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Il Power-to-Gas come sistema di accumulo per rinnovabili e produzione di nuovi combustibili: tecnologie e prospettive

Lo scenario attualee ilPower-to-Gas: fattori chiave
Elementi e prospettive base di un sistema Power-to-Gas (P2G)
Le tecnologie coinvolte
Tecnologieper il P2G: la produzione dell’idrogeno
Termochimica delle celle elettrolitiche
Power-to-Gas: progetti internazionali esistenti

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcTER Cogenerazione - Verona ottobre 2018 Cogenerazione oggi e domani. Nuovi combustibili, soluzioni Smart, spunti tecnologici

Pubblicato
da Benedetta Rampini
mcTER Cogenerazione - Verona 2018Segui aziendaSegui




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Veronafiere 17 ottobre 2018 Gli atti dei convegni e pi di 9.500 contenuti su www.verticale.net mcTER Cogenerazione Verona Cogenerazione oggi e domani: nuovi combustibili, soluzioni Smart, spunti tecnologici 17 ottobre 2018 ' Verona

Il Power-to-Gas come sistema di accumulo per le rinnovabili e per la produzione di nuovi combustibili: tecnologie e prospettive Prof. Andrea De Pascale DIN ' Dip. di Ingegneria Industriale Universit di Bologna ' fluctuating and intermittent power; ' deterioration of electric services; ' large amount of non-programmable power; ' mismatch production-demand. EU 2005'2016 RES data & 2020 Targets (% of gross demand) Lo scenario attuale e il Power-to-Gas: fattori chiave
L'avvento del e fonti Rinnovabili Non Programmabili nel sistema elettrico ha prodotto un incremento di disponibilit e un surplus di energia








ma anche nuovi problemi nel a gestione delle reti elettriche:

' Intermittenza e potenza fluttuante; ' Deterioramento del servizio; ' Squilibri domanda/produzione. Necessari Stoccaggi elettrici di lungo periodo e grande capacit Fonti rinnovabili in Italia e in Europa, GSE 2018 1. A. De Pascale Lo scenario attuale e il Power-to-Gas: fattori chiave L' 'impronta carbonica'
' Grandi quantit di 'gas serra' (GHG) sono attualmente rilasciate da impianti di
potenza, trasporti e processi industriali
ancora basati sui combustibili fossili
' I tassi di crescita attuali per le emissioni di GHG sono ancora positivi in molti paesi
' Le tecnologie di cattura (CCS) e/o di produzione biocombustibili/biocarburanti
possono alleviare il problema, verso
l'obiettivo della 'carbon neutrality'



EU Latest estimated change in CO2 2016'2017 (Eurostat) EU + 1.8 % 10.7 % Share of EU TOT 23.0 % 10.0 % 11.2 % 9.8 % 7.7 % ' Necessarie tecnologie di tipo Carbon-free per lo stoccaggio/riciclo della CO 2 + tecnologie che si integrino con le infrastrutture esistenti dei combustibili fossili 2. Electrolysis Methanation NG network NP-RES H2O CO2 H2 El. Power Green fuel CO2 source POWER-to-GAS system H2 storage FC & H2 combustion Elementi base di un sistema Power-to-Gas (P2G)
Converte potenza elettrica in un gas sintetico stoccabile (Green fuel)

Richiede acqua e pu permettere di riciclare CO2 da sorgente esterna









Si basa sull'idrogeno come vettore energetico
Pu essere integrato con l'accumumo di H2 e le fuel cel s


