Integration of the methanation process within a power-to-gas storage system using biogas as source of CO2

This work sets out to analyse the integration of a methanation process within a hydrogen Power-to-Gas (P2G) system, where biogas is considered the CO2 source for methanation, and P2G operates for balancing non-dispatchable power production from a wind park. First, Aspen Plus software is used to determine and analyse the optimal configuration of the methanation system for producing grid-quality Synthetic Natural Gas (SNG); the effects of pressure and feed composition are also investigated. Partial load capabilities are estimated, together with the efficiency of the process, and the heat and mass fluxes involved. The integration of such methanation system with the hydrogen production unit of the P2G is then studied. H2 inputs for the analysis are obtained from a previous work, where simulations of a P2G system for hydrogen production were performed, based on real operative data from a 30 MWel wind park. A calculation model is developed for the operation of the methanation system, in order to determine annual SNG production, H2 storage requirements, and other operative parameters, as a function of the system size and of different control logics for system operation management. Optimal size for the methanation system is determined, and the different control logics are compared. Effects of electrolyser size and production unbalances remuneration for the wind park are also analysed, and low and high pressure storage solutions for H2 storage are evaluated. Integration of the system with the biogas upgrading unit is then studied. Required biogas plant dimensions are estimated and compared with typical biogas plants in Italy and Europe, to assess the feasibility and the potential of the coupling with the methanation system. Different biogas upgrading technologies are compared in terms of their integration potential with the methanation system. Heat recovery options are then evaluated, and the overall system efficiency is calculated. Finally, the Power-to-SNG system is analysed from an economic perspective, considering current costs and forecasted cost reductions.

Obiettivo di questo lavoro è l’analisi dell’integrazione di un processo di metanazione con un sistema Power-to-Gas (P2G) per la produzione di idrogeno, il cui obiettivo è il bilanciamento della produzione elettrica non dispacciabile di un parco eolico. La fonte di CO2 considerata per la metanazione è un impianto di upgrade di biogas. Per prima cosa, il software Aspen Plus viene utilizzato per determinare e studiare la configurazione ottima del sistema di metanazione, il cui obiettivo è la produzione di Synthetic Natural Gas (SNG) di qualità sufficiente all’immissione nella rete del gas naturale. Si valutano inoltre gli effetti di pressione, composizione del flusso in ingresso e carico parziale. Sulla base di quanto ottenuto, si analizza l’integrazione del sistema di metanazione con il sistema di produzione di idrogeno. Viene implementato un modello che, stabilita la taglia del sistema di metanazione, permette di calcolare l’accumulo di H2 necessario, la produzione annuale di SNG ed altri parametri operativi. Le portate di H2 in ingresso al modello sono ottenute da un precedente studio, in cui veniva simulato il funzionamento di un sistema P2G per la produzione di H2, sulla base di dati operativi reali di un parco eolico da 30 MWel. Si determina la taglia ottima per il sistema di metanazione, e si confrontano diverse logiche di controllo per l’accensione e le variazioni di carico del sistema. Si analizzano inoltre gli effetti della taglia dell’elettrolizzatore e di diverse politiche di remunerazione per gli sbilanciamenti nella produzione elettrica del parco eolico. Il lavoro si concentra poi sull’integrazione con l’impianto di biogas upgrading. Vengono valutate le dimensioni necessarie per l’accoppiamento con il sistema di metanazione in analisi, e si confrontano con le dimensioni tipiche degli impianti biogas in Italia e in Europa, per valutare fattibilità e potenziale della sinergia. Si valuta inoltre l’opportunità delle varie tecnologie di upgrading, e si presentano diverse opzioni per il recupero del calore prodotto dalla metanazione. Il lavoro si conclude con un’analisi economica del sistema P2G con metanazione, considerando anche riduzioni dei costi previste in futuro.