Editori Tecnici - Mini Impianti Biogas e Biometano I principali vantaggi G. Mangiamele Enertec Research R&S

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ENERGIE RINNOVABILI -

IMPIANTI BIOGAS E BIOMETANO

DI PICCOLA TAGLIA

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Produzione di energia da biogas e biometano.

Un esempio di applicazione per piccoli

impianti comunali

Piccoli e Mini impianti per la produzione di Biogas e Biometano Stato dell’arte

Il biogas e la produzione di energia

Il biometano e le tecniche di upgrading

Un esempio di applicazione per piccoli

impianti comunali

per ulteriori approfondimenti :

www.enertecbiogas.it

PREMESSA In Italia sono circa 2000 gli impianti di biogas con produzione di energia elettrica rinnovabile. Quasi la metà sono di taglia inferiore ai 300 KW di potenza. Gran parte sono costruiti in aziende zootecniche e agricole dove come materia prima vengono utilizzati i liquami animali e gli scarti agricoli. Ultimamente con il progredire della raccolta differenziata urbana, si sviluppano progetti per la valorizzazione della FORSU (Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani). In Italia, sono diversi gli impianti biogas con matrici provenienti dall’organico

da raccolta differenziata, sono pochi invece gli impianti per la produzione di biometano, a volte sperimentali e di taglia considerevole (superiore ai 500 m3/ora ). Questo perché le tecnologie necessarie, non del tutto mature, sono ancora costose e soprattutto richiedono una considerevole spesa energetica per il processo di compressione. Costi ammortizzabili solo con impianti di grandi dimensioni. Ma come è avvenuto per il biogas dove, da un iniziale boom di grandi impianti, si è passati ad installazioni di piccole dimensioni, anche per una accresciuta sensibilità dei governi verso una microgenerazione sostenibile

IMPIANTI BIOGAS e

BIOMETANO Un Punto sulle Tecnologie esistenti ing. Guerino Mangiamele Enertec Biogas

Ing. Guerino Mangiamele

gmangiamele@enertec.org

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risulta ora necessario sviluppare tecnologie, che non siano un semplice downgrading di soluzioni ad alta capacità, in grado di produrre limitate quantità di biometano a costi adeguati tali da poter esser sfruttati anche a fini aziendali. Negli ultimi anni, direttive europee meno stringenti ed una politica nazionale incentivante spingono verso la trasformazione degli impianti biogas in impianti per la produzione di biometano e verso l’utilizzo di tale metano biologico in sostituzione di fonti fossili. Ci si augura che con il prossimo decreto biometano, vengano ulteriormente incentivate tutte quelle piccole iniziative aziendali per la conversione del biogas in biometano, con capacità fino a 50m3 per ora .

IL BIOGAS

Per biogas si intende un gas combustibile di natura biologica che si forma a seguito della degradazione della sostanza organica in condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno. Il processo biochimico di fermentazione, con conseguente sviluppo di biogas, viene comunemente detto di Digestione Anaerobica. La trasformazione di sostanze organiche complesse in una miscela di gas avviene per effetto di microorganismi che, cibandosi delle matrici organiche, trasformano il carbonio in Metano ed anidride carbonica. I digestori anaerobici sono generalmente costituiti da contenitori coperti con dimensioni più o meno importanti, nei quali vengono inserite, per tempi prolungati, matrici organiche di varia natura quali, per esempio liquami animali, reflui da depurazione cittadina, parte organica dei rifiuti urbani provenienti da raccolta differenziata,

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sottoprodotti ortofrutticoli, siero di latte, prodotti caseari scaduti, scarti di panificazione, sottoprodotti di origine animale, colture agricole, ecc.. Del resto, il petrolio ed il metano che attualmente si estrae al di sotto della superficie terrestre, è il risultato della fermentazione, di tutte le sostanze organiche originate dagli organismi viventi durante il loro ciclo di vita e nel corso di milioni anni. Allo stesso modo del gas estratto dal sottosuolo, il biogas contiene oltre al metano (CH4), anche anidride carbonica (CO2) in quantità rilevanti ed idrogeno solforato (H2S), in percentuali inferiori. Le percentuali di metano prodotte sono significative, vanno dal 50% al 70% nel caso di processi derivanti da Digestione Anaerobica e tra il 40 ed il 50% per il biogas proveniente da discarica. Da notare che contrariamente a quella prodotta dalle fonti fossili, l’anidride carbonica generata dalla digestione anaerobica, ha impatto zero sull’ambiente in quanto pari a quella assorbita, con la fotosintesi, dalle sostanze organiche vegetali durante la loro crescita.

