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2019-12-14 10:04

La Miniera del Biogas

PRODUZIONE DI BIOGAS E BIOMETANO

di: 
Vito Iaboni

Dalla digestione anaerobica dei rifiuti organici si genera un biogas costituito principalmente da metano e anidride carbonica. Dal processo denominato “upgrading” è possibile ottenere dal biogas il biometano avente le stesse caratteristiche chimico-fisiche del metano. Il biometano è utilizzabile in vari settori energetici con sviluppi ambientali vantaggiosi nell’ambito dell’economia circolare. Il potenziale di produzione del biometano stimato dal CIB (Consorzio Italiano Biogas) al 2030 è di 8 miliardi di Sm3 (Standard metri cubi).

Aspetti normativi

L'incentivazione del biometano in attuazione del D.lgs. 28/2011 è stata disciplinata dal DM 5 dicembre 2013, in vigore fino alla fine del 2018, che completava il quadro normativo-regolamentare in tema di promozione dell’energia da fonti rinnovabili derivante dal recepimento della direttiva 2009/28/CE.

Successivamente, il DM 2 marzo 2018 sulla promozione dell'uso del biometano e degli altri biocarburanti avanzati nel settore dei trasporti rivede e aggiorna il DM 5 dicembre 2013.

Il DM individua e stabilisce le modalità per l’erogazione di incentivi per la produzione e distribuzione di biocarburanti avanzati e in particolare di biometano ricavato da rifiuti (FORSU, fanghi di depurazione, discariche, ecc.).

Il DM definisce biometano avanzato il biometano ottenuto a partire dalle materie elencate nella parte A dell’allegato 3 del decreto del Ministro dello sviluppo economico 10 ottobre 2014 e successive modifiche.

Tali disposizioni si applicano alle produzioni di biometano avanzato realizzate da impianti che entrano in esercizio entro il 31 dicembre 2022 per un periodo massimo di 10 anni dalla data di decorrenza dell’incentivo. Successivamente a tale periodo, il produttore accede alle disposizioni previste all’articolo 5 del DM relativo alla incentivazione del biometano non avanzato (mercato dei CIC, Certificati Immissione in Consumo biocarburanti).

Nel caso in cui il biometano sia prodotto da impianti a biogas esistenti che successivamente alla data di entrata in vigore del decreto siano totalmente o parzialmente riconvertiti alla produzione di biometano, le disposizioni sin qui illustrate vengono applicate in misura pari al 100% dei CIC spettanti agli analoghi nuovi impianti.

 

La digestione anaerobica

La digestione anaerobica (DA) dei rifiuti organici, è un processo di conversione biochimica che, in assenza di ossigeno ad opera di differenti gruppi di batteri, produce una miscela gassosa di biogas: metano, anidride carbonica, idrogeno molecolare e altri gas in traccia.

Il processo (figura 1) avviene attraverso tre fasi (Vismara) (1), le prime due sono di preparazione e nella terza si ha produzione di biogas.

  • Prima fase - I batteri idrolitici “spezzano” i composti organici complessi (carboidrati, grassi e proteine) in sostanze più semplici (fase d’idrolisi).
  • Seconda fase - Attraverso il processo di acetogenesi (fase di fermentazione) le sostanze sono trasformate in acidi organici e successivamente in acetato (COOH-CH3).

Terza fase - I batteri metanigeni (metanogenesi) trasformano i prodotti formatisi nella seconda fase in biogas, costituito principalmente da metano (CH4), anidride carbonica (CO2) e in minima parte in altre sostanze.

Figura 1 – Schema di principio del processo di digestione anaerobica

Elaborazione su fonte Vismara (1)

Prima dell’utilizzo ai fini energetici, il biogas prodotto viene sottoposto ad opportuni processi di purificazione (separazione azoto, ossigeno, ammoniaca, idrogeno solforato, ecc.) e, con la tecnica dell’upgrading con rimozione della CO2, si ha la produzione di biometano (figura 2).

