E-CO2

Produzione ed utilizzo nei cicli industriali di combustibili sintetici da CO2 ed energia elettrica rinnovabile

Production and use in industrial cycles of synthetic fuels from CO2 and renewable electricity

Sommario / Summary

La riduzione delle emissioni di gas serra rappresenta l’obiettivo prioritario delle politiche energetiche internazionali. Al fine di mitigare le conseguenze legate ad un eccessivo innalzamento della temperatura, gli accordi di Parigi hanno imposto una drastica riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera, fissando obiettivi vincolanti nazionali e sottolineando inoltre la necessità di identificare nuove soluzioni tecnologiche. Lo sviluppo di sistemi per la cattura e lo stoccaggio della CO2 in impianti ad elevata intensità energetica, in sinergia con l’impiego di fonti rinnovabili, si configura come l’unica tecnologia in grado di poter garantire il raggiungimento di tali obiettivi. L’impiego, inoltre, della CO2 nella realizzazione di combustibili sintetici svilupperebbe vettori energetici carbon neutral. L’implementazione di questa tecnologia in siti di produzione dove le emissioni sono legate al prodotto (cementifici, impianti a biogas, upgrading del biometano, ecc.), e solo in parte agli utilizzi energetici, permette di ridurre fino a poter azzerare le emissioni locali di CO2, cosa non possibile con il solo impiego di fonti rinnovabili.

Il progetto E-CO2 si propone di dimostrare la fattibilità tecnica nell’utilizzo della CO2, separata e catturata in industrie ad alta intensità energetica, per la produzione di combustibili. L’implementazione di diverse tecnologie e la loro caratterizzazione sperimentale mediante impianti dedicati (metano sintetico gassoso e liquido, metanolo e dimetiletere) ne verificherà la scalabilità e modularità. Nel progetto saranno caratterizzati anche i dispositivi di generazione da fonte rinnovabile ed effettuate delle prove di utilizzo dei combustibili sintetici; inoltre saranno creati modelli matematici in grado di simulare l’intero processo (dalla produzione all’utilizzo di combustibili sintetici) e fornire indicazioni tecniche ed economiche di filiera.

The reduction of greenhouse gas emissions is the priority objective of international energy policies. In order to mitigate the consequences associated with an excessive rise in temperature, the Paris agreements imposed a drastic reduction in CO2 emissions into the atmosphere, setting binding national targets and also underlining the need to identify new technological solutions. The development of systems for the capture and storage of CO2 in high energy intensity plants, in synergy with the use of renewable sources, is the only technology capable of guaranteeing the achievement of these objectives. Furthermore, the use of CO2 in the production of synthetic fuels would develop carbon neutral energy vectors.The implementation of this technology in production sites where emissions are linked to the product (cement factories, biogas plants, biomethane upgrading, etc.), and only partially to energy uses, allows to reduce local emissions of CO2, which is not possible with only use of renewable sources.

The E-CO2 project aims to demonstrate the technical feasibility of using CO2, separated and captured in energy-intensive industries, for the production of fuels. The implementation of different technologies and their experimental characterization through dedicated plants (gaseous and liquid synthetic methane, methanol and dimethyl ether) will verify their scalability and modularity. The project will also characterize the generation devices from renewable sources and carry out tests on the use of synthetic fuels; moreover, mathematical models will be created, able to simulate the entire process (from production to the use of synthetic fuels) and provide technical and economic indications of the supply chain.

Obiettivi / Targets

Tra le strategie più vantaggiose per la transizione verso una low-carbon economy, la cattura della CO2 (CCU/CCS) gioca un ruolo primario. Tuttavia, se da un lato, buona parte delle tecnologie di utilizzo/stoccaggio della CO2, CCU/CCS, non presenta livelli di maturità tecnologica sufficiente per applicazioni commerciali, è altrettanto vero che, per ragioni tecniche, alcuni settori industriali (es. cemento) non potranno ridurre considerevolmente le proprie emissioni di CO2 senza l’impiego di CCU/CCS. Lo sviluppo di combustibili sintetici innovativi, prodotti da fonte rinnovabile e caratterizzati da emissioni di CO2 nulle nel ciclo, rappresenta lo stadio finale nel processo di decarbonizzazione, di efficientamento nell’approvvigionamento energetico e nella sostenibilità ambientale.

