impianto per progetto GoBioMSinergie tra sezione di upgrading a membrane, motore che valorizza off-gas, sezione di raffinazione e sezione di liquefazione

DIGESTORE ANAEROBICO

PRE-TRATTAMENTI

UP-GRADING CON

MEMBRANE

MOTORE A COMBUSTIONE

INTERNA

CICLO FRIGORIFERO

RAFFINAZIONE FINALE

(carboni attivi)

off-gas

biometano

biometano raffinato

biogasbiogas grezzo

Energia elettricaCalore

biometano liquido

H2S, CO2, H2O

PRE-TRATTAMENTI FORSU

FORSU

24

Schema di impianto per progetto GoBioMSinergie tra sezione di upgrading a membrane, motore che valorizza off-gas, sezione di raffinazione e sezione di liquefazione

DIGESTORE ANAEROBICO

PRE-TRATTAMENTI

UP-GRADING CON

MEMBRANE

MOTORE A COMBUSTIONE

INTERNA

CICLO FRIGORIFERO

RAFFINAZIONE FINALE

(carboni attivi)

off-gas

biometano

biometano raffinato

biogasbiogas grezzo

Energia elettricaCalore

biometano liquido

H2S, CO2, H2O

Strumenti di modellazione:• Modello numerico sviluppato da

LEAP-CRPA e validato con campagna sperimentale

• Modello accurato con software flowsheeting Aspen Plus

PRE-TRATTAMENTI FORSU

FORSU

Attività LEAP - Progetto GoBioMgobiom.crpa.it/media/documents/gobiom_www/documenti/... · 2017-11-13 · Quadro strategico (Strategia Energetica Nazionale 2017) • Decreto biometano

Documents