Figura 2 – Schema a blocchi delle fasi purificazione biogas e produzione del biometano

Elaborazione su fonti varie

 

La purificazione del biogas

In estrema sintesi, i principali trattamenti di purificazione del biogas sono i seguenti:

  • Rimozione dell’idrogeno solforato (H2S) (tabella 1).
  • Rimozione dei gas in traccia (tabella 2).
  • Rimozione del particolato (tabella 3).

 

Processo di rimozione Descrizione del processo

Fissazione biologica

Consiste nell’ossidazione dello zolfo attraverso specifici batteri (Thiobacillus), il processo può essere condotto nei serbatoi di stoccaggio del biogas oppure nelle torri di lavaggio. Tali microrganismi sono autotrofi ovvero in grado di utilizzare la CO2, durante il processo in relazione alla concentrazione dell’H2S, viene introdotto ossigeno, in quantità stechiometrica e sufficiente allo sviluppo dei batteri responsabili della fissazione aerobia. La concentrazione dell’H2S viene così ridotta da 3.000 – 5.000 ppm fino a 50-100 ppm.

Dosaggio del cloruro di ferro

Con l’aggiunta di cloruro di ferro (FeCl2) nel digestore si ha la diminuzione della concentrazione dell’H2S fino a valori di 100 - 150 ppm e la formazione di solfuro di ferro (FeS).

Lavaggio ad acqua

La rimozione dell’H2S avviene investendo il biogas con un flusso di acqua in controcorrente. Nella conduzione del processo, è necessario usare accorgimenti per evitare lo sporcamento delle tubazioni e del materiale di riempimento. La concentrazione dell’H2S all’uscita delle colonne di separazione della CO2 è in genere inferiore a 1 ppm.

Carboni attivi impregnati

Il carbone attivo impregnato con ioduro di potassio (KI) o acido solforico (H2SO4) sono impiegati per convertire cataliticamente l’H2S in zolfo elementare e acqua. Come per la fissazione biologica l’ossigeno può essere aggiunto e il carbone attivo può essere rigenerato.

Idrossido/Ossido di ferro

L’H2S reagendo con l’idrossido di ferro Fe(OH) o con l’ossido di ferro (FeO) forma il solfuro di ferro (FeS) e dalla sua ossidazione viene generato zolfo elementare.
I materiali agenti impregnati con ossido/idrossido di ferro possono essere lana d’acciaio, legno cippato o pellets di fanghi rossi (derivanti dalla produzione d’alluminio).

Idrossido di sodio

Il biogas è fatto gorgogliare in una soluzione di idrossido di sodio (NaOH), questa tecnica ha una capacità di assorbimento, maggiore di quella con il lavaggio con acqua. La rigenerazione non è possibile e l’acqua contaminata deve essere smaltita. L’NaOH  reagendo con la CO2 genera carbonato di sodio (Na2CO3), per tale ragione la soluzione una volta esaurita deve essere rinnovata.

Elaborazione su fonti varie 

Tabella 2 – Processi di rimozione dei gas in traccia

Processo di rimozione

Descrizione del processo

Vapore acqua – Tra i più importanti si citano i seguenti: di rimozioni

Il trattamento di deumidificazione è necessario in quanto l’umidità, di cui il biogas è saturo, può provocare malfunzionamenti alle apparecchiature.

  • Refrigerazione

Il gas, tramite un gruppo frigorifero, è raffreddato in uno scambiatore di calore fino al punto di rugiada, portando l’umidità in esso contenuta a condensazione.

  • Utilizzo di glicole o sali igroscopici

Tali composti sono utilizzati per l’assorbimento del vapore acqueo, inoltre possono essere recuperati mediante essiccazione a temperature elevate.

  • L’adsorbimento

È un metodo utilizzato per il raggiungimento di punti di rugiada molto bassi -40°C e pressione inferiore a 4 bar.