I Principali vantaggi di un impianto Biogas

A partire dal 2006 e, sotto la spinta di incentivi e normative più attente, tanto da far diventare il nostro paese, con quasi 2000 impianti e circa 12.000 posti di lavoro, il secondo produttore europeo, dopo la Germania, gli impianti biogas sono stati costruiti principalmente presso aziende di allevamento con l’obiettivo di trasformare in una risorsa, quello che oggettivamente è un problema: lo smaltimento dei reflui e le emissioni “libere” di metano da parte degli animali.

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Una curiosità: Un bovino produce, per “emissione libera”, circa 150-200 litri di metano al giorno, i reflui in fermentazione stoccati in vasche aperte, emettono invece in atmosfera tra i 200 e i 400 litri di metano per ciascun capo. Il metano, come è ben noto, gas a scarsa attività inquinante se combusto, è uno dei “gas serra” più dannosi se immesso tal quale in atmosfera, per cui la sua emissione viene regolamentata dal protocollo di Kyoto. Basti pensare che il metano in atmosfera non combusto, provoca danni circa 15 volte superiori all’anidride carbonica. E’ quindi doppiamente importante raccoglierlo ed estrarlo, utilizzandolo, a costo zero, per la produzione di energia rinnovabile.

Come è fatto un impianto biogas Un digestore anaerobico, cuore di un impianto biogas è generalmente realizzato su vasconi in cemento armato coperti da teli plastici a tenuta. Dotato di gasometro, svolge così intrinsecamente diverse funzioni: evita l’emissione dei gas serra in atmosfera, produce gas biologico e permette il rispetto delle normative circa lo stoccaggio dei reflui. Nei digestori, dove i liquami vengono introdotti con flusso controllato e dove permangono per almeno 70 giorni, un particolare ceppo di batteri metanigeni, in assenza di ossigeno, dà luogo alla scomposizione della materia organica ed al conseguente sviluppo di biogas (metano al 50-70%, CO2 al 20-35%, H2S 100-4000 ppm, vapore acqueo ed altri gas ) . Il gas biologico prodotto e continuamente estratto dal digestore, viene filtrato ed inviato ai cogeneratori per la produzione sul posto di energia elettrica e termica. Quest’ultima, sotto forma di acqua calda, può essere usata per il teleriscaldamento e per

e per fornire calore al digestore al fine di rendere più efficiente il processo. Se opportunamente filtrato e separato dall’anidride carbonica può essere trasformato in biometano. Il biometano è un combustibile flessibile e facilmente immagazzinabile con caratteristiche pressoché simili al gas naturale e quindi utilizzabile in tutte le apparecchiature e i dispositivi alimentati a metano, con identiche rese energetiche. Può essere immesso nelle reti gas o utilizzato per l’autotrasporto. Il biometano rappresenta un tassello importante del puzzle della transizione energetica dalle fonti fossili a quelle rinnovabili e può bilanciare e ridurre i problemi derivanti dalla non programmabilità del fotovoltaico o dell’eolico.

IL BIOMETANO L’Europa, che negli ultimi anni sembra credere nelle energie rinnovabili, spinge molto sul biometano, gas derivato dai processi di digestione anaerobica, del tutto simile al gas di città comunemente usato, ma di origine totalmente biologica. Una nuova spinta, potrebbe essere rappresentata dalle normative europee che prevedono l’obbligo di utilizzo di biocarburanti (almeno il 9% per l’anno 2020) nei combustibili destinati all’autotrazione. Il sostegno dei Governi Europei alla produzione di biometano, in vista di un lungo percorso sulla transizione energetica e sulla de-carbonizzazione, ha portato allo sviluppo di soluzioni che prevedono un importante ruolo nel mercato dei carburanti per autotrazione nei mezzi pesanti. Il biometano è un giacimento di gas tutto Italiano e potrebbe assicurare un importante contributo a ridurre l’utilizzo di altri biocarburanti, quasi tutti di importazione.

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La possibilità di utilizzare sottoprodotti agricoli, scarti di origine vegetale, rifiuti organici o effluenti zootecnici, che altrimenti finirebbero in discarica o sarebbero comunque gestiti come rifiuti, è un vantaggio in termini ambientali ed economici.

Tenendo conto delle grandi quantità di materia organica che giornalmente si producono in Italia, potremmo, con costi ridotti, riutilizzarla e trasformarla in una risorsa efficace. Da un lato ridurremmo la dipendenza energetica dall’estero, importando meno gas e dall’altro limiteremmo le emissioni in atmosfera e l’inquinamento delle falde. Infatti, il digestato, materiale organico risultante dal processo di digestione anaerobica è ricco di sostanze nutritive e potrebbe essere usato come fertilizzante biologico in sostituzione di concimi chimici.

