verticale

Conversione biologica di CO2 a metano: prospettive e risultati in-situ

Introduzione: conversione biologica CO2 e power to methane
- Stato dell'arte
- Sperimentazioni :
- Strategia di arricchimento biomassa idrogenotrofa in-situ
- Sperimentazione in continuo
- Valutazione economica
- Attività in corso

Scarica il PDF Scarica il PDF
Aggiungi ai preferiti Aggiungi ai preferiti


Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcTER Biometano-Biogas-Biomasse giugno 2019 Biogas, Biometano, BioGNL: Upgrading, nuovi incentivi e sostenibilità

Pubblicato
da Atti di convegno Atti di convegno
mcTER Biometano-Biogas-Biomasse 2019Segui aziendaSegui




Settori: 

Parole chiave: 


Estratto del testo
Gli atti dei convegni e più di 10.000 contenuti su www.verticale.net Bio-Gas - Biometano Termotecnica Industriale Pompe di Calore
Conversione biologica di CO
2 a metano: prospettive e risultati in-situ
Ing.Viola Corbellini, PhD Prof. Francesca Malpei 27 giugno 2019 - Crowne Plaza Hotel - San Donato Milanese Dott. Viola Corbellini, PhD 2/18 Contenuti ' Introduzione: conversione biologica CO 2 e power to methane ' Stato dell''arte ' Sperimentazioni : '' Strategia di arricchimento biomassa idrogenotrofa in-situ '' Sperimentazione in continuo '' Valutazione economica ' Attività in corso Dott. Viola Corbellini, PhD 3/18 Conversione biologica della CO 2 4H 2 + CO2 ' CH4 + 2H2O ''G ° = - 135.6 KJ/mol Metanigeni idrogenotrofi Normalmente producono il 30% del CH4 nella AD Angelidaki et al., 2018 H2 + Digestione Anaerobica (AD) Dott. Viola Corbellini, PhD 4/18 Power to methane  Chemical
 Bio-chemical WWTP Dott. Viola Corbellini, PhD 5/18 Stato dell''arte Ricerca attiva dal 2012: circa 140+49 paper (in-situ&ex-situ) ' Scarsa solubilità idrogeno nella fase liquida
' Innalzamento pH in funzione di CO 2 e PH2 ' Possibile aumento intermedi reazione (TVFA)
' Metanazione syngas (sintetico) Soluzioni testate: ' Trasferimento H 2 con membrane/trickle bed reactor/CSTRs/Upflow ' Co-digestione di substrati acidi (es. siero di latte)
' Periodi di adattamento del consorzio batterico Principali risultati: ' %CH 4 del 65-100 e conversione CO2 66-100 ' Necessario periodo acclimatazione biomassa (syngas e biogas)
' H 2:CO2 necessaria sovra-stechiometria Dott. Viola Corbellini, PhD 6/18 Concept:
Immissione H
2 nel digestore principale
Pro:
Nessun extra tank

Contro:
-Interazione con processo di AD
-Minore conversione CO 2 possibile (CO2 regola equilibri chimici) Metanazione biologica CO 2: configurazioni IN-SITU & EX-SITU Concept:
Immissione H
2 e biogas (o CO2 di risulta, syngas) in reattore dedicato

Pro:
-Processo semplificato
-Ampia applicabilità (diversi flussi gassosi di
risulta)
-Nessuna interazione con processo AD
-Possibile completa conversione CO 2
Contro:
-Necessità di extra tank dedicato Dott. Viola Corbellini, PhD 7/18 I. Sviluppo standard di misura SHMA III. Arricchimento rapido della biomassa idrogenotrofa IV. Ottimizzazione processo in-situ in continuo II. Design & assessment di una nuova configurazione ''Hybrid' Attività di ricerca al Politecnico di Milano Linea di ricerca specifica
aperta nel 2015
Dott. Viola Corbellini, PhD 8/18 Arricchimento rapido biomassa idrogenotrofa ' Acclimatazione e arricchimento ' evitare disequilibrio della contestuale degradazione della sostanza orgnica ' Fornire strategia di start-up del processo di biogas upgrading in situ per applicazione a scala pilota/piena Strategia applicata: ' Semplice, incremento H 2:CO2 progressivo ad intervalli di tempo fisso Paper: Corbellini, V., Catenacci A., Malpei F. (2019) ''Hydrogenotrophic biogas upgrading integrated into WWTPs: enrichment strategy ', Water Science and Technology, https://doi.org/10.2166/wst.2019.096 Dott. Viola Corbellini, PhD 9/18 Arricchimento rapido: rateo produzione metano
' Produzione CH 4 aumentata del rapporto 2:1-3:1 ' +26% CH 4 con rapporto 4:1 ' Attività specifica idrogeneotrofica aumentata da 100 mlCH 4/gSVd a 350 mlCH 4/gSVd Theoretical Methane = (mlH 2inj/4)/d+(mlCH4blank)/d No H2 1:1 2:1 3:1 4:1 Dott. Viola Corbellini, PhD 10/18 Prove in continuo IN-SITU
Sperimentazione continua per 196 giorni Scopo: selezionare il migliore rapporto H 2:CO2 per massimizzare conversione CO 2 Parametri operativi:
' 2 CSTRs (V l=13 L) ' HRT = 20 d
' pH = 7.4 ±0.2 ' T = 37 °C ' Mixing RPM = 120
' Feed: fango primario misto secondario (20 gTS/L-11gVS/L)
' H 2 alimentato con gas bag QH2 variata tra 0,8L/d a 5L/d Dott. Viola Corbellini, PhD 11/18











