Upgrading del biogas

Simulazioni hanno dimostrato che con tale processo si possono raggiungere

qualità di biogas del 95 % di metano con perdite inferiori del 2%. [14]

Nel 2006 Nordberg ed il suo team ha costruito e testato un impianto pilota con

volume del digestore di 15 m ed una colonna a bolle di 140 dm3. Da tale

3

osservazione è risultato che l’arricchimento del metano in situ cambia la

composizione del fango ma il desorbimento con aria non ha effetti negativi sulla

resa del metano. Testando diversi fanghi e flussi di aria si è arrivati ad un

contenuto massimo di metano pari al 87% con 2% di azoto ed una perdita di

metano pari all’8% nel gas di scarico nella colonna di desorbimento.

La tecnologia è relativamente semplice e non vi è la necessità di alcuna

attrezzatura ausiliaria per cui ha un costo di investimento minore rispetto alle

altre tecniche. [13]

Tuttavia il processo è limitato a piccoli impianti dove non è necessaria una

concentrazione di metano elevata (> 95%).

Figura 2. 9: Rappresentazione schematica di un impianto di arricchimento del metano in situ

[14] 29

2.5.3 Polmone ecologico (Ecological Lung)

L’enzima anidrasi carbonica (CA) è presente nel nostro sangue dove catalizza la

dissoluzione della CO che si forma durante il metabolismo delle nostre cellule

2

secondo la seguente relazione: ↔

H O + CO H + HCO

+1

2 2 3

L’anidride carbonica disciolta viene poi trasportata nei polmoni dove lo stesso

enzima catalizza la reazione inversa formando CO e H O.

2 2

Tale enzima può essere anche utilizzato per sciogliere la CO dal biogas ma il

2

costo di produzione dell’enzima è ancora alto e la praticabilità del processo è

influenzata da alcuni fattori come il tempo di vita dell’enzima immobilizzato.

Un gruppo di ricerca della Svezia, ha studiato l’uso di tale enzima per

l’upgrading del biogas dimostrando che il biogas, con tale tecnologia (Figura 2.

10), può essere purificato fino ad un contenuto di metano del 99%. [14]

La CO Solution Inc, una società canadese, ha sviluppato questa tecnica ed è in

2

possesso di un brevetto per un bioreattore che utilizzi l’enzima per la

dissoluzione dell’anidride carbonica.

Attualmente i loro progetti di ricerca sono concentrati sull’immobilizzazione

degli enzimi, la meccanica dei bioreattori, la produzione degli enzimi e le

applicazioni tecnologiche. [14] 30

Figura 2. 10: Processo della CO Solution [12]

2

2.6 Trattamento dell’off-gas

Il biogas di scarto contiene ancora, a seconda della tecnologia utilizzata di

upgrading, una percentuale di metano che deve essere utilizzata prima di

disperdere il gas in atmosfera, in quanto il metano è un gas serra molto più

dannoso della CO e la sua dispersione in atmosfera potrebbe compromettere la

2

reale economicità ambientale dell’impianto. [16]

Sono necessarie una o più fasi di trattamento dell’off-gas a seconda della sua

composizione. I maggiori inquinanti contenuti all’interno di esso sono CH , SO

4 x

e H S, e a seconda della loro concentrazione è previsto dalle varie norme

2

nazionali la rimozione degli stessi.

Nella Tabella 2. 1 sono riportate, come esempio, le concentrazioni ammesse

nelle emissioni dall’accordo tedesco TA Luft 2002. [1] 31

Tabella 2. 1: Limiti di emissione in base all’accordo tedesco TA Luft 2002 per le sostanze

rilevate nell’off-gas risultate dal processo di upgrading [1]

Flusso di massa Concentrazione

Sostanza Commenti

3

[g/h] [mg/m ] Indicato come

CH 500 < 50

4 carbonio totale

H S 15 < 3

2 Indicato come

SO 1800 < 350

x diossido di zolfo

Per recuperare il biometano contenuto nel gas di scarico del processo di

upgrading vi sono diverse tecnologie ma la più utilizzata è l’ossidazione

completa in caldaia; vi sono diverse aziende che producono caldaie che possono

utilizzare un biogas con percentuali di metano superiori al 3 % per produrre

calore che può essere utilizzato per scaldare il digestore dell’impianto. [16]

Un’altra opzione è quella di ossidare cataliticamente il metano. In questo caso,

l’ossidazione avviene in corrispondenza della superficie del catalizzatore che fa

ridurre l’energia necessaria per ossidare il metano permettendo così

l’ossidazione a basse temperature. Il componente attivo del catalizzatore può

essere il platino, palladio o cobalto. [14]

Il trattamento dell’off – gas con contenuto di metano inferiore del 3% è sempre

più difficile in quanto non viene fornita energia sufficiente durante la

combustione di questo gas ed è necessario aggiungere biogas grezzo o

biometano al fine di raggiungere una ossidazione stabile. Questo è il motivo per

cui non ha senso scegliere una tecnologia di upgrading con maggiore recupero

possibile di metano perché bisogna sempre fare i conti con il gas di scarico.

Soltanto pochissime tecnologie di upgrading con recuperi estremamente elevati

di metano forniscono un gas di scarico che può essere immesso direttamente in

atmosfera. [10] 32

Capitolo 3: Conclusioni

3.1 Confronto tra diverse tecnologie di upgrading del biogas

Le tecnologie più diffuse per l’upgrading del biogas sono l’adsorbimento a

pressioni oscillanti (PSA), l’absorbimento tramite lavaggio con acqua

pressurizzata, l’absorbimento tramite lavaggio con solventi organici e

absorbimento chimico con ammine. [14]

L’utilizzo della separazione criogenica, invece, è molto recente ed è ancora in

fase di sviluppo.

