Techno-economic assessment of fully renewable biomethane production plants

In the last few years, the production of biomethane, starting from biogas through a CO2 separation process, is gaining interest, also because of the renewable policies aimed at the promoting the transition from fossil to bio-fuels, such as biomethane which, for its valuable characteristics, can entirely replace natural gas in all its range of traditional applications. Nonetheless, the technologies today available for biogas upgrading into biomethane, necessary to obtain a good product quality, are still expensive and energy-intensive and improvements are needed to make the biomethane production sustainable even in absence of incentives and competitive with the natural gas market. This thesis work is in the framework of the research project "Social Energy", co-funded by Regione Lombardia, aimed at promoting the sustainable production of biomethane starting from a biogas obtained by the anaerobic digestion of poultry manure and other bio-residues. Three plant configurations, fully renewables and auto-sufficient from the energetic standpoint, have been analyzed: biomethane production for the grid injection, the compression followed by the utilization in the transport sector and the liquefaction. A specific model has been developed and tested in the Aspen Plus simulation environment to assess the performances related to the pressurized water scrubbing upgrading process. The co-removal with CO2 of the hydrogen sulphide (H2S) present in the raw biogas has been investigated as well. The second part of this work is dedicated to the detailed modeling and optimization of an innovative open Claude cycle configuration for biomethane liquefaction. Both the energetic and economic performances are assessed and compared to those of the conventional Claude layout, applied for LNG production. Finally, an assessment on the whole plant has been carried out to established which, between the proposed configurations, performs better in terms of energy consumption and biomethane production cost.

Negli ultimi anni l'interesse verso la produzione di biometano, a partire dal biogas attraverso un processo di separazione della CO2, è cresciuto, grazie anche alle politiche ambientali in atto per promuovere la transizione dai combustibili fossili ai bio-carburanti, tra cui il biometano che è direttamente iniettabile nella rete gas e consente di decarbonizzare anche il settore dei trasporti. Tuttavia, i processi oggi disponibili per la rimozione della CO2, necessari per ottenere un biometano di buona qualità, risultano costosi e dispendiosi sia da un punto di vista energetico che economico, perciò miglioramenti sono necessari se si vuole rendere la produzione sostenibile anche senza incentivi e competitiva con il mercato del gas naturale. Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del progetto Social Energy (co-finanziato da Regione Lombardia) per lo studio di un impianto finalizzato alla produzione di biometano partendo da biogas ottenuto dalla fermentazione anaerobica di pollina e biomasse residue. Tre configurazioni d'impianto, tutte completamente rinnovabili ed energeticamente autosufficienti, sono state analizzate: la produzione di biometano per l'immissione in rete, la compressione per l'uso nel settore dei trasporti e la liquefazione. Un apposito modello è stato sviluppato nell'ambiente di simulazione Aspen Plus per quantificare le prestazioni relative al processo di separazione della CO2 tramite la tecnica del "pressurized water scrubbing", dove è stata valutata anche la possibilità della co-rimozione dell'idrogeno solforato (H2S) presente nel biogas grezzo. La seconda parte del lavoro si concentra sulla modellazione e l'ottimizzazione energetica di una configurazione innovativa del ciclo Claude aperto per la liquefazione del biometano. Le sue prestazioni sono state analizzate sia dal punto di vista energetico che economico. Infine, è stata condotta una valutazione complessiva dell'intero impianto che permette di capire quale delle tre configurazioni risulta essere la più performante sotto il profilo energetico ed in termini di costo unitario di produzione del biometano.