E-CO2, nato dalla collaborazione di laboratori che hanno maturato una lunga esperienza sui contenuti tecnologici del progetto e raccogliendo gli interessi dei partner industriali coinvolti sia sugli aspetti di cattura della CO2 che su quelli relativi alla produzione ed utilizzo di combustibili sintetici, si propone di dimostrare la fattibilità della chiusura della filiera che, a partire dalla separazione, cattura della CO2 in siti industriali, veda un successivo utilizzo della stessa nella produzione di combustibili carbon neutral innovativi e un impiego reale presso utenti finali. Il progetto ha l’obiettivo di dimostrare, mediante la progettazione, la realizzazione, l’integrazione e la sperimentazione di impianti reali, la fattibilità tecnica dei processi termochimici, fisici, catalitici ed elettrochimici, che interessano le diverse attività sviluppate all’interno della filiera ed evidenziare le potenziali problematiche gestionali. Il progetto si propone inoltre di verificare gli aspetti economici, ed i benefici ambientali, legati allo sviluppo di diverse tecnologie utilizzabili nella produzione di combustibili da CO2, restituendo analisi che saranno messe a disposizione delle aziende interessate all’implementazione delle tecnologie analizzate. La scelta di realizzare diversi impianti reali distribuiti sul territorio, oltre alla funzione di laboratori tecnici sui quali effettuare le analisi di caratterizzazione, ha obiettivo di creare dei dimostratori sulle tecnologie low carbon sviluppate che, dando evidenza dei bilanci ambientali ed economici derivanti dall’utilizzo delle tecnologie proposte, riusciranno a far percepire la fattibilità tecnica, le caratteristiche e la facilità di impiego dei combustibili prodotti.

Gli obiettivi specifici e in risultati attesi sono i seguenti:

  1. Fornire una stima, su scala regionale, della potenziale produzione di CO2.
  2. Caratterizzazione sperimentale tramite prototipi dei dispositivi di produzione di combustibili da CO2, H2 e energia elettrica da fonte rinnovabile basati su diverse tecnologie.
  3. Dimostrare tecnicamente ed economicamente il potenziale impiego dei combustibili sintetici.
  4. Modellazione energetico-economica delle tecnologie e dei processi di produzione di combustibili da CO2 e H2.

Among the most advantageous strategies for the transition to a low-carbon economy, the capture of CO2 (CCU / CCS) plays a primary role. However, if on the one hand, most of the technologies for the use / storage of CO2, CCU / CCS, do not have enough levels of technological maturity for commercial applications, it is equally true that, for technical reasons, some industrial sectors (e.g. cement) they will not be able to significantly reduce their CO2 emissions without the use of CCU / CCS. The development of innovative synthetic fuels, produced from renewable sources and characterized by zero CO2 emissions in the cycle, represents the final stage in the process of decarbonization, efficiency in energy supply and environmental sustainability.

E-CO2, born from the collaboration of laboratories that have gained a long experience on the technological contents of the project and gathering the interests of the industrial partners involved both on the aspects of CO2 capture and on those relating to the production and use of synthetic fuels, aims to demonstrate the feasibility of closing the supply chain which, starting from the separation and capture of CO2 in industrial sites, sees its subsequent use in the production of innovative carbon neutral fuels and real use by end users. The project aims to demonstrate, through the design, construction, integration and testing of real plants, the technical feasibility of thermochemical, physical, catalytic and electrochemical processes, affecting the various activities developed within the supply chain and highlighting potential management problems. The project also aims to verify the economic aspects, and the environmental benefits, linked to the development of different technologies that can be used in the production of CO2 fuels, returning analyzes that will be made available to companies interested in the implementation of the technologies analyzed. The choice of creating various real plants distributed throughout the territory, in addition to the function of technical laboratories on which to carry out the characterization analyzes, aims to create demonstrators on the low carbon technologies developed which, giving evidence of the environmental and economic balances resulting from the use of proposed technologies, will be able to perceive the technical feasibility, the characteristics and ease of use of the fuels produced.

