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Strategie e politiche nel campo della CCU - Vito Pignatelli (ENEA)

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L'intervento di Vito Pignatelli (ENEA) in occasione dell'evento "La cattura dell’anidride carbonica ed il suo utilizzo: tecnologie ed economia per una transizione energetica sostenibile" che si è tenuto a Cagliari il 15 aprile 2019.

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Strategie e politiche nel campo della CCU - Vito Pignatelli (ENEA)

  1. 1. 406.29 CO2 trend over the centuries Strategie e politiche nel campo della Bio-CCU Vito Pignatelli, Antonella Signorini ENEA - Dipartimento Tecnologie Energetiche Laboratorio Biomasse e Biotecnologie per l’Energia V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  2. 2. Sommario della presentazione V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Strategie e politiche nel campo della Bio-CCU • Obiettivi e strategie per la riduzione delle emissioni di GHG • CCS e CCU: Carbon negative technologies e ruolo della bioenergia • CCU e Power-to-Gas: l’importanza della digestione anaerobica • La biometanazione della CO2 • Attività e programmi di ricerca ENEA su P2G e biometanazione della CO2
  3. 3. CO2 trend over the centuries L’Accordo di Parigi e il cambiamento climatico V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 • Gli attuali trends di consumi energetici porterebbero ad una emissione cumulativa di 4.200 Gt di CO2 alla fine del secolo, con un innalzamento prevedibile delle temperature medie compreso fra 3 e 4,5 oC • L’Accordo di Parigi, entrato in vigore a novembre 2016, fissa come obiettivo il mantenimento dell’incremento di temperatura “ben sotto” i 2 oC, con un limite ideale di 1,5 oC • Secondo l’IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change), mantenere l’incremento di temperatura sotto i 2 oC vuol dire limitare le emissioni di CO2 al 2100 fra le 1.000 e le 1.600 Gt, per stabilizzarne la concentrazione atmosferica intorno alle 450 - 500 ppm di CO2eq. • Questo vuol dire che la probabilità di limitare l’incremento alla soglia “di sicurezza” di 1,5 oC, corrispondenti ad una concentrazione di 450 ppm, è già molto bassa • Non esiste un’unica tecnologia in grado di fermare o cancellare gli effetti dell’incremento della concentrazione di CO2, ma, fra le altre, IPCC e IEA attribuiscono una significativa importanza alla CCS Fonte: IEA Bioenergy, 2016
  4. 4. V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Valori del GWP e vita media di alcuni gas climalteranti rispetto alla CO2 (*) Gas Vita media (anni) GWP 20 anni 100 anni Metano 12,4 86 34 HFC-134a (idrofluorocarburo) 13,4 3.790 1.550 CFC-11 (clorofuorocarburo) 45,0 7.020 5.350 Ossido nitroso (N2O) 121,0 268 298 Tetrafluoruro di carbonio (CF4) 50.000 4.950 7.350 (*) Valori utilizzati a partire dal 2013 - Fonte: IPCC AR5 p714
  5. 5. V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Bilancio del carbonio e scenari di emissione • Il settore energetico è attualmente responsabile del 60 - 70% delle emissioni di GHG a livello mondiale • Mantenere l’aumento di temperatura sotto i 2 oC (scenario 2DS) richiede di ridurre nel 2050 le emissioni di GHG di più del 60% rispetto al 2013, che vuol dire una riduzione annua di 0,5 Gt di CO2eq. a partire da oggi rispetto alla tendenza attuale Fonte: IEA Bioenergy, 2017 Technology area contribution to global cumulative CO2 reduction
  6. 6. Il ruolo delle “emissioni negative” V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 • L’obiettivo dello scenario 2DS rappresenta una grande sfida e può essere raggiunto solo mettendo in campo diverse tecnologie, inclusa la CCS e l’adozione di tecnologie a “emissioni negative” • Le tecnologie a “emissioni negative” sono quelle che permettono una sottrazione netta della CO2 presente nell’atmosfera. Allo stato attuale, questo può essere ottenuto solo con la cattura della CO2 dall’aria o con la produzione di bioenergia abbinata alla CCS, nota come Bio-CC(U)S The role of negative emissions in the 2DS Fonte: IEA Bioenergy, 2016
