Il mondo sta assistendo a una crescente consapevolezza su quanto sia importante la transizione verso fonti energetiche più sostenibili e rinnovabili. In questo contesto, il biometano è una risorsa preziosa, che offre un'alternativa pulita e sostenibile ai combustibili fossili tradizionali. Tuttavia, per rendere il biometano pronto per essere immesso in rete o trasportato sui carri bombolai per altri usi, è necessario il processo di biogas upgrading. Ma di cosa si tratta e quali sono le tecniche principali? Ne parliamo in questo articolo.
Il biogas upgrading è un processo tecnologico che mira a migliorare la qualità del biogas prodotto dalla digestione anaerobica della materia organica, un passaggio necessario negli impianti per il biometano. Questo processo consente di rimuovere le impurità presenti nel biogas, come l'anidride carbonica, l'umidità e altre tracce di contaminanti, trasformandolo così in biometano di alta qualità (le soluzioni di Endress+Hauser permettono di misurare con accuratezza la qualità del biometano). Il biometano così ottenuto è caratterizzato da una composizione chimica più simile al gas naturale tradizionale, con una maggiore concentrazione di metano e un minor contenuto di impurità.
È importante distinguere tra il biometano ottenuto da biomassa generica e il biometano avanzato, che deriva esclusivamente da specifiche materie prime non alimentari, come previsto dal Decreto Legislativo n. 199/2021.
Per vedere come questo processo viene implementato in un impianto reale, guarda il nostro caso studio sull’upgrading del biogas in biometano.
Le tecniche più utilizzate per l'upgrading del biogas in biometano sono le seguenti:
La tecnologia a membrane è la tecnica più diffusa sul mercato italiano per la purificazione del biogas. Tale tecnica si basa sulla permeabilità selettiva delle membrane, che garantisce la separazione tra metano e CO2. Esistono in particolare due tipologie di membrane: le membrane liquido-gas e quelle gas-gas.
Il processo di upgrading tramite tecnologia a membrane prevede una fase di pretrattamento per eliminare H2O e H2S, VOCs, NH3 e siloxani: questa fase è fondamentale per evitare che le membrane vengano danneggiate o ostruite nel corso del processo.
Generalmente questa tecnica prevede una configurazione a tre stadi: il biometano viene prodotto a una pressione tra i 20 e i 36 bar e si ottiene una purezza del 96%.
I principali vantaggi di questa tecnica sono dati dalla sua maggior semplicità di utilizzo e dai suoi costi e consumi energetici ridotti; d'altra parte, però, la tecnologia a membrane comporta una perdita di metano leggermente più elevata rispetto alle altre tecniche, di circa il 7-10%. Inoltre, si rende necessario sostituire le membrane ogni 5-10 anni circa.
Il water scrubbing è una delle tecniche più comuni per la purificazione del biogas. Questo metodo sfrutta l'alta solubilità della CO2 nell'acqua per rimuovere le impurità presenti nel gas. È un processo che avviene tipicamente a pressioni comprese tra 6 e 20 bar durante la fase di assorbimento e tra 2,5 e 3,5 bar durante la fase di desorbimento.
Durante il contatto con l'acqua, l'anidride carbonica presente nel biogas viene efficacemente assorbita, mentre altre impurità vengono trattenute.
L'efficienza del processo di assorbimento aumenta con la diminuzione della temperatura, il che significa che il water scrubbing è particolarmente efficace in condizioni di bassa temperatura.
In termini di dimensioni ottimali, il water scrubbing può essere implementato su scala industriale, con capacità di purificazione che vanno da 500 a 2000 Nm3/h e possono arrivare fino a 10000 Nm3/h in alcune configurazioni.
La purezza del biometano prodotto in questo modo è superiore al 97%. Alcune possibili problematiche legate a questa tecnica riguardano la sostenibilità ambientale, a causa dell'acidificazione e tossicità del gas esausto uscente dalla colonna di desorbimento.
Il processo di assorbimento chimico è un metodo affidabile per la purificazione del biogas, che sfrutta la reazione della CO2 in fase liquida con solventi chimici selezionati. Questa tecnica coinvolge l'uso di ammine come la MEA (monoetanolammina) o soluzioni acquose alcaline come il K2CO3 o il NaOH per reagire con l'anidride carbonica presente nel biogas. Durante il processo di assorbimento, il biogas grezzo viene fatto passare attraverso una colonna di soluzione acquosa contenente gli agenti assorbenti, dove la CO2 viene selettivamente assorbita dalla fase liquida. Le pressioni tipiche durante il processo di assorbimento sono comprese tra 1 e 2 bar. Successivamente, il solvente caricato di CO2 viene separato dal biogas purificato e sottoposto a un processo di rigenerazione a temperature elevate, generalmente comprese tra 120 e 150°C. Questo permette di recuperare il solvente e di rigenerarlo, per riutilizzarlo nel processo di purificazione. In termini di dimensioni, il processo di assorbimento chimico richiede spazi più ridotti rispetto al water scrubbing, rendendolo una soluzione efficiente e compatta per la produzione di biometano.
La purezza del biometano prodotto in questo modo è superiore al 99%. Alcune possibili problematiche legate a questa tecnica riguardano la formazione di schiume (foaming) e aspetti come la corrosione e il degrado degli strumenti impiegati.
L'adsorbimento è una tecnica avanzata di purificazione del biogas che sfrutta l'assorbimento selettivo della CO2 su superfici porose. Durante questo processo, il biogas viene fatto passare attraverso materiali adsorbenti come carboni attivi, silica gel, MOF (Metal-Organic Frameworks) o setacci molecolari, che catturano selettivamente le molecole di anidride carbonica presenti nel gas. Le pressioni tipiche durante la fase di adsorbimento variano da 4 a 10 bar, mentre le successive depressurizzazioni riducono gradualmente la pressione fino a raggiungere il vuoto durante la fase di desorbimento.
Durante questa fase, il materiale adsorbente viene rigenerato tramite un processo di riscaldamento a temperature elevate, solitamente comprese tra 120 e 150°C, che consente di liberare la CO2 catturata e ripristinare la capacità adsorbente del materiale. Grazie alla sua capacità di adsorbire selettivamente la CO2, questa tecnica offre un'elevata efficienza nella purificazione del biogas.
La purezza del biometano prodotto in questo modo è fra il 96% e il 98%. Alcune possibili problematiche legate a questa tecnica riguardano la necessità di rimuovere prima H2O e H2S, e la necessità di creare il vuoto o raggiungere alte temperature per la rigenerazione del materiale adsorbente.
Esistono anche altri modi per trasformare il biogas in biometano: troviamo per esempio l'Organic Solvent Scrubbing o il processo criogenico. Questi tuttavia sono meno utilizzati rispetto ai principali trattati al paragrafo precedente. In ogni caso, la scelta della tecnica è sempre vincolata alle dimensioni e alla struttura dell'impianto, nonché ai costi delle diverse metodologie.
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