The specific objectives and expected results are the following:

  1. Provide a regional estimate of the potential CO2 production.
  2. Experimental characterization through prototypes of devices for the production of CO2, H2 and electricity from renewable sources based on different technologies.
  3. Technically and economically demonstrate the potential use of synthetic fuels.
  4. Energy-economic modeling of CO2 and H2 fuel production technologies and processes.

Attività / Activities

  • Individuazione dei settori produttivi a maggiore produzione di CO2 sul territorio regionale e analisi della CO2 catturata da tecnologia CCUS.

Nel progetto si definiranno le tecnologie CCUS più promettenti, arrivando a generare una “curva di offerta” della CO2 captata: la curva sarà utilizzata per quantificare il potenziale effetto (ambientale al variare del costo) di politiche di riduzione delle emissioni di CO2 tramite tecnologie di cattura. Il successivo studio di dettaglio, di tipo tecnico-economico porrà le basi per la futura implementazione su scala industriale (avanzamento del TRL) delle tecnologie selezionate. Al contempo, l’analisi LCA valuterà i benefici ambientali legati all’applicazione di tecnologie CCUS nel settore cemento. Verrà dimostrata la fattibilità tecnica della chiusura della filiera (value chain) tramite l’impiego della CO2 industriale, catturata nell’ambito del progetto H2020 Cleanker, per le sperimentazioni previste dal progetto E-CO2.

  • Individuazione delle tecnologie disponibili sul mercato per la produzione di idrogeno da energia elettrica rinnovabile.

Saranno caratterizzati sperimentalmente tre impianti per l’elettrolisi dell’acqua con caratteristiche tecnologiche e taglie di impianto diverse. Saranno verificate le performance al variare del carico e delle condizioni di utilizzo, modificando parametri come temperatura e pressione di funzionamento, individuando le condizioni di funzionamento ottimali per massimizzare i rendimenti energetici e valutando gli aspetti economici al variare della taglia. I risultati ottenuti saranno utilizzati per progettare e realizzare l’integrazione tra il sistema di produzione dell’idrogeno e l’impianto per la sua trasformazione, mediante utilizzo della CO2, in combustibili sintetici. Si caratterizzerà la tecnologia per la compressione del gas prodotto e saranno analizzate le differenti metodologie di stoccaggio mediante l’utilizzo di impianti demo.

  • Indicazione sul grado di maturità tecnologica dei sistemi per la produzione di combustibili sintetici da idrogeno e CO2 ed analisi sperimentale.

Si otterrà la caratterizzazione della produzione del metano sintetico e del dimetiletere mediante tre impianti differenziati per pressione di funzionamento, tecnologia utilizzata, catalizzatori, taglia e TRL. Saranno dimensionati, progettati e realizzati dei reattori per la metanazione catalitica (reattore Sabatier) e per la produzione di dimetiletere che saranno integrati nei sistemi per l’elettrolisi dell’acqua caratterizzati al punto precedente. La potenzialità prevista è di circa 200-250 l/h di metano sintetico, mentre per il dimetiletere, il reattore sarà funzionale ai test sullo sviluppo di catalizzatori eterogenei solidi a base di acidi solfonici utilizzati nella reazione di sintesi del dimetiletere a partire da metanolo.

  • Strumento (tool) in grado di simulare il processo e le prestazioni delle tecnologie: generazione da fonti rinnovabili, cattura CO2, produzione di idrogeno e di combustibili sintetici.

