E-CO2

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

Sommario

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.

Obiettivi

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.

Attività

  • 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.

Applicazioni e Coerenza con la strategia regionale di specializzazione intelligente

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).