Thermodynamic analysis of a novel cryogenic process for liquid bio-methane production

Liquefied Biomethane (LBM) is considered as one of the most attractive alternatives to traditional fossil fuels, since it represents a renewable liquefied natural gas substitute of biogenic origin. It is produced from upgrading and liquefaction of biogas, a mixture of mainly carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) obtained through anaerobic decomposition of organic material. To this purpose, an interesting technology is represented by low-temperature purification processes where biogas upgrading is directly coupled with the liquefaction section. In the present work, a novel integrated cryogenic system for LBM production is investigated and its energy consumption and separation performance are estimated by means of material and energy balances. The performance analysis highlights that, despite the lower technological maturity, the novel process can be competitive with a benchmark solution (water scrubbing connected to a small-scale liquefaction plant) from the point of view of the energy efficiency. Moreover, the novel process features no-CH4 losses - since the CH4 not liquefied is energetically valorized and re-used within the plant - and it can also be adapted to produce pure CO2 as a valuable by-product. Areas for further development of the technology and possible criticalities are finally described.

Il biometano liquido (LBM) è considerato una delle più promettenti alternative ai combustibili convenzionali di origine fossile, in quanto rappresenta un surrogato liquido rinnovabile e biogenico del gas naturale. E' ottenuto a partire dai processi di upgrading e liquefazione del biogas, una miscela costituita prevalentemente da anidride carbonica (CO2) e metano (CH4) ottenuta attraverso un processo di decomposizione anaerobica di materiale organico. Un'interessante tecnologia per tale scopo è rappresentata dai processi di purificazione criogenici, nei quali l'upgrading del biogas è accoppiato direttamente alla liquefazione. Nel lavoro qui presentato, viene definito un innovativo sistema integrato di upgrading criogenico e liquefazione, i cui consumi energetici e performance di separazione sono stimati attraverso bilanci di massa e di energia. L'analisi prestazionale evidenzia che, nonostante il ridotto livello di maturità tecnologica, il processo innovativo risulta competitivo con un benchmark di riferimento (scrubbing con acqua connesso ad un impianto di liquefazione di piccola taglia) dal punto di vista dell'efficienza energetica. Inoltre, il processo non presenta slip di metano - in quanto il CH4 non liquefatto è energeticamente valorizzato e riutilizzato all'interno dell'impianto - e può anche essere adattato alla produzione di CO2 pura come co-prodotto. Infine le aree di sviluppo tecnologico e le possibili criticità del processo sono delineate.