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close upPRIMO PIANOCONVERSIONE DI ANIDRIDE CARBONICA IN METANO ED UTILIZZAZIONE DI FONTI ENERGETICHE RINNOVABILIProdurremetanocon energiarinnovabileIl processo descritto utilizza energia elettrica derivante principalmenteda fonti rinnovabili per produrre, tramite idrolisi, l’idrogeno necessarioalla conversione della CO 2in CH 4. Il metano così prodotto può essereimmesso nella rete oppure accumulato per un successivo utilizzoin cellea combustibile per la produzione di energia elettricadi Andrea Capriccioli, Silvano Tosti - ENEA, Dipartimento FPN, C.R. ENEA Frascati

CLOSEupEnergia elettrica derivante principalmente da fonti energetiche rinnovabili viene utilizzataper produrre tramite idrolisi idrogeno necessario alla conversione della CO 2in CH 4.Il metano così prodotto può essere immesso nella rete oppure accumulato per un successivoutilizzo in celle a combustibile per la produzione di energia elettrica.L’energia elettrica necessaria all’idrolisi deriva da un impianto eolico o fotovoltaicomentre la CO 2proviene da impianti di combustione di fonti fossili. Il bilancio di CO 2risulta nullo: infatti, viene reimmessa nell'ambiente la stessa quantità di CO 2utilizzataper la produzione di metano con un ciclo CO 2-neutrale.In pratica, il processo proposto si comporta come un volano energetico: quando lecondizioni ambientali sono favorevoli alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili,energia viene accumulata sotto forma di metano, mentre energia elettrica‘differita’ viene ceduta quando richiesto dalla rete.Cenni di baseL'utilizzo di fonti fossili ha portato ad unnotevole incremento della concentrazione dianidride carbonica in atmosfera: il problemadel trasporto e segregazione della CO 2èpertanto diventato di grande attualità. Sonostati recentemente condotti studi che prevedonol'utilizzo della CO 2atmosferica e diidrogeno per la produzione di combustibili.Ad esempio, presso i laboratori di LosAlamos è stato sviluppato un processo nelquale la CO 2catturata direttamente dall'atmosferamediante assorbimento in carbonatodi potassio è impiegata per produrremetanolo e benzina [1]. Un'altra applicazionestudiata in Italia riguarda un processo peril trattamento dei fumi di una centrale termoelettrica[2]: dopo il trattamento e recuperodi vari inquinanti (NOx, SOx, mercurio,polveri, ecc.), la CO 2viene fatta reagire conidrogeno per la produzione di metanolo.Mentre va considerato che l'impiego di idrogenoprodotto da elettrolisi è abbastanzadispendioso dal punto di vista energetico,d'altra parte, l'utilizzo sempre crescente difonti rinnovabili per produrre energia elettricada immettere direttamente nella rete stacreando problemi di gestione della stessa.Infatti, facendo riferimento a scenari prevedibilia breve-medio termine per il nostroPaese o a quanto già in atto in altri Paesi (adesempio in Germania), quando la potenzadell'energia elettrica proveniente da fonti rin-ANDREA CAPRICCIOLI (nella foto, a sinistra)1979: Laurea in Ingegneria Meccanica.1981: Specializzazione in Bio-Ingegneria.Dopo aver lavorato presso Ericsson eTecnobiomedica, è ricercatore presso l'ENEACasaccia dal 1983 e presso il Centro ENEA diFrascati dal 1997.SILVANO TOSTI1983: Laurea in Ingegneria Chimica.Dal 1985 lavora in ENEA come ricercatore: finoal 1993 presso il Centro della Casaccia e quindipresso il Centro di Frascati.Entrambi gli autori attualmente lavorano pressola Sezione Tecnologie del DipartimentoFusione, Tecnologie e Presidio Nuclearidell'ENEA di Frascati: tra gli attuali interessi diricerca vi sono le tecnologie ed i processi per laseparazione e produzione di idrogeno.n. 8 - Ottobre ‘08 43