  7. 7. Uno scenario più ambizioso V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 • In uno studio IEA più recente (Energy Technology Perspective, 2017) è stato preso in esame un altro scenario (Beyond 2 oC - B2DS) che anticipa l’impiego di tecnologie ancora troppo costose, come la CCS nei settori industriali della produzione di cemento e siderurgia e l’applicazione su vasta scala della Bio-CC(U)S • In questo scenario, le tecnologie a emissioni negative consentono di raggiungere la neutralità nel bilancio netto di emissioni nel 2060 Fonte: IEA Bioenergy, 2017 Technology area contribution to global cumulative CO2 reduction
  8. 8. L’importanza della bioenergia V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 La bioenergia è una fonte rinnovabile continua e programmabile, che può contare su una pluralità di materie prime (biomasse residuali e/o da colture dedicate) e sulla disponibilità di tecnologie mature e affidabili: • Calore da biomasse solide (usi civili e industriali) • Elettricità da biomasse solide, biogas e bioliquidi • Biocarburanti liquidi (biodiesel, HVO, etanolo/ETBE) da colture dedicate • Biometano da biomasse fermentescibili
  9. 9. Contributo delle diverse fonti rinnovabili ai consumi finali lordi di energia in Italia nel 2017 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Elaborazione su dati GSE, Rapporto statistico 2017 - Energia da fonti rinnovabili in Italia, febbraio 2019
  10. 10. Bioenergia e bilancio del carbonio V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 La bioenergia può contribuire in due modi alla riduzione delle emissioni di CO2: • Indirettamente, sostituendo I combustibili fossili nella produzione di energia e carburanti rinnovabili • Direttamente, sottraendo CO2 dall’atmosfera con la crescita della biomassa e catturandone una parte a valle della sua utilizzazione con fonte di energia (Bio- CC(U)S) Negative emissions achieved by implementation of CCS to bioenergy processes Fonte figura: de Vos, 2014
  11. 11. Il ruolo della bioenergia nella riduzione delle emissioni di GHG V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 The role of bioenergy in the IEA low-carbon scenarios • Nello scenario IEA 2DS la bioenergia (compresa la Bio-CC(U)S) contribuisce per il 17% alla riduzione cumulativa totale delle emissioni di GHG, percentuale che sale al 22% nello scenario B2DS Fonte: IEA Bioenergy, 2018
  12. 12. Bioenergia e bilancio del carbonio V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Different carbon capture concepts have different climate change mitigation impact Fonte: IEA Bioenergy, 2018
  13. 13. Integrazione della CCS nella produzione di biocombustibili V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Produzione di combustibili liquidi via gassificazione di biomasse legnose e sintesi di Fischer-Tropsch Fonte: IEA Bioenergy, 2018 Produzione di Bio-SNG via gassificazione di biomasse legnose e metanazione catalitica del syngas
  14. 14. Il potenziale di mitigazione delle foreste V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Forestazione e riforestazione possono rivestire un ruolo importante nella lotta ai cambiamenti climatici Carbon Cycle in forest ecosystem Fonte: IEA Bioenergy, 2018
  15. 15. La biomassa e il sequestro del carbonio V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Carbon sequestration over time Il fattore chiave per il successo della Bio-CC(U)S è la sostenibilità della produzione di biomassa Fonte: IEA Bioenergy, 201&
  16. 16. Settore Fonti di CO2 Concentrazione di CO2 nell’off-gas (% vol.) Trasformazione biomasse Digestione anaerobica Upgrading del biogas Produzione di bioetanolo 15 - 50 ≈ 100 ≈ 100 Impianti termoelettrici Gas naturale Prodotti petroliferi Carbone 3 - 5 3 - 8 10 - 15 Processi industriali Produzione cemento Produzione ferro e acciaio Produzione ossido di etilene 14 - 33 20 - 30 ≈ 100 Ambiente Aria ≈ 0,04 Possibili fonti di CO2 per il P2G Fonte: Ghaib e Ben-Fares, 2018 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  17. 17. La digestione anaerobica V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 La digestione anaerobica è un processo biochimico, costituito da diverse fasi successive, mediante il quale la sostanza organica viene decomposta e trasformata in una miscela di gas (metano, CO2 e tracce di altre componenti) che prende il nome di biogas
