Fotovoltaico per la biometanazione

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Un gruppo di scienziati dell’Università danese di Aarhus ha dimostrato la possibilità di produrre biometano attraverso il fotovoltaico. Hanno pensato a come implementare il processo di biometanazione in operazioni guidate dal fotovoltaico, dove l’attività viene interrotta a causa della mancanza di radiazioni solari.

La biometanazione è la trasformazione di materiali organici in biogas, composto principalmente da metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). In questo processo, l’idrogeno gassoso (H2) svolge un ruolo importante come substrato per le reazioni microbiche e come parte del prodotto finale.

“Come alternativa all’accumulo di energia nelle batterie, è stato proposto l’utilizzo dell’energia solare fotovoltaica per produrre H2 attraverso il processo di elettrolisi dell’acqua”, hanno spiegato gli scienziati. L’H2 può essere utilizzato come elemento costitutivo per produrre altri carburanti e prodotti chimici, come il biometano”. Il biometano, con concentrazioni tipiche superiori al 98% di CH4, è adatto all’iniezione nelle reti di gas naturale”.

Per dimostrare la fattibilità della produzione di biometano in termini di fotovoltaico discontinuo, gli studiosi hanno innanzitutto raccolto dati solari dal California Flats Solar Park, un impianto fotovoltaico da 280 MW situato nella contea di Monterrey, in California.

Con una fornitura di energia stabile per nove ore, il California Flats Solar Park funziona con una salita e discesa di rispettivamente 1,5 ore, trascorrendo le restanti 12 ore in modalità standby. Il gruppo di ricerca ha esplorato l’uso di un reattore a letto di gocciolamento (TBR), un sistema catalitico che trasforma il materiale organico in biometano convertendo lo zolfo, l’azoto e i composti aromatici presenti nei combustibili idrocarburici.

Hanno inoltre considerato un periodo di funzionamento continuo di 20 giorni come linea di base e lo hanno confrontato con 29 giorni di funzionamento discontinuo basato sul profilo di produzione del suddetto impianto. Gli scienziati hanno definito che la frazione desiderata di H2 nel biometano è inferiore al 2%, in quanto si adatta all’iniezione nella rete del gas naturale.

“All’inizio della modalità di funzionamento discontinua guidata dal fotovoltaico, è risultato evidente che la TBR non raggiungeva la stessa efficienza di conversione della biometanazione rispetto alla precedente modalità di funzionamento continua”, hanno spiegato gli studiosi. “Tuttavia, dopo sei giorni di funzionamento discontinuo, il reattore ha recuperato le sue prestazioni di base il settimo giorno”.

Diagramma di flusso dell’energia

Immagine: Aarhus University, Energy Conversion and Management, Creative Commons License CC BY 4.0

Secondo gli accademici, nei primi quattro giorni di funzionamento discontinuo, le concentrazioni di H2 variavano dal 10% al 40% nel gas prodotto dal biometano. Tuttavia, al sesto giorno, il contenuto di H2 nel biometano era inferiore al 2%, come desiderato. Inoltre, nei giorni dal 7 al 12, questa qualità è stata raggiunta entro 16 minuti dall’avvio; nei giorni dal 13 al 21, è stata raggiunta istantaneamente; e negli ultimi giorni, è stata completata entro 20 minuti dall’inizio del funzionamento.

“Durante i periodi di standby di 12 ore, gli acidi accumulati durante il periodo di funzionamento si sono degradati per il 58,44% in biogas”, hanno spiegato gli scienziati. “Pertanto, i periodi di standby potrebbero essere sfruttati sinergicamente come tecnica di pulizia in loco per rimuovere gli acidi e la biomassa accumulati”.

Per dimostrare che il processo discontinuo è fattibile, gli scienziati propongono una valutazione tecnico-economica. Hanno calcolato che l’impianto di biometanazione azionato dal fotovoltaico utilizza in media 28 MWh di energia solare fotovoltaica al giorno. Il carico di elettricità per il processo è stato calcolato in 2.675,59 kW, di cui 2.423,07 kW (ovvero il 90,56%) sono utilizzati per la produzione di H2 tramite elettrolisi.

“Se un impianto di biometanazione TBR pre-commerciale viene installato in un impianto di biogas esistente, il costo livellato di produzione del biometano (LCOP) in uno scenario 2030 è di 147,84 dollari, con l’elettrolisi come fattore di costo più significativo”, hanno concluso. “Sebbene questo LCOP sia più alto rispetto all’upgrading convenzionale del biogas, la biometanazione offre la possibilità di catturare e utilizzare la CO2”.

Hanno presentato la nuova configurazione del sistema in “Sunshine-to-fuel: Demonstration of coupled photovoltaic-driven biomethanation operation, process, and techno-economical evaluation“, recentemente pubblicato su Energy Conversion and Management.

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