Synthetic natural gas generation by co-electrolysis in SOEC and methanation: experimental and techno-economic analysis

Ai nostri giorni, l'utilizzo delle fonti di energia rinnovabili (RES- Renewable Energy Sources), è una valida alternativa alle fonti di energia fossile, e la loro crescita mira a disgiungere la società dalle fonti di energia derivanti dal carbonio. Tuttavia, molte fonti di energia rinnovabile - come quelle eolica e solare -, forniscono energia in modo intermittente e, molto spesso, il picco di produzione e il picco di consumo non corrispondono. Lo stoccaggio dell'energia elettrica (EES), è visto come una soluzione a questi problemi. L'EES ha il potenziale per appianare la variabilità della produzione di energia da fonti rinnovabili e immagazzinare energia per diminuire il costo dell'integrazione delle RES nella rete elettrica, aumentarne la penetrazione nel mercato e portare alla riduzione dei gas serra. Le celle reversibili a ossido solido (rSOC) - che lavorano sia in modalità di cella a combustibile (produzione di energia) che di elettrolizzatori (produzione di combustibile) - sono una tecnologia in grado di fornire uno stoccaggio di energia elettrica altamente efficiente e conveniente. Power-to-gas (P2G) è un percorso di conversione in cui, l'energia elettrica, viene convertita in energia chimica, più adatta allo stoccaggio a lungo termine e su larga scala. Nei processi power-to-gas, i gas vettori di energia come il metano e l'idrogeno sono prodotti utilizzando l'eccesso di elettricità proveniente dalle RES, e poi immagazzinati o trasportati. In particolare, il metano è un vettore energetico promettente, perché può essere utilizzato nelle infrastrutture già esistenti per il gas naturale. Il seguente lavoro di tesi, si occupa dell'accoppiamento tra la co-elettrolisi ad alta temperatura di CO2 e H2O – tramite SOEC - e un processo di metanazione per produrre un gas naturale sintetico (SNG), direttamente iniettabile nella rete di distribuzione del gas naturale attraverso un percorso Power-to-gas. La metanazione a valle del syngas prodotto nell’impianto SOEC viene effettuata per produrre un flusso di SNG con qualità di rete. Il lavoro consiste in una prima sezione teorica, dove vengono trattati i concetti principali delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori, concentrandosi sia sulla termodinamica dei sistemi che sullo stato dell'arte delle tecnologie. In seguito, l'attenzione si rivolge al processo di metanazione accoppiato a SOEC. Il capitolo 4 riguarda l'analisi sperimentale: presso l'Environment Park di Torino, sono stati effettuati studi sul comportamento delle SOC reversibili; vengono dunque qui riportati i risultati delle curve di polarizzazione dei test a diverse composizioni e temperature, nonché una descrizione di tutti i componenti (hardware e software) che costituiscono il banco prova e la procedura di assemblaggio. Il modello del sistema è presentato nel capitolo 5: l'anidride carbonica presente nei gas di scarico, provenienti da un impianto di ossicombustione del cemento e acqua demineralizzata, sono utilizzati per alimentare la cella. La SOEC, così come il sistema di metanazione e la sezione di pulizia e correzione del gas, sono modellati su AspenPlusv10. Infine, viene effettuata un'analisi economica con lo scopo di valutare la fattibilità dell'impianto e confrontare i costi con quelli del gas naturale attualmente commercializzato nel settore residenziale e industriale.