(upgrading) A. De Pascale Prospettive del sistema Power-to-Gas (P2G) Il Power-to-Gas un'interessante opzione, in vista della sua possibile integrazione con infrastrutture esistenti di grande scala (reti elettriche, reti di distribuzione del gas naturale, infrastrutture del GNL, il settore dei trasporti'), il ch determina una capacit di accumulo superiore ad altri stoccaggi
Giglio et al. Le tecnologie coinvolte Un sistema di tipo P2G un Complesso Sistema di Conversione Energetica, basato sull'integrazione di diverse tecnologie con vario 'TRL' (innovative - in via di sviluppo - consolidate) : ' Produzione del gas ' dispositivi elettro-/termo-chimici per: - Produzione idrogeno - Elettrolisi - Gas upgrading - Metanazione - Gas separation ' Compressione & stoccaggio gas: macchine e dispositivi che utilizzano energia elettrica per movimentare, accumulare e immettere i gas prodotti nel e infrastrutture esistenti del gas naturale o in serbatoi intermedi. ' Sistemi di riconversione Fuel-to-Power: macchine e dispositivi che utilizzano il gas prodotto per soddisfare richieste locali di potenza: - Turbine a gas & Motori alternativi a combustione interna - Fuel cel s - Caldaie - ' A. De Pascale Tecnologie per il P2G: la produzione dell'idrogeno Elettrolizzatori dispositivi che utilizzano corrente elettrica per fornire potenza per la scissione delle modecole di acqua in idrogeno e ossigeno, mediante reazioni di tipo elettrolitico Reazione globale: '''''' ' '''' + ''
'' '''' Tecnologia a Alta temperatura: HTE (600-1000C) ' SOE (Solid Oxide Electrolyte) Tecnologie a Bassa temperatura: LTE (< 100C) ' PEM (Proton Exchange Membrane)
' KOH (Alkaline) I materiali impiegati, conduttori di ioni, sono diversi A. De Pascale Termochimica delle celle elettrolitiche Il funzionamento dipende da temperature & pressioni operative Electric energy demand Total energy demand Heat demand In caso di funzionamento termo-neutro, il calore di reazione fornito integralmente dalle dissipazioni interne al sistema L'efficienza di conversione rappresenta il parametro chiave, che misura le performance, variabili con le condizioni operative A. De Pascale Valori con riferimento al potere calorifico superiore (HHV) o inferiore (LHV) La produzione dell'idrogeno: prestazioni-stato dell'arte Elettrolizzatori ' parametri di performance: Turbo Expo 2018: Tutorial of Basics (GT2018-
77448): New frontiers and challenges in
polygeneration grids (A. De Pascale) ''2'' = '''' 2 ''''''''2 '''''' = '''' '''' 2'''''' ''''''''2 '''''' ''' = '''' 2 ''''''''2 '''''' + ''''h ' Electric-to-Fuel conversion index ' Rendimento di
Io principio
Technology '''' [%] Efficiency (1st law)* [%] LTE PEM (near term commercial) 80 - 85 50 ' 75 (70-45 kWh/kgH2) KOH or NaOH (commercial) HTE SOEC (laboratory scale/demonstration) 50 - 80 80-90 (up to ' 100) '''' = '''' 2'' '''''''''''''''''' '''' 2'' '''' = '''' 2 '''' 2'''''' ' Reactant conversion rate Fattore di utilizzo del 'acqua (Steam conversion) Include solo elettricit consumata dalle reazioni Include consumi termici per preriscaldo acqua (vaporizzazione); pu includere consumi ausiliari (pompaggio, filtri, aria di 'sweep', BOP,') *data sheets & technology reports
e.g.: Sapountzi et al., Prog. Energy Combust. Sci.,
2017, 58, 1-35. ' Voltage, Current Curva di polarizzazione cella ''''; '''' '''''''''' '''''''' = ''''2 '''' (electrochemistry) A. De Pascale La produzione dell'idrogeno: prestazioni-stato dell'arte Elettrolizzatori ' parametri di performance: Efficienza Elettrolizzatore PEM (T= 60-80C) (LTE tested cell @ 8-10 bar) Micro grid lab (@ UNIBO) PV PANELS System Auxiliaries DC 24 V DC 12 V DC 24 V AC 230 V AC 230 V DC 12 V SOLAR SIMULATOR BATTERIES INVERTER CONVERTER ELECTROLYZER H2 Storage AC 230 V DC 12 V DC 24 V CONVERTER E L E C T R IC A L N E T W O R K LOAD EMULATOR TR2 IR1 IR2 ER1 Pyranometer TR1 RR1 IR3 ER3 IR4 ER4 ER2 IR5 IR6 ER5 IR7 LR1 ER6 IR8 ER7 DC 24 V DC 24 V S o la r C h ar g er R eg u la to r ER8 IR ER LR QR RR TR Solar Radiation Current Voltage Mass flow rate Mass flow quality Temperature Measuring sensors legend: QR1 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 50 100 150 200 250 H G + A C /D C H H V E ff ici e n c y [- ] Input power [W] Le performance sono misurabili con instal azioni sul campo, per esempio: A. De Pascale Dati sperimentali UNIBO ' CIRI E.A. La produzione dell'idrogeno: prestazioni-stato dell'arte ** De Pascale A. Tutorial of Basics (GT2018-77448): New frontiers and challenges in
polygeneration grids. Turbo Expo 2018 40% 60% 80% 100% 120% 140% 100 200 300 400 500 600 700 800 900 P e rf o rman c e p a ra meter s [%] Temperature [C] E2F (HHV) E2F (LHV) ' I (HHV) ' I (LHV) U F U F = 80% Elettrolizzatori ' parametri di performance: 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1000 2000 3000 4000 5000 T=800C
T=850C
T=900C
T=950C
T=1000C V o lt a g e V e [ V ] Current density I e / A [A/m 2] V HHV =1.485 V Polarization curves HTE (SOEC) (Modeled* HTE cell) Energy performance (calculations ** ) * Based on: Ni M, Leung MKH, Leung DYC. An electrochemical model of a solid oxide steam
electrolyzer for hydrogen production. Chem Eng Technol 29 (2006) Le performance di elettrolizzatori di tecnologie SOE, esempio: A. De Pascale Tecnologie per il P2G: la produzione del CH4 sintetico ' Il secondo stadio del sistema P2G: una conversione termochimica
' Il CH4 - Substitute Natural Gas (SNG) viene ottenuto da una corrente di H2 'rinnovabile' e da un flusso di CO2 proveniente da processi di cattura o di trasformazione delle biomasse.




