Biological biogas upgrading by hydrogenotrophic methanogenesis : optimization and modelling

The power capacity from renewable energy sources can answer the rapid demand of energy and it offers the possibility to replace the fossil fuel and reduce the CO2 emission. However, the discontinuous renewable energy production, for example from solar power and wind power, and the massive integration of more renewable sources in the electricity grid characterize the overproduction periods, where the produced electricity would not be totally employed. Therefore, there is consequently a need to convert this surplus of electricity into a storable form of energy. Power to gas (PtG) technology consists in using electricity to convert water into hydrogen by electrolysis, and then to synthetize methane from carbon dioxide and hydrogen. In this context, the biological methanation of biogas to methane, through hydrogenotrophic methanogenesis, is an innovative method for the biogas upgrading than already developed upgrading technologies; and it is an alternative to the power-to-gas-applications. The process uses the bacteria metabolism to produce biomethane from the hydrogen injection synthetized by electrolysis with other renewable energy. Nowadays, this inventive technology is in the pilot phase and the lab-scale reactors are carried out in many studies. The subject of this thesis is the study of the biological biogas upgrading through in-situ hydrogenotrophic methanogenesis, which consists of the conversion of endogenous carbon dioxide with the exogenous hydrogen to methane in the reactor of the anaerobic digestion; and the creation of the mathematical model to forecast the percentage of methane varying the feed parameters and operative parameters. The process is studied experimentally at the A. Rozzi laboratory of Politecnico di Milano in Cremona Campus and, the mathematical model is developed at the Department of Environment and Civil engineering of Politecnico di Milano in collaboration with the Department of Bioengineering, Information and Electronics. This activity is related to PerformWater2030 project (www.performwater2030.it) financed by Regione Lombardia. The aim of experimental study is to evaluate the feasibility of the upgrading process of biogas to biomethane such that the experimental methane percentage are compatible with the minimum requirements for natural gas grid; the target of the creation of the model is the optimization of the process such that to avoid inhibition and increase the methane percentage to the maximum possible value in a stable process. The experimental study enters in the focus of anaerobic digestion of sludge from the wastewater treatment plants with the application of this technology and the synthesis of hydrogen and oxygen by electrolysis of water. The laboratory experience consists in a continuous utilization of anaerobic digestion lab-scale plant with two identical reactors which operate in parallel. The feed is the mix of primary and secondary sludges from the wastewater treatment plant of Bresso (Comune di Milano). The phases are composed by a pre-upgrading phase where operate simple anaerobic digestion, while the second phase is characterized by the upgrading of biogas with the hydrogen injection. Nowadays, the methane content in the biogas is equal to 84 %, with a maximum value of 88.8%, while the carbon dioxide concentration is 2% in the both reactors.

La potenza elettrica generata dall’energie rinnovabili tenta di rispondere all’aumento della domanda di energia e queste tecnologie offrono, inoltre, la possibilità di sostituire parzialmente l’energia prodotta dalle fonti fossili riducendo, perciò, la produzione di CO2. Tuttavia, la produzione discontinua delle risorse rinnovabili e la loro massiva integrazione nella rete elettrica caratterizzano periodi di sovrapproduzione di energia elettrica, dove il surplus tra la domanda e l’offerta non può essere utilizzato; perciò, è importante poter convertire il surplus di energia in un vettore energetico che permetta di conservarlo per un successivo utilizzo. La tecnologia Power-to-Gas consiste nella produzione di idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua usando l’energia in eccesso prodotta dalla rete elettrica, per poi, successivamente, produrre metano dall’anidride carbonica e dall’idrogeno sintetizzato. In questo ambito, il processo di metanazione biologica attraverso la metanogenesi idrogenotrofa è un innovativo processo per l’upgrading del biogas rispetto alle tecnologie di upgrading già sviluppate. Il processo si basa sulla produzione di biometano dal metabolismo batterico attraverso l’iniezione di idrogeno generato dall’elettrolisi dell’acqua usando l’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. L’oggetto di studio di questa tesi consiste nell’upgrading biologico del biogas attraverso la metanogenesi idrogenotrofa in-situ e consiste nella conversione dell’anidride carbonica endogena con idrogeno esogeno al fine di produrre ulteriore metano in un reattore di digestione anaerobica. Oltre alla parte sperimentale, la tesi si è concentrata sulla creazione di un modello matematico che possa prevedere la percentuale di metano al variare dei parametri del feed immesso e dei parametri operativi. Lo studio sperimentale è stato svolto presso il laboratorio A. Rozzi del Politecnico di Milano nel Polo di Cremona e, invece, la creazione del modello matematico è stato sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA) e il Dipartimento di Bioingegneria, dell’Informazione e di Elettronica del Politecnico di Milano. Questa attività è collegata al progetto PerfomWater2030 (www.performwater2030.it ) finanziato dalla Regione Lombardia. Lo scopo della fase sperimentale è ottenere una valutazione della fattibilità del processo di upgrading del biogas al fine produrre biometano affinché la percentuale di metano (CH4) sia in linea con i requisiti minimi per l’immissione nella rete del gas naturale; l’obiettivo della creazione del modello è l’ottimizzazione del processo per evitare inibizioni e per aumentare la percentuale di metano al valore massimo possibile in un processo stabile. Lo studio svolto in laboratorio è incentrato sulla gestione di un impianto pilota in continuo del processo di digestione anaerobica con due reattori equivalenti in parallelo. Il feed è composto da una miscela di fanghi primari e secondari prelevata dal depuratore di Bresso (Comune di Milano). Le fasi sperimentali si suddividono in: una prima fase dove avviene la digestione anaerobica classica e una seconda fase dove viene effettuato l’upgrading del biogas con l’iniezione di idrogeno. Ad oggi, in questa sperimentazione, il contenuto di metano nel biogas prodotto dall’impianto pilota si attesta al 84%, con un valore massimo del 88.8%, mentre la concentrazione di anidride carbonica è pari al 2% in entrambi i reattori.