Tecnologia power to gas : analisi di processo e modellazione della sezione di metanazione

In the Power to Gas context, methanation plays a principal role because it permits to produce Substitute Natural Gas from Hydrogen and CO2. Due to intensive utilization of fossil sources and due to remarkable development of renewable energies, Power to Gas is an interesting process both for reduction of CO2 and balancing of electric grids where renewable energies are important. Here, the attention will be focused on Power to Gas technology, especially both on methanation unit and principal problems involved. In this dissertation will be analyzed the methanation unit, with particular attention on reactor design and its integration in the process for different configuration. First of all mass balance are determined with the aim to product high level of methane that are required from gas grid. Then, thermodynamics aspect of reaction are introduced, studying four different possible of configuration of ractor. Finally, a mathematical model is developed for different cases, especially a 1D heterogeneous catalitic model, with different kinetic paths available in literature. The results show the positive effect of recycling gas and how this permit to go beyond possible limitations of once through configuration. In the end of this analysis it will be clear how results, especially on reaction volume, are strongly dependent on kinetic model used.

La tecnologia Power to Gas inserita in un contesto energetico più ampio, in cui vi è la presenza delle fonti rinnovabili, si presta come una soluzione ai problemi relativi alle fluttuazioni energetiche derivante dalla aleatorietà della fonte. In seguito all’incessante sfruttamento delle risorse fossili e al notevole sviluppo delle fonti rinnovabili negli ultimi decenni, il Power to Gas risulta essere un processo fondamentale per la riduzione della quantità di anidride carbonica sviluppata e per il bilanciamento delle reti elettriche laddove il contributo delle energie rinnovabili è considerevole. Verrà quindi analizzata la tecnologia del Power to gas, con particolare attenzione all’unità di metanazione e ai principali problemi ad esso connessi. All’interno di questo lavoro di tesi si analizza in dettaglio l’unità di metanazione, con particolare attenzione al dimensionamento del reattore e alla sua integrazione nel processo attraverso l’analisi di diverse configurazioni. A tale scopo, si è dapprima effettuata una analisi di bilancio materiale in modo tale che il sistema sia in grado di garantire gli elevati livelli di concentrazione di CH4 richieste dalle reti di distribuzione. Successivamente vengono introdotti i vincoli di equilibrio termodinamico della reazione Sabatier, analizzando quattro possibili configurazioni di reattore, con e senza riciclo. Infine sulla base dei quantificati ottenuti dall’analisi di processo si è svolta un’attività di modellazione matematica delle diverse tipologie di reattore, sviluppando un modello 1D eterogeneo del reattore catalitico ed implementando cinetiche della reazione di Sabatier disponibili in letteratura. I risultati ottenuti mostrano come l’utilizzo del riciclo permetta di superare eventuali restrizioni che altrimenti non sarebbe possibile oltrepassare con un sistema once through. Infine si è in grado di comprendere come a seconda dell’espressione cinetica utilizzata all’interno del modello di reattore, si ottengono risultati diversi in termini di dimensionamento dello stesso.