Si andrebbe a valorizzare così un sottoprodotto nell’ottica dell’economia circolare, sottraendolo alla discarica ed evitando di sostenere i costi di gestione del rifiuto che invece, gli impianti di biogas e di biometano trasformano in risorsa, concime, contribuendo all’abbattimento delle emissioni.

Si stima che in Italia, un utilizzo concreto delle biomasse potrebbe permettere una produzione teorica di 8 miliardi di m3/anno di biogas, pari a circa 5 miliardi di m3/anno di biometano, soprattutto derivanti dalle regioni del centro-sud. Valori consistenti e tali da abbattere anche del 30% l’importazione di gas metano dall’estero, con un risparmio di almeno 1 miliardo di euro l’anno sulla nostra bilancia dei pagamenti.

Purtroppo, oltre alla sindrome di NIMBY (Not in My Back Yard cioè “non nel mio giardino” ) a rallentare la diffusione di questi impianti nel nostro paese, c’è anche una politica e una legislazione nazionale non sempre chiara che incentiva ancora poco la produzione e l’immissione in rete di biogas e biometano.

L’UPGRADING DEL BIOGAS IN BIOMETANO Il biometano lo si ottiene tramite processi di filtrazione del biogas, il cosiddetto upgrading, con l’eliminazione di anidride carbonica e altri gas per renderlo impiegabile nell’ autotrasporto o immesso nelle reti gas cittadine ed utilizzato per riscaldare le nostre case. Il processo di “upgrading”, consiste essenzialmente nella purificazione del biogas da zolfo e da vapore acqueo e nella separazione dell’anidride carbonica. Il gas biometano risultante, meno corrosivo e dal potere energetico superiore rispetto al biogas, potrà così essere utilizzato sul posto per esigenze aziendali, immesso nella rete del gas o, stoccato, anche in forma liquida, per essere impiegato da qualsiasi altro utilizzatore.

LE TECNICHE DI UPGRADING In sintesi, le tecniche di upgrading attualmente adottate sono: Absorbimento Chimico –fisico

Il principio di separazione dell’absorbimento si basa sulla differente solubilità dei vari componentidel gas in una soluzione corrente liquida di lavaggio (scrubbing). Essendo l’anidride carbonica molto più solubile in acqua rispetto al metano, il flusso del liquido di lavaggio che viene fatto scorrere nelle tubazioni porta con sé l’anidride carbonica, lasciando libere grandi quantità di metano

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Le tipologie di separazione della CO2 dal biogas grezzo con liquido di lavaggio possono essere ad absorbimento fisico, mediante l’utilizzo di acqua pressurizzata o di solventi organici o ad absorbimento chimico per mezzo di ammine.

Adsorbimento PSA ( Pressure Swing Adsorber)

La tecnologia sfrutta la capacità di diversi materiali adsorbenti (carboni attivi, setacci molecolari) di ritenere selettivamente le diverse molecole a pressioni differenti. Per esempio, si utilizzano carboni attivi con porosità di 3,7 Å per separare le molecole di metano (dimensioni di 3.8 Å ), da quelle dell’anidride carbonica (dimensioni di 3.4 Å ) . Il gas grezzo viene compresso a circa 7-8 bar in apposite colonne contenenti il materiale adsorbente. Le molecole di CO2, essendo più piccole del setaccio passeranno, quindi verranno adsorbite, mentre quelle di CH4 verranno fermate dal filtro e quindi compresse verso l’uscita della colonna e raccolte. Segue poi una fase di scarico a pressione più bassa ( 2-4 bar) che permette la rigenerazione e la pulizia dall’anidride carbonica, l’azoto e l’ossigeno intrappolato nel materiale adsorbente.

Separazione a membrane

La tecnologia è piuttosto semplice, sfrutta la selettività di una membrana alle diverse molecole. Le membrane, costituite da fasci di fibre cave a base di polimeri o acetato di cellulosa, riescono a separare le molecole di CO2 (permeato) da quelle del metano (retentato) se sottoposte ad un flusso di biogas compresso. Lavorano ad alte pressioni (25-40 bar) o basse pressioni (9 bar), naturalmente più alte sono le pressioni, più marcata sarà la separazione.

I punti deboli di un impianto per la produzione di biogas e

biometano

I vantaggi di un impianto biogas sono molteplici : oltre che produrre energia rinnovabile, permettono una riduzione delle emissioni nocive in atmosfera e un supporto all’agricoltura biologica, una riduzione

I punti deboli di un impianto per la produzione di biogas e

biometano

I vantaggi di un impianto biogas sono molteplici : oltre che produrre energia rinnovabile, permettono una riduzione delle emissioni nocive in atmosfera e un supporto all’agricoltura biologica, una riduzione della dipendenza dall’estero di fonti energetiche e non da ultimo in un aiuto economico concreto agli agricoltori ed agli allevatori tramite il meccanismo delle incentivazioni. Naturalmente ci sono alcune criticità che devono essere risolte o in qualche modo attenuate. Consistono soprattutto, per la produzione di biogas grezzo, nella corretta gestione del digestato, mentre per quel che riguarda il biometano nei costi per la separazione della CO2 dal metano.