Heat demand Heat release Electrolysis Methanation H2O SNG (green fuel) NP-RES CO2 ' Si basa sulle reazioni di Sabatier : Metanazione: reazioni esotermiche, non favorite ad alta temperatura e sostenute da appositi catalizzatori. Anche eventuale CO si trasforma in CH4 '''' + 3''2'''''4 + ''2'' 'h = -206.2 ''''/'''''' ''''2 + 4''2'''''4 + 2''2'' 'h = -41.16 ''''/'''''' H2 A. De Pascale Tecnologie per il P2G: la produzione del CH4 sintetico
' Temperature operative superiori a 200 C 250 C ' Pressioni hanno un effetto positivo sulle reazioni ' Rapporto C/H (stechiometrico) ottimale: 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 150 200 250 300 350 400 450 500 p=1 bar, (CO2/H2) inlet =1:4 p=10 bar, (CO2/H2) inlet =1:4 p=30 bar, (CO2/H2) inlet =1:4 C H4 ou t / C O2 in Yie ld T emperature (C) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 150 200 250 300 350 400 450 500 Hysys (CO 2 /H 2 = 1:3) Hysys (CO 2 /H 2 = 1:4) Hysys (CO 2 /H 2 = 1:5) EXP (CO 2 /H 2 = 1:3) EXP (CO 2 /H 2 = 1:4) EXP (CO 2 /H 2 = 1:5) Y ie ld = C H 4 , o u tle t / C O 2 , in le t Temperature (C) H2/CO2 ratio & Temperatura Pressione & Temperatura Calcuations (equilibrium) vs experiments FEED = ''2 - [''''2] '''' + [''''2] = 3 Calcuations (equilibrium) La termochimica del e reazioni di Sabatier ben nota da tempo, questi sono i fattori chiave fondamentali A. De Pascale Tecnologie per il P2G: la produzione del CH4 sintetico















Patented technology: TREMPTM (Topse Recycle Energy-efficient Methanation Process)
' 3-5 fixed bed intercooled reactors ' Ni - Al2O3 based catalyst
' semi-commercial scale size: ' 200 - 2,000 Nm3/h SNG ' stable activity in a wide temperature range (200-700 C) Capacit impianti in produzione di grande scala: <700.000 Nmc/anno
Impianti / pilota esistenti in Germania, Cina, Corea del Sud,' Esistono gi disponibili processi industriali: TREMP, Linde, Lurgi, Conoco,' Catalytic Methanation A. De Pascale Tecnologie per il P2G: la produzione del CH4 sintetico















