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

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

Sommario della presentazione
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

CO2 trend over the centuries
L’Accordo di Parigi e il cambiamento climatico
• 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

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

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
Technology area contribution to global cumulative CO2 reduction

Il ruolo delle “emissioni negative”
• 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

Uno scenario più ambizioso
• 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
Technology area contribution to global cumulative CO2 reduction

L’importanza della bioenergia
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

Contributo delle diverse fonti rinnovabili ai
consumi finali lordi di energia in Italia nel 2017
Elaborazione su dati GSE, Rapporto statistico 2017 - Energia da fonti rinnovabili in Italia, febbraio 2019

Bioenergia e bilancio del carbonio
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

Il ruolo della bioenergia nella riduzione delle
emissioni di GHG
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

Bioenergia e bilancio del carbonio
Different carbon capture concepts have different climate change mitigation impact

Integrazione della CCS nella produzione di
biocombustibili
Produzione di combustibili liquidi via gassificazione di biomasse legnose e
sintesi di Fischer-Tropsch
Produzione di Bio-SNG via gassificazione di biomasse legnose e metanazione
catalitica del syngas

Il potenziale di mitigazione delle foreste
Forestazione e riforestazione possono rivestire un ruolo importante nella lotta ai
cambiamenti climatici
Carbon Cycle in forest ecosystem

La biomassa e il sequestro del carbonio
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&

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

La digestione anaerobica
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

Fasi e componenti microbiche del processo di
Digestione Anaerobica*
* da: Colleran, E.: Application of Anaerobic Bacteria to Wastewater Treatment and Energy Recycling, 1991

Impianti di biogas in Italia dal 2009 al 2017
Elaborazione su dati GSE, 2011 - 2019

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)

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
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

Power to Gas: metanazione catalitica
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

Biometanazione della CO2
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

Metanazione biologica ex-situ CO2 e H2
*
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

Metanazione biologica ex-situ: biogas + H2
*
CSTR
CSTR
TBR
TBR
TBR
UpFlow
CSTR
FBR = Fluidized Bed Reactor

Metanazione biologica ex-situ
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

Metanazione biologica ex-situ
….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)

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)

Impianto BioPower2Gas: modalità di
funzionamento
BGP = Impianto biogas
SET = Reattore di biometanazione
PSA = Unità di upgrading con tecnologia PSA
Fonte: Viessmann Group, 2015

Metanazione biologica in situ: iniezione di H2
nel digestore
CSTR
CSTR
CSTR
CSTR
HFMR
Columnreactor
UASB
Columnreactor
CSTR
HFMR = Hollow Fibre Membrane Reactor

nel digestore
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

nel digestore
….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)

Diffusione dell’H2 all’interno del digestore
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

Attività di ricerca ENEA sul P2G
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

Elettrolizzatore da 6 kW e metanatore in linea

Accordo quadro ENEA - Società Gasdotti Italia
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

Attività di ricerca ENEA sulla biometanazione
della CO2
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

Programmi di ricerca ENEA sulla
biometanazione della CO2
• 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

Grazie
per l’attenzione
vito.pignatelli@enea.it
antonella.signorini@enea.it

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