È difficile effettuare un paragone universalmente valido tra le diverse

tecnologie di upgrading del biogas, poiché molti parametri essenziali

dipendono fortemente dal contesto locale. Inoltre, le capacità di una certa

tecnologia, ad esempio per quanto riguarda la qualità ottenibile del biometano,

spesso non corrispondono con l’operazione più economica. Lo sviluppo tecnico

della maggior parte dei metodi di upgrading del biogas al giorno d’oggi è in

generale sufficiente a soddisfare tutte le esigenze di un potenziale gestore

dell’impianto. Si tratta solo di trovare un impianto che fornisca l’operazione più

economica per la produzione di biometano. Come risultato, si raccomanda di

eseguire una dettagliata analisi dei costi specifici attesi e di tenere conto di tutte

le tecnologie possibili di upgrading. Come strumento di guida per adempiere a

questi compiti è stato sviluppato nel corso del progetto Europeo “Bio – methane

regions” il BiomethaneCalculator [10] che viene aggiornato ogni anno. Questo

strumento contiene tutti gli step rilevanti e le tecnologie di upgrading, e

consente una stima attendibile dei costi specifici attesi per la produzione di

biometano. 33

Possiamo rappresentare i più importanti parametri delle varie tecnologie di

upgrading del biogas descritta nella Tabella 3. 1 [10]. I valori di alcuni

parametri rappresentano valori medi di impianti di upgrading realizzati o dati

ripresi dalla letteratura. Per la maggior parte dei parametri si indica un

intervallo dove il primo numero rappresenta il layout dell’impianto più

semplice cioè quello “economico” e con basso recupero di metano mentre l’altro

numero corrisponde ad un layout di impianto con alto recupero. [10]

Tabella 3. 1: Confronto tra le diverse tecnologie [10]

Scrubbing con Scrubbing Tecnologia

Scrubbing ad

Parametro solventi con PSA a

acqua organici ammine membrana

Contenuto 

tipico di 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0

99,0

metano [vol%]

Recupero di 98,0 96,0 99,96 98 80 – 99,5

metano [%]

Tipica

pressione di 4-8 4-8 0 4-7 4-7

consegna

[bar]

Richiesta

energia

elettrica 0,46 0,49 – 0,67 0,27 0,46 0,25 – 0,43

3

[kWhel/m

biomethane]

Domanda di Alto

calore e livello Medio

- 120 – 160 - -

di 70 – 80 °C °C

temperatura

Necessità di Dipende dal

desolforazion si si si si

processo

e

Necessità di Solvente Soluzione Carboni

materiali di organico amminica attivi

consumo

Numeri di

impianti di alto basso medio alto basso

riferimento

Tipici costi di

investimento

3

[€ / (m /h) di

biometano] 34

3

Per 100 m /h 14,0 13,8 14,4 12,8 10,8 – 15,8

3

Per 250 m /h 10,3 10,2 12,0 10,1 7,7 – 11,6

3

Per 500 m /h 9,1 9,0 11,2 9,2 6,5 - 10,1

Quando si confrontano le tecnologie di upgrading, per quanto riguarda la

purezza del gas prodotto, il parametro rilevante è la maggiore possibilità di

eliminare l’anidride carbonica e produrre un gas con elevato contenuto di

metano. Un gas adatto per essere utilizzato come carburante per i veicoli, infatti

deve avere almeno una concentrazione di metano del 97%. Elevati requisiti di

purezza fanno però aumentare i costi e la domanda di energia e producono

maggiori perdite. [11]

Per quanto riguarda, invece, la domanda di energia varia a seconda delle

tecnologie utilizzate. Nella Figura 3. 1 [11] la domanda di energia per ogni

tecnologia viene mostrata tramite una media ponderata ed un intervallo

ricordando comunque che il gas prodotto dalle varie tecnologie è a pressioni

diverse.

Per gli scrubber ad acqua, la domanda di energia è di circa 0,3 kWh/Nm di

3

biogas grezzo per piccole unità (400 Nm /h) ma diminuisce fino a circa 0,2

3

kWh/Nm per grandi unità (2000 Nm /h). Tali sistemi inoltre hanno anche

3 3

grandi variazioni stagionali di domanda di energia elettrica a causa di

raffreddamenti significativamente superiori durante l’estate.

Per le tecnologie PSA, la domanda di energia varia tra i 0,2 e 0,3 kWh/Nm dove

3

per le unità più grandi è molto vicino al limite inferiore. Questo vale anche per

tecnologie che utilizzano le membrane, ma per esse tale domanda dipende

anche dalla configurazione della membrana stessa poiché maggiori esigenze di

purezza del metano richiedono maggiore ricircolo che fa si che aumenta la

domanda di energia elettrica.

Gli scrubber ad ammine hanno una domanda di energia elettrica

significativamente bassa, circa 0.12 – 0.14 kWh/Nm a seconda delle dimensioni

3 35

dell’impianto, ma tali tecnologie hanno anche un fabbisogno di calore esterno

di circa 0,55 kWh/Nm necessario per rigenerare le ammine che hanno appena

3

reagito con l’anidride carbonica. [11]

Figura 3. 1: Domanda di energia delle varie tecnologie di upgrading [11]

Tuttavia, è importante ricordare che la scelta della migliore tecnologi