Introduzione alla catena del valore della produzione di biometano

Il biometano come alternativa alla mobilità elettrica

Come sarebbe andare da A a B in modo rilassato senza danneggiare il clima? Il primo pensiero suggerisce di acquistare un'auto elettrica. Tuttavia, per produrre le batterie sono necessarie terre rare come il disprosio o il neodimio. Per produrre le batterie è necessario utilizzare anche altri elementi come il litio o il cobalto. Di norma, questi elementi scarseggiano e hanno anche fornitori problematici, come la Cina per le terre rare o il Congo per il cobalto. (Dicks, 2020)

E adesso?

Esiste un'alternativa che sia rispettosa dell'ambiente e faccia risparmiare tempo durante il rifornimento?

La risposta è un sonoro SÌ! Il carburante si chiama biometano. In questo articolo vi spieghiamo cos'è esattamente il biometano, come viene prodotto e quali sono i passaggi necessari per arrivare al prodotto finale.

Dicks, H. (9 dicembre 2020). Il biometano: un carburante attraente per la transizione della mobilità.

Fase n. 1: Coltivazione/produzione di biometano in azienda

Origine del biometano

Ciò solleva la questione: come trasformare il letame agricolo e le materie prime rinnovabili in un carburante ecologico?

Innanzitutto, residui, NaWaRo, liquami e materiali di scarto provenienti da aziende agricole originarie e produttrici vengono raccolti da raccoglitori, per lo più commercianti o fornitori, e poi trasportati all'impianto di biogas. Questa fase è illustrata nella Figura 1.

Figura 1: 1a fase della catena del valore (agriportance GmbH, 2022)

Processi nell'impianto di biogas

La fermentazione di queste sostanze avviene in questo impianto. Durante la formazione del metano, i microrganismi decompongono la materia organica in un ambiente privo di ossigeno (anaerobico), rilasciando biogas. Si tratta di una miscela di gas satura di vapore acqueo, composta essenzialmente da metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Altri componenti, oltre al vapore acqueo, sono tracce di gas come azoto, ossigeno, idrogeno, idrogeno solforato e ammoniaca. Negli impianti di biogas e di gas di depurazione, questi processi di fermentazione anaerobica sono tecnicamente applicati e il biogas che può essere utilizzato per l'energia è prodotto con la massima efficienza possibile.

Grob può spiegare le fasi del processo dell'impianto di biogas in quattro passaggi:

Idrolisi: nella prima fase della formazione del metano, i batteri aerobi in particolare scindono sostanze organiche complesse come proteine, carboidrati o grassi in singole molecole con l'aiuto di enzimi. Questi prodotti includono aminoacidi, acidi grassi o zuccheri.
Acidogenesi: subito dopo, i batteri anaerobi facoltativi che formano acidi si occupano dell'ulteriore degradazione nella fase di acidificazione, principalmente a idrogeno, anidride carbonica, acidi grassi e alcoli. Nel caso di substrati ricchi di oli e grassi, in questa fase vengono prodotti anche H2S e NH3.
Acetogenesi: i prodotti dell'acidogenesi vengono ulteriormente degradati nell'acetogenesi da batteri che formano acido acetico. Vengono prodotti acido acetico, CO2 e H2.
Metanogenesi: il metano, la CO2 e l'acqua si formano da acido acetico, CO2 e H2 con l'aiuto di archei idrogenotrofi e metanogeni. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Questi processi sono illustrati nella Figura 2.

Figura 2: Degradazione anaerobica di materiale organico in biogas (fermentatori G, batteri acetogeni AB, batteri omoacetogeni HAB, ossidatori di acetato sintropici SAO, metanogeni acetoclastici AM, metanogeni idrogenotrofi HM) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energia dalla biomassa. Springer.

Fase n. 2: ulteriore trasformazione in biogas e successiva iniezione nella rete del gas naturale

Fasi del processo biogas da immettere in rete

Per produrre biometano dal biogas, la miscela di gas deve essere purificata. Questo avviene negli impianti di upgrading del biogas. Questa fase della catena del valore è illustrata nella Figura 3.

Figura 3: Fase 2 della catena del valore del biometano (agriportance GmbH. (giugno 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12).

Per il trattamento vengono utilizzati diversi processi, come il lavaggio con ammine, l'adsorbimento a pressione oscillante o il lavaggio con acqua pressurizzata (DWW):

Lavaggio con ammina

Nel caso del lavaggio con ammina come processo di assorbimento chimico, la purificazione è simile a quella del lavaggio con acqua pressurizzata. In questo caso, il biogas fluisce in controcorrente attraverso una soluzione di acqua e ammina sotto una pressione leggermente maggiore, in modo che la CO2 reagisca con la soluzione di lavaggio e passi al suo interno. La soluzione amminica raggiunge un carico maggiore rispetto all'acqua, riducendo così la quantità di agente di lavaggio da far circolare. L'aria di scarico contiene solo piccole quantità di metano, quindi di solito non è necessaria la pulizia dei gas magri. La desolforazione fine è consigliata per mantenere la capacità di lavaggio a lungo termine. Il lavaggio con ammina è molto dispendioso dal punto di vista energetico, poiché sono necessarie grandi quantità di calore di processo per la rigenerazione della soluzione di ammina. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Lavaggio a pressione