' Accumulo etanolo (1 g/L) per blanda inibizione ossidazione alcoli o inibizione di batteri
etenolo-degradatori (Frimmer & Widdel 1989; Conrad, 1999) ' Concentrazioni min TVFA maggiore stabilità a H 2/CO2 6:1 e 7:1 0 400 800 1200 1600 2000 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 I (-) II (0.5) III (1) IV (2) V (3) VI (4) VII (6) VIII (7) TVFA and alcohols [mgCOD/L] Acetic Propionic Iso-butyric Butyric Iso-valeric Valeric Ethanol Andamento degli intermedi di reazione: TVFA e
alcoli
Dott. Viola Corbellini, PhD 12/18 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 140 Biog as output % Time [days] CH4 R1 CO2 R1 H2 R1 Start-up 0:5:1 1.5:1 2:1 3:1 4:1 6:1 7:1 Composizione del biogas output ' CO 2 finale 5% ' max conversione 80% ' CH 4 finale 90% ' H 2 non-convertito 5% ' H2 utilizzato al 94% ([H2inj- H2out]/ H2inj) Dott. Viola Corbellini, PhD 13/18 Bilancio del COD ' Chiusura del bilancio del COD 10-15%, risultati sprimentali robusti gC OD /d Start-up 0:5:1 1.5:1 2:1 3:1 4:1 6:1 7:1 Dott. Viola Corbellini, PhD 14/18 Conclusioni sperimentazione in continuo IN-SITU '' Biogas finale: 90% CH 4 - 5% CO2 - 5% H2 con rapporto H2/CO2=7:1 '' Degradazione VS% costante ' degradazione sost. org. non inibita '' Effetti H 2 sul consorzio anaerobico solo I° periodo (etanolo )' rapidamene risolto Dott. Viola Corbellini, PhD 15/18 Valutazione economica preliminare Tecnica:
' Tecnologia: upgrading in-situ da fanghi di depurazione (WWTP)
' Impianto AD esistente (comp. biogas: 62% CH 4, 38% CO2) ' H 2 prodotto da elettrolizzatore PEM (rendimento utilizzo: 100%) ' Recupero O 2 per fase aerazione impianto WWTP Economica:
' Costi di investimento, costi di esercizio (O&M, energia),
' Ricavi: vendita biometano; incentivo double-counting; riutilizzo O 2 ' Tasso di ammortamento di 5%
' Scenario di investimento 20 anni Confronto con le tecnologie di upgrading commerciali (WS, CA, PSA,
MEM) Dott. Viola Corbellini, PhD 16/18 Valutazione economica: assunzioni ' H 2 immesso con rapporto 4:1 e 8:1 rispetto alla CO2 =+80% e +150% biometano prodotto per immissione in rete ' 2 orizzonti temporali: 2020, 2030 '' riduzione costi elettrolisi (Schmidt et al., 2017) ' Costi energia elettrica: da Rete (81 '/MWh) da FV + installazione (0 '/kWh + 1100 US$/kW) da Surplus energetico delle rinnovabili (0 '/kWh) Dott. Viola Corbellini, PhD 17/18 Tecnologie commerciali Upgrading biologico in-situ Valutazione economica Dott. Viola Corbellini, PhD 18/18 ' Modellazione processo upgrading di conversione CO 2 biologica in-situ&ex-situ ' PerFORMWATER2030: apr-19 installato reattore ex-situ a scala pilota (V=1 m3) in impianto reale WWTP (San Giuliano Ovest, Cap-Holding) Attività in corso Metanogenesi idrogentrofa Elettrolizzatore REAL
BIOGAS
H2 Biometano per:
' Iniezione rete gas ' Uso trasporti Dott. Ing. Viola Corbellini viola.corbellini@polimi.it Prof. Francesca Malpei francesca.malpei@polimi.it Grazie per l''attenzione


© Eiom - All rights Reserved     P.IVA 00850640186