Conversion of a biogas-ICE plant into a flexible and multi-product power-to-gas system : design and techno-economic assessment

The present thesis work presents a new concept of a Power-to-Gas (P2G) plant intended to be a flexible and multi-product system, generating both biomethane and electricity using biogas as primary source. The primary interest of this study is the proposal of an alternative solution for the conversion of biogas-ICE plants, in the Italian energy scenario where biomethane production is currently incentivized. A second core objective is to explore the capabilities of an advanced P2G system that is able to modulate the power exchanged with the electric grid (injected or withdrawn), thus meeting the growing need of grid balance services and exploiting the electric market prices volatility. Considering the Italian regulation on biomethane quality standards, the methanation system is designed using Aspen Plus software. This allows to study its behavior in detail and to propose different solutions for thermal integration between the methanation system and other components such as amine upgrading, biogas digesters and Solid Oxide electrolyzer (SOEC). With the purpose of conciliating high electrolysis efficiency with flexibility, a hybrid solution is conceived, consisting of a SOEC and a PEM module working in parallel, managing the base load and the peak load, respectively. Nominal performances analysis shows that the thermal need of amine upgrading competes with that of the hybrid electrolysis system, preventing a full electrolysis efficiency improvement. Part load assessment highlights the flexibility limitations due to the lack of a gas storage system and to thermal integration issues between methanator and other components, in particular the amine upgrading. According to the flexibility constraints, the ranges of exchangeable electric power with the grid are found for each configuration. Finally, an economic assessment evaluates plant profitability in the day-ahead electricity market and compares it to simpler biogas-based plants for which biogas production costs must be very low to ensure any operation beyond incentivized periods. The main limitation to the spread of grid connected P2G plants are the high technology cost and the current electricity markets still characterized by relatively high and stable prices despite the increasing renewables share in the production scenario. On the other side, slightly higher incentives are found to be sufficient to breakeven currently estimated costs and the flexibility feature is confirmed to be very promising in the perspective of increased volatility of the market.

Il presente lavoro di tesi sviluppa un nuovo concetto di impianto Power-to-Gas progettato per essere un sistema flessibile e multiprodotto in grado di generare sia biometano che elettricità usando biogas come fonte primaria. Il primo obiettivo dello studio è la proposta di una soluzione alternativa per la conversione di impianti biogas convenzionali con cogeneratore nello scenario energetico italiano, in cui la produzione di biometano viene incentivata. Il secondo obiettivo è analizzare le potenzialità di un sistema P2G modificato in grado di modificare la potenza scambiata con la rete elettrica (in immissione o in consumo) in modo da soddisfare la crescente necessità di servizi di bilanciamento e allo stesso tempo sfruttare la volatilità dei prezzi del mercato elettrico. Considerando gli standard di immissione del biometano, il sistema di metanazione viene progettato utilizzando il software di simulazione Aspen Plus. Ciò consente di studiare il rilascio di calore dalla reazione di Sabatier e di proporre diverse soluzioni di accoppiamento termico tra il metanatore e altri componenti quali l’upgrade amminico, i biodigestori e l’elettrolizzatore a ossidi solidi. Al fine di conciliare un’elevata efficienza di elettrolisi con la flessibilità di carico, viene proposto uno schema di elettrolizzatore "ibrido", costituito da un modulo SOEC e un modulo PEM che lavorano in parallelo. Il primo gestisce il carico di base, il secondo i picchi. Viene mostrato che la richiesta termica dell’upgrade amminico interferisce con quella dell’elettrolizzatore ibrido, impedendo un completo miglioramento dell’efficienza rispetto al caso con solo il PEM. L’analisi a carico parziale evidenzia i limiti alla flessibilità d’impianto dovuti sia alla mancanza di sistemi di stoccaggio dei gas che a possibili condizioni in cui la disponibilità termica da parte della reazione è insufficiente rispetto alle richieste degli altri componenti. Rispettando i vincoli di flessibilità, per ogni configurazione vengono trovate le bande di potenza che l’impianto è in grado di scambiare con la rete. Infine, un’analisi economica stima la redditività dell’impianto nel mercato dell’energia elettrica e lo confronta con soluzioni di impianto più semplici. Si evince che i pricipali limiti alla diffusione degli impianti P2G connessi alla rete sono il costo della tecnologia e i prezzi di mercato dell’elettricità, ancora troppo alti e stabili nonostante l’incremento delle rinnovabili nello scenario produttivo. Viene infine osservato come incentivi leggermente più elevati sul biometano possano far rientrare i costi di investimento e che la capacità di operare flessibilmente si rivela promettente nella prospettiva di una maggiore volatilità del mercato elettrico.