Process modeling for the production of grid-compatible SNG through CO2 methanation

Reducing anthropogenic CO2 emissions into the atmosphere is one of the main objectives of recent decades because of their impact on global warming. In addition, a constant growth in energy demand and use determines a search for alternative solutions to fossil fuels. In this scenario, the possibility of using CO2 as a waste product to be recycled is gaining a lot of interest. In particular, the most promising route is the Sabatier reaction, which combines CO2 and H2 to produce methane. It is placed into the context of Power to Gas, so methane production takes place by exploiting the excess energy produced by renewable sources. The aim of this thesis is to assess whether biogas methanation can produce methane with characteristics that allow it to be fed into the grid. In particular, the research aims to identify the most suitable process configuration to minimise the concentrations of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide in the gas. The analysis is also extended to the methanation of a pure CO2 stream and to one of CO2 diluted with inert (N2), in order to evaluate the main differences with respect to biogas methanation. For this purpose, both a thermodynamic and a kinetic analysis were carried out, based on the use of two different kinetic models on a nickel-based catalyst: the first derived from literature based on the LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson) model and the second obtained in the laboratories of the Politecnico di Milano using experimental datasets. The results show that while direct methanation of pure CO2 requires the use of a double-bed configuration, biogas methanation is also possible using a single pressurised bed. The choice of which configuration to use therefore depends on the specific requirements: the single-bed configuration has a lower plant complexity but results in higher operating costs due to compression; the double-bed configuration, on the other hand, can operate at atmospheric pressure but results in a higher plant complexity since an intermediate water condenser is also required between the two reactors.

L’abbattimento delle emissioni antropiche di CO2 in atmosfera è uno dei principali obiettivi degli ultimi decenni a causa del loro impatto sul riscaldamento globale. Inoltre, una costante crescita della domanda e dell’utilizzo di energia determina una ricerca di soluzioni alterative ai combustibili fossili. In questo scenario, sta acquistando molto interesse la possibilità di utilizzare la CO2 come prodotto di scarto da riciclare. In particolare, la strada più promettente è rappresentata dalla reazione di Sabatier, che consente di combinare CO2 e H2 per produrre metano. Essa si inserisce nel contesto del Power to Gas, così la produzione di metano avviene sfruttando l’eccesso di energia prodotta dalle fonti rinnovabili. Nel quadro appena delineato si inserisce questo lavoro di tesi che ha lo scopo di valutare se la metanazione del biogas possa produrre metano con caratteristiche tali da poter essere immesso in rete. In particolare, la ricerca è volta a identificare la configurazione di processo più adatta a minimizzare le concentrazioni di idrogeno, anidride carbonica e monossido di carbonio presenti nel gas. L’analisi viene estesa anche alla metanazione di una corrente di CO2 pura e a una di CO2 diluita con inerte (N2), per valutarne le principali differenze rispetto alla metanazione del biogas. A tale scopo sono state condotte sia un’analisi termodinamica che una analisi cinetica, incentrata sull’utilizzo di due differenti modelli cinetici su catalizzatore a base di Nichel: il primo derivato da letteratura basato sul modello LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson) e il secondo ricavato nei laboratori del Politecnico di Milano con dataset sperimentali. I risultati mostrano che, mentre per la metanazione diretta della CO2 pura si rende necessario l’utilizzo di una configurazione a doppio letto, quella del biogas è possibile anche attraverso l’utilizzo di un singolo letto in pressione. La scelta della configurazione da utilizzare, dunque, dipende dalle specifiche esigenze: la configurazione a letto singolo vanta una minore complessità impiantistica ma determina un aumento dei costi di gestione dovuti alla compressione; la configurazione a doppio letto, invece, può procedere a pressione atmosferica ma determina una maggiore complessità dell’impianto dato che si rende necessario anche il condensatore d’acqua intermedio ai due reattori.