  18. 18. Fasi e componenti microbiche del processo di Digestione Anaerobica* * da: Colleran, E.: Application of Anaerobic Bacteria to Wastewater Treatment and Energy Recycling, 1991 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  19. 19. Impianti di biogas in Italia dal 2009 al 2017 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Elaborazione su dati GSE, 2011 - 2019
  20. 20. Progetti PtG operativi: uso della Bio-CO2 Audi e-gas • metanazione catalitica CCU 2.800 t di CO2 /anno • scala industriale • H2 da elettrolizzatore alcalino (1.330 m3/h) • SNG: 300 m3/h Bio Power2Gas • upgrading del biogas ex-situ • impianto dimostrativo (5 m3) • H2 da elettrolizzatore PEM (60- 220 m3/h • SNG: 15-55 m3/h Alpha plant • upgrading del biogas in-situ • impianto dimostrativo (5 m3) • H2 da elettrolizzatore PEM (6 m3/h) • SNG: 4 m3/h PtG Micropyros • upgrading del biogas ex-situ • impianto pilota; • H2 da elettrolizzatore • SNG: 0,4 m3/h PtG Eucolino • upgrading del biogas in-situ • infrastruttura di ricerca • H2 da elettrolizzatore (21,3 m3/h) • SNG: 5.3 m3/h P2G BioCat • upgrading del biogas ex-situ e CCU • impianto dimostrativo • H2 da elettrolizzatore alcalino (1MW) V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  21. 21. Impianto Audi e-gas, Werlte (Bassa Sassonia) Partners del progetto Audi AG, ETOGAS GmbH Tipologia impianto Impianto industriale Prima immissione in rete SNG 2013 • L’impianto produce SNG utilizzando la CO2 proveniente da un sistema di upgrading di un impianto di biogas e H2 prodotto da tre elettrolizzatori alcalini della potenza totale di 6.3 MW • L’elettricità rinnovabile per la produzione di H2 proviene da un parco eolico offshore nel Mare del Nord. L’impianto può operare con il surplus di elettricità per 4.000 ore/anno V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Fonte: Lappeernranta University of Technology, 2016 • L’idrogeno reagisce con la CO2 in un reattore catalitico a temperatura e pressione elevate, e il calore recuperato del reattore di metanazione è usato per rigenerare l’ammina del sistema di upgrading • Il metano prodotto (Audi e-gas), pari a circa 1.000 t/anno, può alimentare una flotta di 1.500 Audi A3 a CNG con una percorrenza media di 15.000 km/anno Elettrolizzatori
  22. 22. Power to Gas: metanazione catalitica V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Buffer H2 Elettricità da FER Acqua Biogas UPGRADING ELETTROLIZZATORE METANATORE RETE GAS Acqua Ossigeno Idrogeno Buffer CO2 Metano CO2 Metano Vapore RETE GAS Reazione di Sabatier: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
  23. 23. Biometanazione della CO2 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Methanobrevibacter smithii Methanobacterium beijingense Methanolobus zinderi Microscopia in epifluorescenza: colorazioni con Ioduro di Propidio e Syto-9 Metanogeni idrogenotrofi: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Fonte: ENEA C.R. Casaccia, 2019
  24. 24. Metanazione biologica ex-situ CO2 e H2 * V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 CSTR FBR FBR CSTR FBR Biofilmreactor CSTR CSTR CSTR CSTR HFMR CSTR HFMR CSTR CSTR TBR TBR TBR TBR TBR Biofilmreactor FBR MER = Methane Evolution Rate CSTR = Continuous Stirred Tank Reactor FBR = Fluidized Bed Reactor HFMR = Hollow Fibre Membrane Reactor TBR = Trickle-Bed Reactor * Processi in continuo
  25. 25. Metanazione biologica ex-situ: biogas + H2 * V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 CSTR CSTR TBR TBR TBR UpFlow CSTR MER = Methane Evolution Rate CSTR = Continuous Stirred Tank Reactor FBR = Fluidized Bed Reactor TBR = Trickle-Bed Reactor * Processi in continuo