Definiti gli approcci e le equazioni costituenti i modelli dei sistemi, si otterrà la simulazione dell’intero processo di conversione in regime dinamico, al variare delle condizioni operative, valutandone le prestazioni in termini di flussi energetici e di efficienze. Il modello sarà esteso anche a valutazioni economiche al fine di effettuare analisi di sensibilità al variare del prezzo dell’energia e della taglia d’impianto. Il tool fornirà inoltre suggerimenti per l’implementazione e l’ottimizzazione delle tecnologie in funzione delle condizioni al contorno.

  • Verifica dell’utilizzo del combustibile sintetico prodotto attraverso l’utilizzo di un dimostratore per la liquefazione del metano di piccola taglia.

Dopo aver effettuato le analisi per la caratterizzazione della qualità del metano, si otterrà una valutazione dell’impiego della micro-liquefazione in settori come quello dei trasporti. I bilanci energetici e le analisi tecnico/economiche ottenute, insieme alla verifica degli aspetti normativi necessari a sviluppare la tecnologia su larga scala ed in diversi contesti (pubblici e privati), evidenzieranno le potenzialità e criticità sull’utilizzo della tecnologia. Il combustibile prodotto sarà utilizzato per delle prove di riempimento e di funzionamento su un autobus per il trasporto persone che, oltre alla dimostrazione di una fattibilità tecnica darà anche un contributo importante alle attività di comunicazione e diffusione dei risultati.

  • Identification of the production sectors with the highest production of CO2 in the region and analysis of the CO2 captured by CCUS technology.

The project will define the most promising CCUS technologies, generating a “supply curve” of captured CO2: the curve will be used to quantify the potential effect (environmental as the cost changes) of policies to reduce CO2 emissions through capture. The subsequent detailed technical-economic study will lay the foundations for the future implementation on an industrial scale (advancement of the TRL) of the selected technologies. At the same time, the LCA analysis will evaluate the environmental benefits linked to the application of CCUS technologies in the cement sector. The technical feasibility of closing the supply chain (value chain) will be demonstrated through the use of industrial CO2, captured within the H2020 Cleanker project, for the experiments envisaged by the E-CO2 project.

  • Identification of the technologies available on the market for the production of hydrogen from renewable electricity.

Three plants for water electrolysis with different technological characteristics and plant sizes will be experimentally characterized. Performance will be verified as the load and conditions of use vary, modifying parameters such as operating temperature and pressure, identifying the optimal operating conditions to maximize energy yields and evaluating the economic aspects as the different size. The results obtained will be used to design and implement the integration between the hydrogen production system and the plant for its transformation, through the use of CO2, into synthetic fuels. The technology for the compression of the gas produced will be characterized and the different storage methods will be analyzed through the use of demo plants.

  • Indication of the degree of technological maturity of systems for the production of synthetic fuels from hydrogen and CO2 and experimental analysis.

The characterization of the production of synthetic methane and dimethyl ether will be obtained by means of three plants differentiated by operating pressure, technology used, catalysts, size and TRL. Reactors for catalytic methanation (Sabatier reactor) and for the production of dimethyl ether will be design and built and integrated in the water electrolysis systems characterized in the previous point. The expected potential is about 200-250 L/h of synthetic methane, while for the dimethyl ether, the reactor will be functional to the tests on the development of solid heterogeneous catalysts based on sulphonic acids used in the synthesis reaction of dimethyl ether starting from methanol.

  • Tool able to simulate the process and performance of technologies: generation from renewable sources, CO2 capture, production of hydrogen and synthetic fuels.

Once the approaches and equations constituting the systems models have been defined, the simulation of the conversion process in dynamic regime will be obtained, as the operating conditions, evaluating its performance in terms of energy flows and efficiencies. The model will also be extended to economic evaluations in order to carry out sensitivity analyzes to changes in the price of energy and the size of the plant. The tool will also provide suggestions for the implementation and optimization of technologies according to the boundary conditions.

  • Verification of the use of the synthetic fuel produced through the use of a demonstrator for the liquefaction of small-sized methane.

