Upgrading del biogas: membrane, PSA, lavaggio ad acqua e ammine — confronto

Le quattro tecnologie più comuni per l’upgrading del biogas a biometano sono le membrane, l’adsorbimento a pressione variabile (PSA), il lavaggio ad acqua e il lavaggio con ammine. Tutte separano il CO₂ dal metano, ma differiscono per meccanismo, tipo di energia consumata, perdite di metano e caratteristiche del CO₂ in uscita. Il confronto seguente ha carattere qualitativo: i parametri specifici sono forniti dalle offerte e dagli studi relativi a ciascun sistema.

Principi di funzionamento

Membrane. Moduli con fibre o fogli selettivi, attraverso i quali il CO₂ (insieme al vapore acqueo e parte di altri gas) permea più rapidamente del CH₄. La separazione avviene sotto pressione, solitamente in più stadi con ricircolo del flusso. Descrizione nel testo Upgrading a membrane].

PSA (adsorbimento a pressione variabile). Il letto di adsorbente (ad es. carbone attivo o setacci molecolari) trattiene selettivamente il CO₂ sotto pressione, mentre la rigenerazione avviene tramite riduzione della pressione. Funzionamento ciclico in più colonne. Descrizione: PSA nell’upgrading].

Lavaggio ad acqua. Il biogas sotto pressione viene a contatto con l’acqua in una colonna; il CO₂ si dissolve in acqua molto meglio del CH₄. L’acqua viene rigenerata tramite riduzione della pressione e insufflazione di aria. Descrizione: Lavaggio ad acqua].

Lavaggio con ammine. Il CO₂ si lega chimicamente a una soluzione di ammine nell’assorbitore. Il solvente viene rigenerato tramite riscaldamento nel desorbitore, che richiede calore, e il CO₂ in uscita risulta relativamente puro. Descrizione: Lavaggio con ammine].

Confronto

Le perdite di metano sono un parametro chiave: oltre alla perdita di materia prima, comportano emissioni di gas serra o la necessità di post-combustione. L’entità del fenomeno è descritta nel testo Slittamento del metano nell’upgrading].

Energia

Le tecnologie a pressione (membrane, PSA, lavaggio ad acqua) consumano principalmente energia elettrica per la compressione, e il loro consumo dipende dalla configurazione. Le ammine richiedono calore, quindi risultano più convenienti quando è disponibile calore a bassa temperatura a basso costo, ad esempio calore di scarto. Il bilancio del consumo energetico è trattato nel testo Consumo energetico nell’upgrading]; per un confronto corretto, occorre considerare il consumo complessivo di energia elettrica e termica, tenendo conto del valore di ciascuna.

Criteri di scelta

1. Disponibilità di calore. Il calore di scarto favorisce le ammine; la sua assenza aumenta l’importanza delle tecnologie elettriche.
2. Scala. Le membrane modulari si adattano bene a impianti di piccola scala; i sistemi di lavaggio e le installazioni con ammine risultano più efficienti con portate maggiori.
3. Requisiti per il CO₂. Se il CO₂ deve essere valorizzato (ghiaccio secco, alimentare, serre), contano la sua purezza e quantità, non solo la qualità del biometano; cfr. CO₂ biogenico dagli impianti di biometano].
4. Perdite di metano e post-combustione. Requisiti ambientali ed economia delle perdite.
5. Condizioni locali. Disponibilità di acqua, spazio, rumore, pressione nella rete di destinazione.
6. Requisiti del gas pretrattato. Cfr. Pretrattamento del biogas].
7. Garanzie e assistenza. Perdite garantite, consumo energetico, disponibilità e accesso all’assistenza.

Un approccio complessivo per il confronto è proposto nel testo Come scegliere la tecnologia di upgrading: matrice decisionale], mentre una panoramica delle cinque tecnologie è disponibile nell’articolo Tecnologie di upgrading: confronto tra cinque metodi].

Cosa evitare

• Confrontare offerte senza ipotesi uniformate (composizione del gas, pressione, qualità del prodotto, perdite).
• Trascurare il costo del calore o il suo valore alternativo.
• Valutare esclusivamente in base agli investimenti iniziali, senza considerare i costi di esercizio, la sostituzione dei materiali e le perdite di metano.
• Presupporre che tutte le tecnologie forniscano lo stesso CO₂ in uscita.

Come leggere le offerte

Ogni fornitore indica perdite di metano, consumo energetico e qualità del prodotto in base a ipotesi specifiche (composizione e pressione del gas grezzo, temperatura, composizione richiesta del prodotto). Per un confronto significativo, è necessario confrontare le offerte con le stesse ipotesi e verificare quali parametri sono garantiti e quali solo previsti. Domande di controllo: cosa comprende l’ambito di fornitura (pretrattamento, compressori, raffreddamento, post-combustore del gas di scarto)? Quali sono le condizioni di garanzia per le perdite di metano? Cosa succede in caso di riduzione del carico? Qual è l’ambito dell’assistenza e la disponibilità dei ricambi? Quali sono i costi di sostituzione degli elementi soggetti a usura (membrane, adsorbente, solvente)?

Conclusioni pratiche

• In presenza di calore di scarto disponibile e a basso costo, la tecnologia a base di ammine può risultare vantaggiosa, soprattutto quando sono importanti basse perdite di metano o CO₂ puro.
• Per impianti di piccola scala e quando è richiesta semplicità di gestione, spesso si considerano le membrane.
• Il lavaggio ad acqua e il PSA hanno una lunga storia di applicazione e condizioni di esercizio ben note.
• La scelta finale è opportuno che sia preceduta da un’analisi dei costi del ciclo di vita complessivo, che includa energia, assistenza, perdite di metano e valore del CO₂.