  26. 26. Metanazione biologica ex-situ V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Stato dell’arte • La MER (NLCH4/LR*day) è più elevata in condizioni di termofilia (T ≥ 55 oC) • La configurazione CSTR sembrerebbe la più promettente per raggiungere un valore di MER di circa 500 LCH4/LR*h, considerato il valore target per un processo di interesse industriale (Seifert et al., 2014) • Nella configurazione CSTR, l’elevata velocità di agitazione richiesta per aumentare la solubilità dell’idrogeno diminuisce la resa energetica finale • La concentrazione di CH4 nel gas in uscita dal reattore è inversamente correlata alla MER (NLCH4/LR*day) • I consorzi microbici acclimatati sono più efficienti delle colture pure nell’utilizzazione dell’H2 , non richiedono condizioni di sterilità e consentono di abbattere i costi relativi all’elevata quantità necessaria per l’inoculo iniziale di un digestore full-scale • Il processo di upgrading del biogas è limitato dalla presenza di metano, che determina una diminuzione della pressione parziale dell’idrogeno
  27. 27. Metanazione biologica ex-situ V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 ….e conseguente necessità di incrementare le attività di ricerca su questo processo, con particolare riferimento a: • Ottimizzazione della diffusione dell’H2 (solubilità 50 volte < della CO2) nella fase liquida intervenendo su: - Geometria del reattore e sistema di agitazione - Pressione operativa - Sistema di iniezione del gas - Ricircolo del gas • Diluizione della biomassa microbica dovuta alla produzione di H2O e all’introduzione di soluzione nutritiva fresca • Stabilità del processo su tempi lunghi • Scale-up del processo su un numero maggiore di impianti pilota e dimostrativi di taglia significativa (> 500 L)
  28. 28. Partners del progetto MicrobEnergy GmbH (Viessmann Group), CUBE Engineering GmbH, EAM EnergiePlus GmbH, IdE Institut dezentrale Energietechnologien gGmbH, Audi AG TRL: 8 (sistema completo e qualificato) Prima immissione in rete SNG: marzo 2015 Immagine: www.agroenergia.eu 1. Elettrolizzatore PEM 4. Controllo del processo 2. Reattore di biometanazione (5m3) 3. Sistemi ausiliari Impianto BioPower2Gas, Allendorf (Eder) V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Fonte: IEA Bioenergy, 2018
  29. 29. Impianto BioPower2Gas: modalità di funzionamento BGP = Impianto biogas SET = Reattore di biometanazione PSA = Unità di upgrading con tecnologia PSA V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Fonte: Viessmann Group, 2015
  30. 30. Fasi e componenti microbiche del processo di Digestione Anaerobica* * da: Colleran, E.: Application of Anaerobic Bacteria to Wastewater Treatment and Energy Recycling, 1991 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  31. 31. Metanazione biologica in situ: iniezione di H2 nel digestore V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 CSTR CSTR CSTR CSTR HFMR Columnreactor UASB Columnreactor CSTR MER = Methane Evolution Rate CSTR = Continuous Stirred Tank Reactor HFMR = Hollow Fibre Membrane Reactor TBR = Trickle-Bed Reactor * Processi in continuo
  32. 32. Metanazione biologica in situ: iniezione di H2 nel digestore V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Stato dell’arte • Nella metanazione in-situ la velocità di produzione del metano è molto più bassa di quella ex-situ in quanto il flusso di H2 iniettato è strettamente correlato alla produzione interna di CO2 • La pressione parziale di H2, un parametro chiave nell’efficienza nella digestione anaerobica, deve essere mantenuta a valori al di sotto di 10 Pa per non rallentare e arrestare il processo di acetogenesi, determinando di conseguenza un accumulo di metaboliti solubili e un arresto nella produzione di metano • Il consumo della CO2 può determinare un incremento del pH a valori ≥ 8.5 che inibiscono il processo di digestione anaerobica Fonte figura: Aryal et. Al., 2018