After carrying out the analyzes for the characterization of methane quality, an evaluation of the use of micro-liquefaction in sectors such as transport will be obtained. The energy balances and the technical / economic analyzes obtained, together with the verification of the regulatory aspects necessary to develop the technology on a large scale and in different contexts (public and private), will highlight the potential and critical issues on the use of technology. The fuel produced will be used for filling and operating tests on a passenger transport bus which, in addition to demonstrating technical feasibility, will also make an important contribution to the communication and dissemination of results.

Applicazioni e Coerenza con la strategia regionale di specializzazione intelligente / Applications and Coherence with regional strategy of smart specialization

Il progetto E-CO2 si propone di analizzare le tecnologie per la cattura della CO2 prodotta nel ciclo industriale, altrimenti emessa in atmosfera, ed un suo successivo impiego nella produzione di combustibili sintetici. Un impiego della CO2 nella produzione di combustibili innovativi ed ottenuti da fonti rinnovabili, consentirebbe alle industrie caratterizzate da grandi emissioni di gas serra, di ridurre notevolmente le proprie emissioni locali, di efficientare il proprio ciclo energetico incrementando l’utilizzo di fonti rinnovabili e diminuendo gli approvvigionamenti di combustibile fossile, e di configurarsi anche come potenziali produttori di combustibili carbon neutral. Questi contenuti trovano forte interesse in aziende caratterizzate da elevata intensità energetica, nel settore oil&gas (nuovi combustibili da fonte rinnovabile prodotti in maniera distribuita sul territorio che sostituirebbero i combustibili fossili), per i produttori di energia elettrica (possibilità di accumulo mediante Power to Gas e Power to Liquid) e per utilizzatori finali di combustibili a basso impatto ambientale (trasporti, residenziale, industria, ecc.). Pertanto, è possibile avviare un processo di consolidamento nelle filiere già presenti caratterizzato da un’evoluzione verso una sostenibilità ambientale: ciò garantirebbe una crescita della competitività del tessuto industriale regionale, nuovi modelli di business ed un conseguente incremento occupazionale. I temi sviluppati sul progetto E-CO2 sono, quindi, in linea con i contenuti presenti nell’obiettivo strategico “Low Carbon Economy”, ed in particolare in “efficienza energetica e soluzioni low carbon per l’industria”. E-CO2 sviluppa inoltre possibili sinergie con “Biometano e altri biocombustibili” (abbattimento emissioni locali di CO2), “Smart Energy Systems” (approvvigionamento energetico ed accumulo della produzione elettrica aleatoria da fonti rinnovabili) ed “Economia circolare e sviluppo sostenibile” (riutilizzo della CO2).

The E-CO2 project aims to analyze the technologies for capturing CO2 produced in the industrial cycle, otherwise emitted into the atmosphere, and its subsequent use in the production of synthetic fuels. The use of CO2 in the production of innovative fuels obtained from renewable sources, would allow industries characterized by large greenhouse gas emissions, to significantly reduce their local emissions, to make their energy cycle more efficient by increasing the use of renewable sources and decreasing supplies of fossil fuels, and to become potential producers of carbon neutral fuels. These contents find strong interest in Companies characterized by high energy intensity, in the oil &gas (new fuels from renewable sources produced in a distributed manner throughout the territory that would replace fossil fuels), for electricity producers (possibility of accumulation using Power to Gas and Power to Liquid) and for end users of low environmental impact fuels ( transport, residential, industry, etc.). Therefore, it is possible to start a consolidation process in already existing supply chains characterized by an evolution towards environmental sustainability: this would guarantee a growth in the competitiveness of the regional industrial fabric, new business models and a consequent increase in employment. The themes developed on the E-CO2 project are therefore in line with the contents of the “Low Carbon Economy” strategic objective,nand in particular in “energy efficiency and low carbon solutions for industry”. E-CO2 also develops possible synergies with “Biomethane and other biofuels” (reduction of local CO2 emissions), “Smart Energy Systems” (energy supply and storage of random electricity production from renewable sources) and “Circular economy and sustainable development” (reuse of CO2).