Ammoniaca

L’ammoniaca (NH3) è generata dalla reazione di acidogenesi nel digestore e si ritrova nel biogas in concentrazioni generalmente inferiori alle 100 ppm. In concentrazioni elevate è dannosa, i motori a gas possono accettare un massimo di 100 mg/Sm3. Può essere rimossa con le tecnologie di lavaggio ad acqua attraverso un desorbimento in una colonna di strippaggio. Il gas arricchito di ammoniaca fluisce in una colonna di lavaggio e viene absorbita con una soluzione acquosa di solfato di calcio (CaSO4) formando solfato di ammonio (NH4)2SO4 e calcare.

Silossani

Sono composti organici volatili contenenti silicio e ossigeno, sono abrasivi pertanto riducono la vita dei motori a combustione interna. Durante la combustione si formano depositi cristallini di silicio che durante l’esercizio alterano le proprietà dell’olio lubrificante. La loro rimozione può avvenire tramite l’utilizzo di carboni attivi e l’assorbimento con una miscela liquida d’idrocarburi.

Ossigeno e azoto

A basse concentrazioni l’ossigeno non crea problemi, ma in concentrazioni comprese tra il 6% e il 12% può diventare un agente esplosivo. L’ossigeno e l’azoto possono essere eliminati parzialmente con metodi di separazione a membrana e/o con il processo PSA (Pressure Swing Adsorption).

Idrocarburi alogenati

Nel biogas si manifestano sotto forma di molecole contenenti cloro o fluoro (tetracloruro di carbonio, clorobenzene, cloroformio, trifluorometano). Sono presenti nel biogas di discarica e in piccole quantità dal trattamento delle acque reflue e dei rifiuti organici. Sono corrosivi e la combustione di questi composti può portare alla formazione di diossine e furani; solitamente per la loro rimozione è utilizzato il carbone attivo.

Elaborazione su fonti varie

Tabella 3 – Processi di rimozione del particolato

Processo di rimozione Descrizione del processo

Particolato

Possono essere presenti nel biogas, polveri e particelle di olio (provenienti dai compressori). Una prima grossolana filtrazione è effettuata con cicloni, filtri in ghiaia o a sabbia. A questa seguono stadi successivi di filtrazione finalizzati a rimuovere anche le particelle più piccole.

Elaborazione su fonti varie

L’upgrading del biogas

Il biogas prodotto dalla DA, a valle dei processi di purificazione, con la tecnica dell’upgrading (rimozione della CO2), è trasformato in biometano raggiungendo le caratteristiche qualitative del gas naturale (figura 3 e tabella 3) e le caratteristiche chimico-fisiche previste nelle direttive dell'Autorità per l'energia elettrica il gas e il sistema idrico (AEEGSI) (2).

Figura 3 – Schema a blocchi delle fasi purificazione biogas e produzione del biometano

Elaborazione su fonti varie

 

Non essendo a disposizione tecnologie in grado di separare completamente il metano contenuto nel biogas grezzo, la corrente dei gas di scarico, denominata “off gas”, contiene comunque una percentuale di metano dipendente dalla tecnologia di recupero utilizzata.

Le tecnologie disponibili per l’upgrading sono basate su principi chimico/fisici legati alla separazione dei gas: adsorbimento, absorbimento, permeazione, criogenia, ecc. (tabella 4).

Processo di rimozione Descrizione del processo

Particolato

Possono essere presenti nel biogas, polveri e particelle di olio (provenienti dai compressori). Una prima grossolana filtrazione è effettuata con cicloni, filtri in ghiaia o a sabbia. A questa seguono stadi successivi di filtrazione finalizzati a rimuovere anche le particelle più piccole.

Elaborazione su fonti varie

Produzione del biogas

L’European Biogas Association (EBA) nel report annuale del 2018 ha riportato l’analisi dei dati provenienti dalle associazioni nazionali e da report statistici (https://www.europeanbiogas.eu/eba-statistical-report-2018/). Per quanto riguarda l’Italia, il numero degli impianti di produzione biogas censiti è pari a 1.655 unità.