  33. 33. Metanazione biologica in situ: iniezione di H2 nel digestore V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 ….e conseguente necessità di incrementare le attività di ricerca su questo processo, con particolare riferimento a: • Ottimizzazione della diffusione dell’H2 (solubilità 50 volte < della CO2) nella fase liquida intervenendo su: - Sistema di iniezione del gas (sistemi di iniezione compatibile con le tipologie di reattori full-scale, ad esempio iniettori ad effetto Venturi) - Ricircolo del gas e del liquido • Controllo e contrasto all’aumento del pH, utilizzando un’alimentazione a base di substrati ricchi in carboidrati solubili • Possibile apporto di CO2 aggiuntiva da fonti esterne per rendere la tecnologia più flessibile • Scale-up del processo su un numero maggiore di impianti pilota e dimostrativi di taglia significativa (> 500 L)
  34. 34. Diffusione dell’H2 all’interno del digestore V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 H2 volume fraction of a CFD (Computational Fluid Dynamics) simulated digester with 2.5 (A), 10 (B) and 40 (C) mm mean bubble diameter sizes. Volume fractions below 0.005% were ignored. Flow rates were 20 m3/h H2 and 150 m3/h slurry Fonte: Aryal et. Al., 2018 A B C
  35. 35. Attività di ricerca ENEA sul P2G V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Background ENEA sulle tecnologie per il P2G • Sperimentazione su scala di laboratorio di catalizzatori commerciali di diversa tipologia • Testing di sostemi e componenti su apparati sperimentali fino alla taglia di 1 m3/h di gas prodotto • Modellazione di sistema, analisi economiche e ambientali • Coordinamento di progetti di R&I, collaborazioni con Università • Technology transfer, brevetti, supporto a P.A. e policy makers Per maggiori informazioni: paolo.deiana@enea.it
  36. 36. Elettrolizzatore da 6 kW e metanatore in linea V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019
  37. 37. Accordo quadro ENEA - Società Gasdotti Italia V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 E’ stato siglato un accordo quadro tra ENEA e SGI SpA con l’obiettivo di: • Identificare specifici ambiti di interesse • Individuare un programma di iniziative congiunte • Sviluppare studi di fattibilità e progetti Con particolare riferimento a: • Accoppiamento delle Reti di Trasporto Elettrico/Gas con le tecnologie Power to Gas • Nuovi utilizzi delle infrastrutture gas esistenti (consultazione ARERA 420/2018) • Produzione, stoccaggio e impiego-iniezione di gas diversi dal GN (idrogeno elettrolitico, metano da sintesi e miscele) • Riutilizzo della CO2 proveniente da processi industriali e/o sorgenti naturali • Indagini tecnico/economiche che considerano l’evoluzione della normativa applicabile e gli aspetti di sicurezza Fonte: Comunicato stampa del 28.03.2019
  38. 38. Attività di ricerca ENEA sulla biometanazione della CO2 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 Studio del processo di biometanazione in situ e in termofilia (55 oC) su un reattore CSTR, alimentato con scotta tal quale, con biomassa microbica immobilizzata su supporti in materiale plastico (HRT = 15 giorni) • misura oraria del flusso di biogas e della sua composizione • effetto del ricircolo del gas e della fase liquida • studio e caratterizzazione delle comunità microbiche • monitoraggio dei pathway metabolici (misura del consumo di H2 da parte dei batteri omoacetogeni, controllo del pH) Impianto sperimentale di digestione anaerobica da 50 L
  39. 39. Programmi di ricerca ENEA sulla biometanazione della CO2 V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019 • Scale-up del processo di biometanazione in situ su impianto pilota CSTR da 1 m3 alimentato con diverse tipologie di biomasse • Studio e sperimentazione su reattori di laboratorio di diversa configurazione della biometanazione ex-situ di biogas reale e CO2 da processi chimico-fisici di upgrading a biometano • Studio e sperimentazione di processi di biometanazione bistadio (in situ + ex-situ) • Sperimentazione delle miglior soluzioni individuate su scala di impianto pilota Digestore pilota da 1 m3 della piattaforma sperimentale processi avanzati di digestione anaerobica del C.R. ENEA Casaccia
  40. 40. Grazie per l’attenzione vito.pignatelli@enea.it antonella.signorini@enea.it V. Pignatelli, A. Signorini / CCUS workshop - Cagliari 15 Aprile 2019

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