Il processo DWW sfrutta la diversa solubilità del metano e dell'anidride carbonica nell'acqua a pressioni variabili. Il biogas precedentemente compresso scorre attraverso la colonna di assorbimento dal basso verso l'alto. Questa è solitamente progettata come un reattore a letto di gocciolamento in cui l'acqua passa attraverso il gas in controcorrente. In questo modo, i componenti basici e acidi del biogas, in particolare l'anidride carbonica e l'idrogeno solforato, possono essere dissolti e le polveri e i microrganismi possono essere separati. Il gas purificato lascia la colonna con una purezza di 90-99 vol.% di metano. Oltre alla CO2, l'aria di scarico contiene circa 1 vol.% di metano, che deve essere separato attraverso un trattamento dei gas magri. Rispetto ad altri processi di separazione della CO2, il fabbisogno di energia elettrica è elevato a causa della circolazione dell'acqua di lavaggio e della necessaria compressione del biogas. L'essiccazione preliminare del gas non è necessaria. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Adsorbimento ad oscillazione di pressione

Nell'adsorbimento ad oscillazione di pressione (DWA), le miscele di gas vengono separate mediante adsorbimento su carboni attivi, setacci molecolari o setacci molecolari di carbonio. Prima del DWA, sono necessarie l'essiccazione, la desolforazione fine e la compressione del biogas. Il gas raffreddato e disidratato passa quindi attraverso l'adsorbente (setaccio molecolare o carbone attivo), sul quale si adsorbe la CO2. Il gas prodotto, ricco di metano, viene quindi espanso e diretto a una seconda colonna dove l'adsorbimento viene ripetuto con l'introduzione di aria ambiente. La rigenerazione dell'adsorbente avviene abbassando la pressione con l'aiuto di una pompa da vuoto. Il gas estratto, ricco di CO2, contiene ancora metano e deve quindi essere inviato a un post-trattamento di gas magro. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Requisiti per l'iniezione di biometano

Tuttavia, il biometano purificato dai processi deve soddisfare diversi requisiti prima di poter essere immesso nella rete del gas naturale:

Contenuto energetico: i requisiti del contenuto energetico sono definiti attraverso l'indice di Wobbe, utilizzato per caratterizzare la qualità dei gas combustibili attraverso la combustione controllata. Tale indice deve essere compreso tra 11-13 kWh/m3 per i gas L e tra 13,6-15,7 kWh/m3 per i gas H.
Contenuto di idrogeno solforato: Il contenuto di idrogeno solforato (H2S) deve essere ridotto a 5 mg/m3.
Densità relativa: la densità del gas deve essere compresa tra 0,55-0,75 kg/m3.

In teoria, ogni impianto di biogas può immettere il biometano prodotto dal biogas nella rete del gas naturale. In pratica, la costruzione dell'impianto di immissione e delle condutture verso la rete del gas deve essere controllata dal rispettivo gestore della rete. Poiché i costi di costruzione degli impianti di immissione e delle condutture devono essere sostenuti dai volumi di gas venduti, l'immissione in rete ha di solito senso solo per chi si trova vicino alla rete del gas naturale. Per l'immissione del biometano nella rete del gas naturale e il suo utilizzo come combustibile, le linee guida DVGW e DIN definiscono le cifre chiave corrispondenti. Pertanto, prima che il biometano possa essere immesso nella rete del gas naturale, deve essere portato alla qualità di gas naturale richiesta nella rispettiva località. Queste qualità variano da regione a regione, soprattutto per quanto riguarda il potere calorifico e la pressione richiesti. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)(agriportance GmbH. (giugno 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12).

Il biometano purificato e conforme ai requisiti può essere utilizzato dai consumatori.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Basi tecniche e metodologiche del bilanciamento dei gas serra del biometano. DBFZ.

agriportance GmbH. (giugno 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

A cosa può servire esattamente il biometano?

Come descritto all'inizio, il biometano può essere utilizzato per i trasporti. Anche se il mondo dell'auto diventa più elettrico: Il gas naturale o CNG è e rimane un'alternativa più ecologica alla benzina e al diesel. Tuttavia, la scelta dei modelli di veicoli è limitata (nuove auto con equipaggiamento CNG/gas naturale "ex works": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) e la rete di stazioni di rifornimento è espandibile (Figura 4). Come il petrolio e il carbone, il gas naturale è una materia prima organica combustibile. È composto da circa 85% di metano. Sono disponibili gas naturale compresso (CNG) e gas naturale liquefatto (LNG). Quest'ultimo viene liquefatto a meno 164 gradi Celsius e viene utilizzato solo nei veicoli commerciali. Il carburante più comune per le autovetture è il GNC gassoso. Anche il biogas è sempre più utilizzato nelle stazioni di servizio. Viene immagazzinato nel veicolo in serbatoi con una pressione di esercizio di 200 bar. In Germania ci sono circa 820 stazioni di rifornimento in cui è disponibile il CNG. Il biogas è una variante particolarmente ecologica. Aumentando il contenuto di metano, può essere portato a un livello qualitativo pari a quello del gas naturale. Questo biometano è adatto senza limitazioni come carburante per i veicoli a gas naturale. In molte stazioni di rifornimento di gas naturale in Germania, il biometano viene già offerto come carburante puro o miscelato con il gas naturale. (ADAC, Gas naturale/CNG - un'unità con un futuro?, 2022)