OSE uptrica mediante celle a combustibile adossidi solidi o carbonati fusi.Il processo è mostrato più in dettaglio inFig. 2, dove a titolo di esempio è utilizzatauna cella a combustibile a carbonati fusied un reattore di metanazione di tipo tradizionalecon separazione e ricircolo dell'idrogenonon reagito.In particolare, le celle a combustibile a carbonatifusi mostrano rendimenti reali superiorial 48% (arrivando al 60% nella soluzioneibrida) e si avvantaggiano di un maturosviluppo tecnologico e conseguente largadiffusione. Esse operano a circa 650°C e apressione atmosferica (in alternativa da 3 a5 bar) con potenze adatte alle potenzialiapplicazioni di questo processo (~ 100 kW).Tali celle a combustibile sono da preferire aquelle ad ossidi solidi che operano a più altetemperature (~ 800°C) e sono caratterizzateda tagli di potenza inferiori (3÷5 kW).Nel caso l'idrogeno non venga riciclato alreattore di metanazione, una miscela diidrometano e CO 2è direttamente immessain rete o avviata alla cella a combustibile,vedi Fig. 3.Infine, nelle stesse condizioni di temperaturae pressione del caso generale l'utilizzodi un reattore a membrana per la reazionedi metanazione permette il raggiungimentodi conversioni di reazione di circail 100%.In questo caso il processo risulta semplificato:infatti, vengono eliminate le fasi diseparazione e ricircolo dell'idrogeno.Produzione di metano:analisi dei costiUna preliminare valutazione dei costi delmetano prodotto è stata condotta considerandolo schema generale di Fig. 2 edipotizzando la produzione di metano allapressione di 10 atm e l'utilizzo di CO 2al20% molare all'ingresso del reattore dimetanazione. In questa analisi il costo dell'energiaelettrica è stato considerato nell'intervallo5-15 c€/kWh; inoltre, è stataFig. 1. Schema concettuale del sistema PrometeoFig. 2. Schema generale del processoFig. 3. Schema generale del processo: assenza di ricircolo di idrogeno.Costo energia elettrica, c€/kWh 2,4 5 15Costo metano prodotto, c€/kWh 3,98 8,29 24,88Costo metano prodotto 1 , c€/kWh 3,87 8,18 24,77Costo metano prodotto 2 , c€/kWh 3,30 7,61 24,20Tabella I, costo del metano prodotto al variare del costo dell'energia elettrica utilizzata per l'elettrolisi (caso 1: vengonoconsiderati i costi evitati per il trasporto e la segregazione della CO 2, caso 2: vengono considerati sia i costi evitati per iltrasporto e la segregazione della CO 2sia l'utile proveniente dalla vendita dell'ossigeno prodotto dalla elettrolisi).n. 8 - Ottobre ‘08 45

close upPRIMO PIANOCONVERSIONE DI ANIDRIDE CARBONICA IN METANO ED UTILIZZAZIONE DI FONTI ENERGETICHE RINNOVABILIIl Centro Ricerche ENEA di Frascatiè uno dei maggiori centri di ricerca alivello nazionale ed internazionalededicato alle attività di ricerca e svilupposu: fusione nucleare, in particolare:fisica e tecnologie dellafusione a confinamento magnetico einerziale; tecnologie specifiche derivantidalle ricerche sulla fusionequali la superconduttività, l’interazioneneutroni-materia, i materiali, lamanutenzione automatizzata; tecnologiefisiche avanzate relative a: sorgentilaser (a gas, a stato solido, aelettroni liberi) e applicazioni lasernel campo della diagnostica(ambientale, industriale e medicale),dei nano e micro sistemi, dellametrologia e della visione laser;acceleratori di elettroni e protoni perapplicazioni scientifiche, medicali eindustriali; protezione dell’ambientee pianificazione territoriale.valutata l'influenza sul costo del metanoprodotto della eventuale rimozione dellaCO 2e della vendita dell'ossigeno prodottodalla elettrolisi. In particolare, il costo evitatorelativo al trasporto ed alla segregazionedella CO 2è stato stimato