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Dec 12, 2023

Potenziamento del metano nel biogas mediante idrogenazione della CO2 in un reattore prototipo con funzionamento a doppio passaggio su Ni ottimizzato

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9342 (2023) Citare questo articolo

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La valorizzazione del metano nel biogas mediante idrogenazione della CO2 è stata attualmente riconosciuta come un percorso promettente per un utilizzo efficiente e completo del biogas rinnovabile con potenziali benefici per lo stoccaggio dell’energia rinnovabile dell’idrogeno e l’abbattimento delle emissioni di gas serra. In quanto costituente principale del biogas, la CO2 può fungere da spina dorsale per la formazione di ulteriore CH4 mediante idrogenazione, producendo quindi quantità maggiori di biometano. In questo lavoro, il processo di aggiornamento è stato studiato in un reattore prototipo con funzionamento a doppio passaggio con allineamento verticale utilizzando un catalizzatore Ni-Ce/Al-MCM-41 ottimizzato. I risultati sperimentali mostrano che l’operazione a doppio passaggio che rimuove il vapore acqueo durante il ciclo può aumentare significativamente la conversione di CO2, con conseguente maggiore resa di produzione di CH4. Di conseguenza, la purezza del biometano è aumentata del 15% rispetto a un’operazione a passaggio singolo. Inoltre, la ricerca delle condizioni ottimali del processo è stata effettuata all'interno di un intervallo di condizioni analizzate, tra cui portata (77–1108 ml min−1), pressione (1 atm–20 bar) e temperatura (200–500 °C). Il test di durabilità per 458 ore è stato eseguito utilizzando la condizione ottimale ottenuta e mostra che il catalizzatore ottimizzato può offrire un'eccellente stabilità con un'influenza trascurabile da parte del cambiamento osservato nelle proprietà del catalizzatore. È stata eseguita la caratterizzazione completa delle proprietà fisico-chimiche dei catalizzatori freschi ed esausti e i risultati sono stati discussi.

Attualmente, le risorse energetiche rinnovabili come l’energia solare, eolica, geotermica, idroelettrica, biomassa solida, biocarburanti liquidi e biogas sono state ampiamente riconosciute come potenziali candidati per sostituire le risorse energetiche di origine fossile. Tra questi candidati, il biogas è recentemente considerato un’energia rinnovabile emergente che può essere in gran parte prodotta mediante un processo convenzionale di digestione anaerobica di materiali organici come residui agricoli, letame animale, fanghi delle acque reflue e frazione organica dei rifiuti solidi urbani (RSU), compresi quelli industriali. rifiuti. La produzione globale di biogas in Europa, Cina e USA rappresenta il 90%, mentre circa la metà della rimanente proviene dall’Asia, come Tailandia e India1. In Tailandia, il biogas viene prodotto da fabbriche di amido, industrie di biocarburanti e allevamenti di bestiame1. Nel periodo 2019-2023, l’India ha pianificato l’avvio di 5.000 nuovi impianti di gas biometano compresso (CBG)1. Sebbene l’attuale consumo di biogas sia una piccola parte, secondo l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA)1 esiste un elevato potenziale di trasformazione del sistema energetico complessivo. Inoltre, la World Biogas Association (2019) ha riferito che l’utilizzo del biogas potrebbe ridurre circa il 10–13% delle attuali emissioni di gas serra (GHG) a livello mondiale2. Nel 2018, quasi il 60% del biogas è stato utilizzato per la produzione di elettricità e la fornitura di calore. Tuttavia, la trasformazione del metano presente nel biogas in biometano potrebbe rappresentare un importante percorso tecnologico per la crescita globale1. Il biogas contiene principalmente il 50–70% v/v di metano (CH4), il 30–50% v/v di anidride carbonica (CO2) e impurità come azoto (N2), ossigeno (O2), idrogeno solforato (H2S), e umidità3. Esistono diverse tecnologie esistenti per l’aggiornamento per produrre biometano mediante la separazione della CO2, come il lavaggio dell’acqua, l’adsorbimento con oscillazione di pressione e il trattamento chimico3. Con questi metodi tradizionali la CO2 viene scartata e alle reti del gas viene immesso solo biometano4. In generale, i processi di separazione sono costosi poiché richiedono alta pressione o sostanze chimiche aggiuntive3. Recentemente, è stato riconosciuto che l’idrogenazione della CO2 nel biogas per produrre biometano sarebbe un modo promettente per il pieno utilizzo del biogas con benefici per lo stoccaggio di energia rinnovabile e l’abbattimento delle emissioni di CO2. Diversi impianti commerciali che producono biometano in sostituzione del gas naturale sono attualmente situati in Danimarca, Svezia, Germania e Paesi Bassi4.