Utilitalia (Federazione delle imprese di acqua, ambiente ed energia) ha presentato, in data 10 aprile 2019, il“Rapporto sul recupero energetico da rifiuti in Italia”  (3) realizzato in collaborazione con l’ISPRA, da cui risulta la seguente situazione:

a) Nel 2017, a livello nazionale, erano operativi 55 impianti di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti urbani di cui:

· 31 di trattamento integrato anaerobico/aerobico;

· 24 di digestione anerobica.

Il biogas prodotto da 46 (dei 55) impianti censiti era pari a circa 258 milioni di Sm3 e soltanto 3 impianti erano dotati della tecnologia di upgrading per la produzione del biometano.

b) Sul fronte della digestione anaerobica dei fanghi di depurazione, nel 2016, erano operativi 87 impianti. Il biogas prodotto, nei soli 58 digestori che misurano la produzione di biogas, era pari a circa 26,2 milioni di Sm3.

 

Produzione del biometano

Secondo le notizie fornite dal Ministero dello Sviluppo Economico (4), negli ultimi tempi è cresciuto l’interesse per l’immissione del biometano direttamente nella rete del gas per essere poi veicolato al consumo (nel 2017 si sono avute le prime immissioni in rete).

La produzione di biometano è passata dai 9 milioni Sm3del 2017 ai 29 milioni Sm3del 2018 (oltre +200%). A fine 2018, gli impianti che erano allacciati alla rete del metano erano 5 e alla stessa data erano in previsione 24 nuovi allacciamenti con un potenziale di produzione che, a fine 2022, potrebbe superare i 400 milioni di Sm3 anno.

Particolarmente interessante è la produzione di biometano da rifiuti organici urbani; tale filiera consente di valorizzare la frazione organica dei rifiuti, consentendo di ottenere una forma di energia rinnovabile e utilizzare la CO2 prodotta dalla depurazione del biogas per usi industriali (a.e. nell’industria alimentare).

Inoltre, secondo le proiezioni del CIB (Consorzio Italiano Biogas) (5)il potenziale di produzione del biometano è pari a 8 miliardi di Sm3 al 2030; in tale contesto, esso riveste un ruolo fondamentale per raggiungere il previsto obiettivo dell’8% per i per i biocarburanti avanzati. Ciò in accordo con gli indirizzi UE per l’economia circolare attraverso l’utilizzo di rifiuti organici per la produzione di biometano e dell’utilizzo del digestato come fertilizzante.

 

Consumi nazionali di metano

Nel 2017, il consumo di metano (MiSE – DGSAIE) [6]è stato pari a 75.184 milioni di Sm3 (tabella 5); nel 2018, tale consumo si è attestato a 72.665 milioni di Sm3 (con una diminuzione del 3,3% rispetto al 2018), così distribuito:

  • 5.448 milioni di Sm3 dalla produzione nazionale
  • 67.666 milioni di Sm3 attraverso l’importazione
  • 655 milioni di Sm3 tra esportazioni e variazione delle scorte

Tabella 5 - Situazione dei flussi del metano in Italia (Milioni di Sm3a 38,1 MJ/Sm3)

Descrizione

-

2018

2017

Produzione nazionale

(a)

5.448

5.536

Importazioni

(b)

67.872

69.650

Esportazioni

(c)

391

273

Variazione delle scorte

(d)

264

-235

Consumo Interno Lordo

(e)=(a)+(b)-(c)-(d)

72.665

75.148

Fonte: Ministero dello Sviluppo EconomicoMiSE - DGSAIE (6)

 

Utilizzo del biometano nei trasporti

Con l’utilizzo del biometano nei trasporti, si hanno importanti impatti positivi sull’ambiente in termini di emissione della CO2.

A tal proposito anche il GSE, nell’attuale contesto energetico, considerate le competenze acquisite e il ruolo istituzionale che oggi riveste, mette a disposizione dei Ministeri di riferimento, la sua “expertise”nel settore della sostenibilità e dell’efficienza energetica; è inoltre coinvolto in numerosi progetti internazionali in materia di energia finanziati dall’Unione Europea.