in 6 € per tonnellatain accordo ad un recente studio [7],mentre si è ipotizzato di vendere l'ossigenoa 1 c€/kg. I risultati sono riportati in TabellaI: il costo del metano prodotto risulta praticamenteproporzionale al costo della energiaelettrica utilizzata dal processo, mentre icosti evitati per il trasporto e la segregazionedella CO 2e l'utile per la vendita dell'ossigenosono stimati in circa 0,11 e 0,57 c€/kWh.Per quanto concerne il costo dell'energiaelettrica, possiamo considerare come massimoil valore di circa 15 c€/kWh (prezzo comprensivodi imposte fissato in Italiadall’Authority per l’energia elettrica nel quartotrimestre del 2006): nell'ipotesi di utilizzo dienergia elettrica prodotta da fonti rinnovabili,il costo può essere significativamente ridottoper effetto dei cosiddetti "certificati verdi" oancor più nel caso di energia elettrica prodottain surplus rispetto alla capacità di utilizzodella rete. Considerando che il costoattuale del metano è di circa 3,6 c€/kWh[8], da questa analisi risulta che il metanopuò essere prodotto a costi di mercato disponendodi energia elettrica al costo dicirca 2,4 c€/kWh.ConclusioniIl processo proposto si inquadra nell’ambitodi un più consistente e diffuso uso di qualsiasiforma di energia rinnovabile. L’utilizzazionedella CO 2prodotta dagli impianti termoelettricied il suo “l’immagazzinamento” in unaforma di energia chimica come il metanorende il sistema proposto attuale e vantaggioso.Infatti, questo processo posizionato nellevicinanze di una centrale termoelettrica convenzionalepermette la conversione della CO 2in CH 4con una riduzione dell'impattoambientale ed incremento della accettabilitàsociale. Sostanzialmente, la capacità diaccumulare e gestire l'energia elettrica derivanteda qualsiasi fonte è la caratteristicafondamentale del processo stesso. Più inparticolare, la fonte di energia elettrica dautilizzare per questo processo può esseresia di “tipo rinnovabile” sia derivante daimpianti di base come nucleari ed a carbone,i.e. energia elettrica di basso costo disponibilenei periodi di bassa richiesta.Una analisi preliminare dei costi ha evidenziatoche il costo attuale di mercato del metano(circa 3,6 c€/kWh) viene raggiunto quandol'elettricità è pagata 2,5 c€/kWh. L'ipotesi dibasso costo dell'energia elettrica diventa realisticanel caso di utilizzo di energia elettricada fonti rinnovabili (per effetto dei "certificativerdi") o quando viene utilizzata energia elettricanei momenti di bassa richiesta.Bibliografia[1] F.J. Martin and W.L. Kubic, Green Freedom - A concept for producing carbon-neutral synthetic fuels and chemicals, Los Alamos ReportLa-UR-07-7897, Nov. 2007[2] T. Nardo, A.M. Nardo, A. Basile, F. Gallucci, Impianto modulare per l'abbattimento degli inquinanti contenuti nei fumi industriali e costituenteil sistema AST-CNR/ITM ad emissione zero per il trattamento dei fumi, Dom. brevetto n. RM2007A000446[3] Wind Report 2005, E.ON Netz GmbH, Germany, http://www.eon-netz.com/[4] A. Capriccioli, S. Tosti, "Processo per l'utilizzazione di fonti energetiche rinnovabili mediante conversione di anidride carbonica in metano",Dom. brevetto n. RM2007A000433[5] http://idrogen2.com/[6] Haruhiko Ohya et al., Methanation of carbon dioxide by using membrane reactor integrated with water vapor permselective membraneand its analysis, J. of Membrane Science 131 (1997) 237-247[7] Castor Project, Scenario for large-scale implementation of CCS in Europe, CASTOR SP 1: Strategy for CO2 reduction, Workshop 22January 2008, Lyon, www.encapco2.org/CECD/castor_wildenborg.pdf[8] Gas prices in the EU25 in January 2006, Eurostat News Release, 90/2006 - 6 July 200646 n. 8 - Ottobre ‘08