Development of the proof-of-concept for the production of methane through the technology of bioelectrochemical power-to-gas

Electromethanogenesis is a new Power-to-Gas technology (P2G) in which carbon dioxide and electricity are directly converted into methane. In a Bioelectrochemical Power-toGas (BEP2G) electrochemical bioreactor, polarized electrodes interact with methanogenic microorganisms of the Archea domain. There are still many issues to make BEP2G a viable and profitable technology, however, proofs of concept are in progress all over the world. The gain of produced gases, the energy spent in the process and the selected microorganisms are crucial parameters to validate this technology. The mechanism for the production of methane in BEP2G comes from the Anaerobic Digestion (AD) used at the industrial level for the production of biogas, so it is interesting to compare the performances of those two technologies. While one produces methane using an inorganic source of carbon such as CO2, the other uses organic matter as raw material. Another aspect that differs between the technologies is the composition of the produced gasses. The biogas contains CO2 varying from 25%-50%, whereas BEP2G can produce methane with very high selectivity and pureness. The electron pathway for the reduction of CO2, microorganism selection, and the optimal conditions for the process still need to be studied more deeply to achieve high methane yield, approaching the advantages theoretically estimated for the BEP2G technology. Even though today only laboratory experiments and pilot prototypes are under experimentation, it is estimated that by 2050, BEP2G will become a profitable processes. Preliminary proofs of concept, conducted at Politecnico di Milano in collaboration with RSE SpA are shown and discussed in this thesis.

L’elettrometanogenesi è una nuova tecnologia Power-to-Gas (BEP2G) in cui l’anidride carbonica e l’elettricità sono convertite direttamente in metano. In un bioreattore elettrochimico BEP2G, i microrganismi metanogeni del dominio Archea possono interagire direttamente, o tramite vettori, con gli elettrodi opportunamente polarizzati, per produrre metano. I problemi di carattere tecnologico da risolvere per rendere BEP2G una tecnologia redditizia sono ancora significativi. Il miglioramento del rendimento di conversione da energia elettrica in gas, il tipo di microrganismi da selezionare e l’energia necessaria al processo sono tra i parametri cruciali ancora da ottimizzare per suscitare un interesse industriale nei confronti di questa tecnologia. Il meccanismo per la produzione di metano in BEP2G deriva dalla Digestione Anaerobica (AD) già utilizzata a livello industriale per la produzione di biogas, quindi è interessante confrontare le prestazioni di queste due tecnologie. Mentre la prima produce metano utilizzando una fonte inorganica di carbonio CO2, la seconda utilizza rifiuti e reflui organici come materia prima. Un altro aspetto che differenzia le due tecnologie è la composizione dei gas prodotti. Il biogas contiene CO2 dal 25% al 50%, mentre il BEP2G può produrre metano con selettività e purezza molto elevate e può effettuare l’up-grading del biogas prodotto tradizionalmente. I differenti possibili meccanismi di riduzione della CO2, la selezione dei microrganismi e lo studio delle condizioni ottimali per il processo sono aspetti che necessitano di essere approfonditi per avvicinarsi alle rese teoriche stimate. Anche se attualmente sono in fase di sperimentazione solo esperienze di laboratorio e prototipi pilota, si stima che entro il 2050 saranno disponibili processi redditizi della tecnologia BEP2G. Alcune prove di fattibilità del processo a livello di laboratorio, iniziate presso il Politecnico di Milano in collaborazione con RSE SpA, sono illustrate e commentate in questa tesi.