A questi si aggiungono le organizzazioni intergovernative di settore IEA [1] (7) ed IRENA (8) che costituiscono oggi autorevoli punti di riferimento.

Nella fattispecie, nella figura 4, estratta dal rapporto “IRENA – Biogas for road vehicles, technology brief – 2017”  (8), sono riportati i valori specifici delle emissioni di gas serra (g CO2 eq/km) dei principali carburanti ed energia elettrica utilizzati per l’autotrazione:

  • Combustibili fossili (benzina, gasolio, LPG, gas naturale).
  • Biocombustibili (biometano, etanolo, biodiesel).
  • Energia elettrica (idrogeno da elettrolisi, eolico, processi termici convenzionali).

Figura 4 – Emissioni specifiche di gas serra nel settore dei trasporti


Fonte: IRENA (2017) Biogas for road vehicles, technology brief (8)

 

Dall’esame della figura sopra riportata, si evince che l’utilizzo del biometano può migliorare significativamente gli impatti ambientali delle emissioni derivanti dalla combustione. Infatti, dal confronto tra biometano e combustibili fossili convenzionali, in un autoveicolo alimentato a benzina e gasolio, si registra una consistente riduzione delle emissioni di gas serra, che possono ulteriormente ridotte attraverso le seguenti azioni:

- riutilizzando il digestato come fertilizzante;

-  utilizzare un inibitore dell'azoto nel digestato per rallentarne la produzione di N2O rilasciato durante lo stoccaggio e l’utilizzo come fertilizzante;

- diminuire la distanza tra luogo di produzione delle materie prime e l’impianto di produzione del biometano.

 

NOTE


[1] LInternational Energy Agency (IEA) è un’organizzazione internazionale, istituita a Parigi nel 1974 a seguito della prima crisi petrolifera con il principale obiettivo di garantire la sicurezza degli approvvigionamenti di petrolio dei Paesi OCSE, attraverso la gestione degli stock strategici.

 

Bibliografia

(1) Vismara R. - Depurazione biologica – Teoria e processi - (Hoepli 1998)

(2) AEEGSI (Autorità per l’energia elettrica il gas e il sistema idrico) – Relazione annuale sullo stato dei servizi e sull’attività svolta – 31 marzo 2017 – Sito web https://www.autorita.energia.it/allegati/relaz_ann/17/RAVolumeI_2017.pdf

(3) Utilitalia – ISPRA - Rapporto sul recupero energetico da rifiuti in Italia – 10 aprile 2019

(4) La situazione energetica nazionale energetica nazionale nel 2018 – A cura del Ministero dello Sviluppo Economico – Direzione generale per la sicurezza dell’approvvigionamento e le infrastrutture energetiche – Giugno 2019 – Sito web https://dgsaie.mise.gov.it/pub/sen/relazione_annuale_situazione_energetica_nazionale_dati_2018.pdf

(5) CIB, Confagricoltura, ENI, FPT Industrial, IVECO, New Holland e SNAM: Accordo per lo sviluppo del biometano nel settore dei trasporti in Italia – a cura del CIB (Consorzio Italiano Biogas). Roma, 18 aprile 2019 -  Sito web https://www.snam.it/it/sostenibilita/news_e_strumenti/news_della_sostenibilita/Accordo_biometano.html

(6) Ministero dello Sviluppo Economico – Direzione generale per la sicurezza dell’approvvigionamento e le infrastrutture energetiche – Raccolta dei dati sulle importazioni, sui consumi (regionali e provinciali) e sul bilancio del gas naturale - Sito Web https://dgsaie.mise.gov.it/gas_naturale_bilancio.php

(7) International Energy Agency, IEA – Sito web https://www.iea.org/

(8) IRENA - Biogas for road vehicles, technology brief - 2017 – Sito web http://www.irena.org/publications/2017/Mar/Biogas-for-road-vehicles-Technology-brief