Il digestato

Il digestato, cioè la sostanza liquida in uscita dal processo di digestione anaerobica dopo aver estratto il biogas è da annoverare come risorsa, in quanto elemento molto utile, in tutte le attività agricole e zootecniche per la fertirrigazione biologica dei campi in sostituzione dei concimi chimici. Quando poi si tratta di impianti per l’estrazione del biogas, dove la matrice primaria è rappresentata dalla FORSU, sorge il dilemma. Il digestato derivante dalle grandi quantità di umido da raccolta differenziata non può essere sparso nei campi come concime, se non in minima parte, ma deve essere la base per la produzione di compost di qualità, evitando di immetterli in discarica. Ciò comporta che l’umido sia privo di altri materiali, quali plastica o metallo o vetro che inevitabilmente sono presenti nella raccolta quotidiana dell’organico.

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I costi energetici di separazione Come si è accennato, per la produzione di biometano è necessario, praticamente per tutte le tecniche di upgrading, comprimere il biogas, con costi energetici a volte rilevanti. I costi di separazione vanno da circa 0,13 € a circa 0,25€ per ciascun m3 di metano prodotto, Sono esclusi i costi di investimento di impianto. Ulteriori costi dovuti ad un ulteriore stadio di compressione del biometano, potrebbero essere necessari per lo stoccaggio in bombole o in serbatoi per le stazioni di rifornimento. Basti pensare che la pressione delle bombole del gas e la pressione dei distributori stradali di gas sono dell’ordine dei 250 – 300 atmosfere. Impianto Comunale o consortile di piccole dimensioni - Un esempio di dati economici e produttivi Si riporta un esempio relativo ad una simulazione su una cittadina di 30.000 abitanti con valorizzazione dell’Umido e dei reflui civili cittadini. La produzione media di FORSU da raccolta differenziata viene stimata in 120 kg per anno per abitante con una raccolta differenziata al 70% ( 3800 t/anno). La produzione di biogas (226 Sm3/t t.q.) con CH4 al 55% sarebbe di circa 850.000 Smc all’anno. Da cui deriverebbe, a seguito del processo di upgrading, una produzione di biometano con CH4 al 95% di 572.000 Smc. Nel caso si volesse produrre energia rinnovabile da cogenerazione si avrebbero ogni anno, 1,55GWh di energia elettrica e 2,2 GWh di energia termica sotto forma di acqua calda a 70°C, necessari a soddisfare le esigenze di energia elettrica e riscaldamento di quasi 400 famiglie.

Nel contempo, si otterrebbero 365.000 € l’anno, come incentivo per produzione di energia. Nel caso di volesse produrre biometano, si potrebbe fornire gas di città a 550 appartamenti, ottenendo dagli incentivi statali una cifra di 405.000 € l’anno per almeno 10 anni . Circa 50.000 € sarebbero inoltre i ricavi lordi derivati dalla vendita di compost. Gli investimenti iniziali sarebbero di circa 2,5 milioni di euro per l’impianto biogas e circa 1 milione di euro per le attrezzature di upgrading e compostaggio, mentre i costi di smaltimento dell’umido, quantificati in 400.000 € all’anno, verrebbero notevolmente abbattuti .

CONCLUSIONI Mentre gli impianti per la produzione di energia rinnovabile da circa 100KW di potenza installata sono ormai una solida realtà nelle aziende zootecniche, la tecnologia non ancora matura e soprattutto costosa legata alla separazione dell’anidride carbonica non permette ancora il decollo di micro-impianti per la produzione di biometano economicamente sostenibili. Serve quindi un intervento legislativo che permetta di finanziare la costruzione di tali impianti o la riconversione di impianti biogas alla produzione di biometano ed incentivi in grado di rendere economicamente vantaggiosi, incentivando lo sviluppo e la ricerca di soluzioni per la separazione a basso costo. Per le installazioni per il trattamento della FORSU, sarebbe opportuno agevolare la costituzione di Consorzi di piccoli Comuni al fine di raggiungere una taglia minima per una produzione sostenibile di biometano e compost. Ciò anche al fine di evitare il fiorire di “Cattedrali nel deserto” di grandi dimensioni finanziate e gestite da grandi imprese a volte poco trasparenti. Guerino Mangiamele Aggiornato al 24/2/2020

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