Introduzione alla catena del valore della produzione di biometano

Il biometano come alternativa alla mobilità elettrica

Come sarebbe andare da A a B senza danneggiare il clima? Il primo pensiero che viene in mente è quello 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. Questi elementi sono generalmente poco disponibili e hanno anche fornitori problematici, come la Cina per le terre rare o il Congo per il cobalto (Dicks, 2020).

Che fare, dunque?

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 viene spiegato 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 interessante per la transizione della mobilità.

Fase n. 1: coltivazione/produzione di biometano

Origine del biometano

A questo punto sorge la domanda: come viene prodotto il carburante ecologico dal letame (liquame/stallatico) e dalle materie prime rinnovabili?

Innanzitutto, i residui, le materie prime rinnovabili, i liquami e i materiali di scarto provenienti dalle aziende agricole e dai produttori vengono raccolti dai raccoglitori, solitamente rivenditori 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

In questo impianto avviene la fermentazione di queste sostanze. 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). Oltre al vapore acqueo, altri componenti includono 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.

Le fasi del processo dell'impianto di biogas possono essere schematizzate in quattro passaggi:

Idrolisi: nella prima fase della formazione del metano, i batteri aerobici 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 e zuccheri.
Acidogenesi: subito dopo, nella fase di acidificazione, i batteri anaerobi facoltativi che formano acido si occupano dell'ulteriore degradazione, principalmente in idrogeno, anidride carbonica, acidi grassi e alcoli. Nel caso di sottospecie ricche di oli e grassi, in questa fase vengono prodotti anche H2S e NH3.
Acetogenesi: i prodotti dell'acidogenesi vengono ulteriormente scomposti nell'acetogenesi da batteri produttori di acido acetico. Si formano acido acetico, CO2 e H2.
Metanogenesi: da acido acetico, CO2 e H2 si formano metano, CO2 e acqua 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 sintropici di acetato 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 immissione nella rete del gas naturale.

Fasi del processo dal biogas all'immissione in rete

Per produrre biometano dal biogas, la miscela di gas deve essere purificata. Ciò 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_Bilanzierung_V.0.1.12).

Per la lavorazione vengono utilizzati diversi processi, come lo scrubbing con ammina, l'adsorbimento a pressione o lo scrubbing con acqua pressurizzata (DWW):

Lavaggio con ammina

Nel lavaggio con ammina, come processo di assorbimento chimico, la purificazione è simile al lavaggio con acqua pressurizzata. In questo caso, il biogas fluisce sotto una pressione leggermente aumentata attraverso una soluzione di acqua e ammina in controcorrente, dove la CO2 reagisce con la soluzione di lavaggio e passa al suo interno. La soluzione amminica raggiunge un carico maggiore rispetto all'acqua, riducendo così la quantità di detergente da far circolare. L'aria di scarico contiene solo piccole quantità di metano, per cui 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 rigenerare la soluzione di ammina (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Lavaggio con acqua in 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 scorre attraverso il gas in controcorrente. Ciò consente di dissolvere i componenti basici e acidi del biogas, in particolare l'anidride carbonica e l'idrogeno solforato, e di separare eventuali polveri e microrganismi. Il gas purificato lascia la colonna con una purezza del 90-99% di metano in volume. Oltre alla CO2, l'aria di scarico contiene circa l'1% di metano in volume, che deve essere separato attraverso il trattamento dei gas magri. Il fabbisogno di energia elettrica è elevato rispetto ad altri processi di separazione della CO2 a causa della circolazione dell'acqua di lavaggio e della necessaria compressione del biogas. Non è richiesta la preventiva essiccazione del gas (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Adsorbimento ad oscillazione di pressione

Nell'adsorbimento a oscillazione di pressione (PSA), le miscele di gas vengono separate mediante adsorbimento su carboni attivi, setacci molecolari o setacci molecolari di carbonio. Prima del DWA sono necessari 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 la CO2 si adsorbe. Il gas prodotto, ricco di metano, viene quindi espanso e convogliato in una seconda colonna in cui il processo di adsorbimento viene ripetuto con l'introduzione di aria ambiente. La rigenerazione dell'assorbente 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'immissione 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 dall'indice di Wobbe, utilizzato per caratterizzare la qualità dei gas combustibili attraverso la combustione controllata. Questo deve essere compreso tra 11-13 kWh/m3 per il gas L e tra 13,6-15,7 kWh/m3 per il gas H.
Contenuto di idrogeno solforato: la percentuale di idrogeno solforato (H2S) deve essere ridotta a 5 mg/m3.
Densità relativa: la densità del gas deve essere compresa tra 0,55-0,75 kg/m3.

In teoria, qualsiasi 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 dalle quantità di gas vendute, l'immissione ha generalmente senso solo per gli impianti situati in prossimità della rete del gas naturale. Le linee guida DVGW e DIN definiscono le cifre chiave corrispondenti per l'immissione del biometano nella rete del gas naturale e per il suo utilizzo come combustibile. 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_Balancing_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_Balancing_V.0.1.12.

Per cosa può essere utilizzato 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 rimarrà 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 servizio può essere ampliata (Figura 4). Come il petrolio e il carbone, il gas naturale è una materia prima organica combustibile. È composto per circa l'85% da 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 GNC gassoso è più comunemente utilizzato nelle autovetture. 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 servizio in cui è disponibile il CNG. Il biogas è una variante particolarmente ecologica. Aumentando il contenuto di metano, può essere portato allo stesso livello qualitativo del gas naturale. Questo biometano è adatto come carburante per i veicoli a gas naturale senza limitazioni. Il biometano viene già offerto come carburante puro o miscelato al gas naturale in molte stazioni di rifornimento in Germania (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).