Numerical modelling of membrane system and IC engine for a biogas upgrading plant

Biogas upgrading to biomethane via membrane separation is a key technology on the path towards energy transition. In this work, the focus is on the modelling and the simulation of a membrane system and a biogas-fuelled IC engine to employed in a biogas upgrading plant. Their integration is shown to be a viable solution to make the plant self-sufficient from an energetic point of view, which is a novelty with regards to biogas upgrading facilities. In the first section, membrane separation technology is discussed, and a state-of-the-art layout comprising three-stages with recycle streams is simulated in MATLAB®. Subsequently, the operation of a turbocharged 12.9L spark ignition engine is successfully reproduced and optimized via Gasdyn® 1D software after a suitable correlation for the laminar flame speed of biogas is implemented in the predictive combustion model. At full load, a brake efficiency of 32.2% is obtained for a rated power of 181.2 kW, which is in line with that of small size engines powered by this fuel. Performances of membrane system and IC engine are then used to simulate an upgrading plant in Aspen Plus®. Biogas availability considered in this work is 500 kg/h (391 Nm3/h) with a molar composition of 55% CH4 and 45% CO2, which is representative of the agricultural context of northern Italy. At design point, the 24% of it is fed to engine while the remaining is upgraded, producing 167 Nm3/h of biomethane at 25 bar with 99.64% methane recovery and 97.64%v purity, which is enough for injection into the regional gas distribution grid. Finally, an economic analysis is performed to assess the profitability of the project, showing an NPV of 1’755 k€ and a pay-back period of 1.77 years according to the current incentive program available in Italy.

L’upgrading del biogas a biometano tramite separazione con membrane è una tecnologia chiave nel percorso verso la transizione energetica. In questo lavoro, il tema centrale è la modellizzazione e la simulazione di un sistema a membrane e di un motore a biogas da inserire all’interno di un impianto di upgrading. La loro integrazione si dimostra essere una soluzione praticabile per rendere l’impianto autosufficiente dal punto di vista energetico, il che rappresenta una novità per questo tipo di sistemi. Nella prima parte, viene trattato il processo di separazione con membrane, ed uno schema allo stato dell’arte comprendente tre stadi con flussi di ricircolo è simulato tramite MATLAB®. Successivamente, il funzionamento di un motore 12.9L turbocompresso ad accensione comandata è riprodotto ed ottimizzato con successo tramite il software di simulazione 1D Gasdyn®. Ciò a seguito dell’implementazione nel modello di combustione predittivo di un’adeguata correlazione per la velocità laminare di fiamma del biogas. A pieno carico, si raggiunge un’efficienza totale del 32.2% in corrispondenza di una potenza nominale di 181.2 kW, la quale è in linea con quella dei motori di piccola taglia alimentati da questo combustibile. I risultati del sistema a membrane e del motore sono in seguito impiegati per simulare un impianto di upgrading tramite Aspen Plus®. La disponibilità di biogas considerata in questo lavoro è di 500 kg/h (391 Nm3/h) con una composizione molare del 55% CH4 e 45% CO2, la quale è rappresentativa del contesto agricolo del nord Italia. Nel punto di progetto, il 24% di esso viene alimentato al motore mentre la parte restante viene raffinata, producendo 167 Nm3/h di biometano a 25 bar con un recupero di metano del 99.64% e una purezza del 97.64%v, la quale è sufficiente per iniettarlo nella rete di distribuzione regionale del gas. Da ultimo, un’analisi economica è condotta per valutare la redditività del progetto, mostrando un VAN di 1'755 k€ ed un periodo di pay-back di 1.77 anni adottando il programma di incentivi attualmente disponibile in Italia.