Processi biologici ' Biogas dalla Digestione Anaerobica (CH4 + CO2 es.: 40%/60%) a partire da rifiuti, biomasse, reflui zootecnici ' Il CH4 separato dalla CO2 con processo di upgrading ottenendo bio-metano
' La CO2 separata pu essere utilizzata in reazioni di Sabatier per produrre ulteriore CH4 mediante l'aggiunta di H2 da elettrolisi A. De Pascale 60% 70% 80% 90% 100% 200 250 300 350 400 450 500 P e rf o rma n c e p a ra mete rs [% ] Temperature [C] Yield ' SAB ' ' SAB (HHV) ' SAB (LHV) Tecnologie per il P2G: la produzione del CH4 sintetico L'efficienza del processo di metanazione si pu misurare in vario modo: ''''''' ('''''') = '''''''' '''''''''''' '''''' '''''''''' Efficienza energetica di conversione dei combustibili '''''''' = '''''''' ''''4 '''''' '' CH4 Reactor Yield o fattore di conversione (in volumi) ''''''' '' = '''''''' '''''''''''' + '''' '''''' '''''''''' Efficienza energetica di primo principio 3 equilibrium reactors, downstream cooling, Calculations with Aspen HYSYSTM (HHV) Gas Hourly Space Velocity (GHSV) un altro indicatore di resa del reattore: portata in Vol. / Vol. reattore Current technology level: ''''''' 70-80% ; ''''''' '' 80-90% La tecnologia dei reattori consente di ottenere efficienze di conversione di I princ. del 'ordine di 8090% A. De Pascale Tecnologie per il P2G: compressione e stoccaggio Compressione: richiede Potenza aggiuntiva ' p NG_net fino a 70 bar ' P electrolyzer 1-30 bar ' P methanation 1-100 bar ' metanazione pressurizzata per incrementare la resa in metano ' Capacit rete SNAM: 16 109 Nmc Storage: richiede capacit European GAS and LNG network Electrolyzer Methanation water CO2 H2 SNG Pel,FRNP C C PCOMP PCOMP H2 tank Electrolyzer Methanation water CO2 H2 SNG Pel,FRNP C PCOMP Electrolyzer Methanation water CO2 H2 SNG Pel,FRNP C PCOMP H2 tank P C PCOMP PPUMP H2 H2 H2 SNG SNG SNG H2 based power systems Electrolyzer water H2 Pel,FRNP Electrolyzer water H2 Pel,FRNP H2 tank P C PCOMP H2 based power systems Electrolyzer water H2 Pel,FRNP H2 tank C NG network PCOMP PPUMP H2 H2 H2 H2 Jrg Leicher et al. / Energy Procedia 120 (2017) Power-to-Gas: problematiche del 'metano sintetico' in rete ' Le propriet del gas prodotto dai sistemi P2G, se immesso nella rete, devono
essere simili a quelle del gas naturale di
rete. ' Tipicamente il GN contiene attorno all'80% di CH4. Ulteriori componenti
presenti sono idrocarburi superiori che
possono aumentare il potere calorifico. ' La mancanza di questi idrocarburi e un residuo di CO2 o di H2 non convertito,
possono comportare valori diversi di LHV. ' Il rischio di anomali funzionamenti degli apparati di combustione va considerato
(indice di Wobbe, velocit di
propagazione della fiamma, temperatura
di combustione)
A. De Pascale Power-to-Gas: progetti internazionali esistenti Potenza totale instal ata in impianti Power-to-Gas pilota 1 10 100 1000 10 4 1990 1995 2000 2005 2010 2015 T o tal i n st al led p o w e r [k W e l] Year [-] ' Gahleitner, G. (2013). Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. international Journal of hydrogen energy, 38(5), 2039-2061. ' European Power-to-Gas Platform, http://www.europeanpowertogas.com A. De Pascale Ricerche in atto sul P2G Power-to-Methane research project: CNR-ITAE/UNIBO Co-Electrolyzer (SOEC) Methanation (SAB) Compression NP-RES H2O CO2 O2 H2 Qth Syngas NG Network P2G system H2O Air Pel Qth Qth CO2 source Thermal source CO SOEC+SAB High temperature co-electrolysis (simultaneous production of H2 and CO starting from electric power, H2O and CO2) of SOEC (Solid Oxide Electrolyte Cel ) technology in a single device with remarkable thermal synergies. A. De Pascale Reti regionali ' sinergie con il P2G Emilia Romagna scenario:
' 253 biogas plants (172 manure & crops biomass + 81 organic waste, total produced power: 225 MW) ' regional natural gas network +BioCH4 research proposal: CRPA/ENEA/LEAP/Proambiente/UNIBO Il biometano per la decarbonizzazione dell'economia regionale,
incluso lo studio della produzione di bio-LNG per il settore trasporti ' Il settore del Biometano, in Italia solo all'inizio,
' Direttiva 2009/28/CE fissava obiettivo 10% biocarburanti
' DM 2/3/2018 per attivare lo sviluppo della filiera
' Il biometano pu inserirsi nella categoria del GNL, come biocarburante per i mezzi pesanti e navali A. De Pascale Concludendo: considerazioni sul P2G e opportunit
' Il P2G una combinazione di tecnologie consolidate (industria) e in via di sviluppo (ricerca) per l'ottenimento di combustibili carbon neutral. ' Il P2G pu aiutare al raggiungimento degli obiettivi posti dall'enorme sfida verso la decarbonizzazione dei settori energia e trasporti. ' La capacit di stoccaggio per le fonti rinnovabili enorme, sfruttando le infrastrutture esistenti e il P2G pu anche sostituirsi al 'instal azione di nuove reti elettriche richiesta dal a crescente produzione rinnovabile. ' Le efficienze di stoccaggio possono essere ritenute accettabili e il P2G, malgrado le inevitabili dissipazioni, consente comunque un incremento di penetrazione di quote crescenti di energia di origine 'pulita'.
A. De Pascale www.unibo.it Prof. Andrea De Pascale DIN ' Dipartimento di Ingegneria Industriale andrea.depascale@unibo.it


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