Liquid biomethane production : thermodynamic and economic optimization of sequential upgrading and liquefaction compared with a novel integrated cryogenic process

Liquid biomethane (LBM) is considered one of the most promising future alternative to traditional vehicle’s fuels, as indicated in the 2017 Italian energetic national strategy. The most important reason for such an interest is that it can be obtained from biomass as a renewable source. The complete process to obtain LBM requires biomass anaerobic digestion, biogas purification and upgrading (obtaining biomethane), concluding with liquefaction. The steps of purification, upgrading and liquefaction can be performed sequentially or partially integrated. The sequential solution involves common technologies for each step, while the integrated case is usually done with an anti-sublimation process. In the latter case, integration is possible because the contaminants removal occurs by cooling down the flow to very low temperatures reducing the final thermal power requirement for the liquefaction. By considering 887.5 Nm3/h of raw biogas from Organic Fraction of Solid Municipal Waste (net of the consumption to satisfy thermal requirement), the LBM production following the sequential and integrated alternatives previously described will be compared in terms of energy consumption and specific production costs. In the first alternative, the analysis will focus on the liquefaction section. After a previous selection between the liquefied natural gas technologies compatible with the current size, the final choice is obtained after a thermodynamic and economic optimization. In the second alternative, a simulation of the process considering real mixture behaviour is done, evaluating the performance of the specific refrigeration cycle adopted, the specific cost of production and the methane slip. In conclusion, it is found that the anti-sublimation process shows an higher specific cost of liquefied biomethane (LBM) production than the sequential process (1.52 €/kgLBM against 1.16 €/kgLBM).

Il biometano liquido (LBM) è considerata una delle più promettenti alternative ai combustibili tradizionali per i veicoli, come conferma la strategia energetica nazionale italiana 2017. Il motivo più importante per questo interesse è che esso si può ottenere dalla biomassa come fonte rinnovabile. Il processo complessivo che porta alla produzione di biometano liquido passa dalla digestione anaerobica della biomassa, dalla purificazione e upgrading del biogas e si conclude con la liquefazione. I sotto processi di purificazione, upgrading e liquefazione possono essere svolti in sequenza o integrati. La soluzione in sequenza prevede l’utilizzo di tecnologie comuni mentre quella integrata viene svolta con un processo di brinamento. In questo caso, l’integrazione è resa possibile dal fatto che la rimozione dei contaminanti avviene tramite il loro raffreddamento fino a temperature molto basse, riducendo la potenza termica finale richiesta dalla liquefazione. Considerando 887.5 Nm3/h netti di biogas grezzo ottenuto dalla Frazione Organica di Residuo Solido Urbano, la produzione di biometano liquido tramite processo sequenziale e integrato precedentemente descritti sarà confrontata per consumo specifico di energia e costi specifici di produzione. Nel primo processo, l’analisi verterà soprattutto sulla sezione di liquefazione. Partendo da una prima selezione tra le tecnologie utilizzate nella liquefazione del gas naturale compatibili con la taglia considerata, la scelta finale si otterrà dopo un’ottimizzazione termodinamica ed economica. Nel secondo processo, sarà effettuata una simulazione dello stesso tenendo conto del comportamento delle miscele reali, valutando le prestazioni del ciclo refrigerante specificatamente adottato, il costo specifico di produzione e la perdita di metano. In conclusione, si trova che il processo di brinamento ha un costo specifico di produzione di biometano liquido più elevato rispetto al processo sequenziale (1.52 €/kgLBM contro 1.16 €/kgLBM).