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Analisi tecnico-economica di sistemi Power-to-Methane alimentati con idrogeno da fonti rinnovabili e CO2 da impianti di upgrading del biogas

Questo lavoro analizza dal punto di vista tecnico-economico un sistema Power-to-Methane basato su un processo di metanazione biologica, sfruttando la CO2 proveniente da un impianto di upgrading del biogas e l'H2 prodotto da un elettrolizzatore alcalino.



L'analisi economica ha permesso di valutare il costo livellato del biometano. Infine, è stata valutata la disponibilità di biomasse e biogas della regione Sardegna, per identificare l'effettiva potenzialità produttiva di biometano e il contributo di questi sistemi per soddisfare la domanda futura di metano. Le fonti energetiche rinnovabili (FER), in particolare l'energia solare e eolica, sono caratterizzate da una forte intermittenza nella produzione di energia elettrica, a causa della variabilità delle condizioni metereologiche.

Per migliorare la loro efficienza e supportare la loro diffusione nel sistema energetico, sono necessari sistemi di accumulo dedicati per disaccoppiare la fase di produzione e la fase di utilizzo dell'energia.

In questo contesto, le tecnologie del Power-to-Gas (PtG) permettono di produrre combustibili green sfruttando l'energia prodotta dalle FER e permettono di ridurre l'impronta di carbonio grazie ad una graduale sostituzione dei combustibili fossili convenzionali. Il Power-to-Hydrogen (PtH2) e Power-to-Methane (PtM) sono due specifiche applicazioni del PtG, e sfruttano l'energia rinnovabile per produrre rispettivamente H2 e CH4.

La prima tecnologia permette di produrre idrogeno attraverso il processo di elettrolisi, il quale, può essere ulteriormente utilizzato per produrre metano. Infatti, le tecnologie del PtM si basano sulla conversione di idrogeno e di anidride carbonica in metano attraverso processi di metanazione chimica o biologica.

Tuttavia, il processo di produzione del metano attraverso l'idrogeno verde da FER, risulta tuttora un'operazione molto complessa e dispendiosa. La maggioranza dei sistemi Power-to- Methane installati o in fase di costruzione sono localizzati nell'Europa centrale.

Essendo la CO2 il principale reagente del processo, gli impianti PtM possono essere integrati con processi di upgrading del biogas in impianti di digestione anaerobica. Infatti, il biogas prodotto nei digestori, oltre che essere utilizzato per produrre energia elettrica, può essere utilizzato per produrre biometano separando la CO2 attraverso il processo di upgrading.

L'interesse per questi sistemi nasce al fine di sfruttare l'idrogeno verde prodotto tramite FER e allo stesso tempo incrementare la produzione di biometano degli impianti di digestione anaerobica già esistenti. Per questo motivo, il sistema energetico della Sardegna è stato preso in considerazione come caso studio.

L'obiettivo è quello di analizzare la fattibilità tecnico-economica del processo di metanazione biologica integrato con digestori anaerobici e sistemi di upgrading, partendo dalle risorse disponibili nella regione.

La Figura 1 (nel PDF allegato) mostra lo schema concettuale del sistema Power-to-Methane analizzato in questo lavoro.

L'impianto è costituito da un reattore dedicato al processo di metanazione biologica, in cui viene iniettata la CO2 proveniente da un processo di upgrading del biogas e l'idrogeno prodotto da un elettrolizzatore alcalino alimentato da un mix di energia
elettrica proveniente da un impianto fotovoltaico e dalla rete.

L'idrogeno prodotto può essere direttamente inviato al bioreattore o immagazzinato in un apposito sistema di stoccaggio per separare le fasi di produzione dell'idrogeno e del biometano.

Articolo completo disponibile in PDF
Giulia Concas - Università Degli Studi di Cagliari
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La Termotecnica giugno 2022
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