Lavaggio ad acqua nell'upgrading del biogas: principio di funzionamento e bilancio idrico

Il lavaggio ad acqua (water scrubbing) è un processo di assorbimento fisico della CO₂ in acqua, condotto in una colonna a una pressione compresa tra 5 e 10 bar. La solubilità della CO₂ in acqua è notevolmente superiore a quella del metano (circa 25 volte maggiore a temperatura ambiente), pertanto l'acqua assorbe principalmente la CO₂, mentre il metano esce dalla colonna come biometano. Successivamente, l'acqua viene rigenerata in una colonna di desorbimento e reimmessa nel circuito. Il metodo è concettualmente semplice, resistente alle impurità e ampiamente utilizzato in impianti di grandi dimensioni.

Schema dell'impianto

1. Compressione – il biogas viene compresso a diverse decine di bar e raffreddato.
2. Colonna di assorbimento – il biogas fluisce dal basso verso l'alto, mentre l'acqua scorre in controcorrente. Il riempimento aumenta la superficie di contatto. In uscita dalla sommità si ottiene biometano saturo di umidità.
3. Serbatoio flash – l'acqua satura di CO₂ viene inviata a un serbatoio a pressione ridotta. Si libera un gas ricco di metano disciolto, che viene reimmesso prima del compressore, limitando le perdite.
4. Colonna di desorbimento (stripping) – l'acqua incontra l'aria in controcorrente. L'aria rimuove la CO₂ (e parte dell'H₂S), mentre l'acqua depurata torna all'assorbimento, solitamente dopo raffreddamento.
5. Essiccazione del biometano – il gas dopo il lavaggio è umido, quindi richiede essiccazione prima dell'immissione in rete.

Bilancio idrico e temperatura

L'acqua circola in un circuito chiuso, ma una parte viene persa per evaporazione e spurgo, quindi è necessario reintegrarla. Il fabbisogno di acqua di reintegro è modesto rispetto al volume circolante, ma assume rilevanza in aree con disponibilità idrica limitata. La temperatura è un fattore critico: più l'acqua è fredda, maggiore è la solubilità della CO₂, pertanto il raffreddamento influisce sull'efficienza e sul consumo energetico.

Acido solfidrico e impurità

Il lavaggio ad acqua rimuove parzialmente l'H₂S, che si dissolve anch'esso in acqua, ma durante lo stripping viene espulso nell'off-gas. Ciò provoca corrosione e problemi di odore, quindi in pratica si applica un pretrattamento di desolforazione. L'acqua in circolo favorisce la proliferazione di microrganismi, che può portare all'intasamento del riempimento, riduzione delle prestazioni e necessità di lavaggi o dosaggio di biocidi.

Perdite di metano e off-gas

Le perdite di metano nei moderni sistemi di lavaggio ad acqua si attestano generalmente tra lo 0,5 e l'1,5%. L'off-gas proveniente dallo stripper è costituito da aria con CO₂, tracce di CH₄ e H₂S, che deve essere trattato o bruciato per rispettare i limiti emissivi e olfattivi. Un'eccessiva riduzione delle perdite di metano aumenta il consumo energetico (maggiore ricircolo, flash più intenso).

Energia

Il fabbisogno di energia elettrica è simile a quello delle membrane e del PSA, nell'ordine di 0,2–0,3 kWh/m³ di biogas. I principali consumatori sono il compressore, le pompe di circolazione e il ventilatore di stripping. Non è richiesto calore di processo.

Vantaggi e limitazioni

Vantaggi: assenza di prodotti chimici, elevata resistenza alla variabilità della composizione del biogas, possibilità di rimozione parziale dell'H₂S, funzionamento stabile in un ampio intervallo di carichi, bassi requisiti di purezza del gas in ingresso.

Limitazioni: ingombro elevato delle colonne, necessità di acqua e raffreddamento, perdite di metano leggermente superiori rispetto al lavaggio con ammine, problemi biologici nel circuito, emissioni dall'off-gas, minore convenienza per piccole scale.

Esempio illustrativo

Ipotesi: 800 m³/h di biogas, 53% CH₄ (424 m³/h CH₄), 8000 h/anno. Con una perdita dell'1,0%, si ha una diminuzione di 424 × 0,01 × 8000 ≈ 33.900 m³/anno (circa 340 MWh). Se un migliore ricircolo riducesse la perdita allo 0,3%, la diminuzione scenderebbe a circa 10.000 m³/anno. Il valore della perdita evitata, ipotizzando un prezzo di 200 zł/MWh, ammonta a circa 47.000 zł all'anno – un dato utile per negoziare le garanzie.

Quando il lavaggio ad acqua è conveniente

• Quando la scala è grande (da alcune centinaia a diverse migliaia di m³/h di biogas).
• Quando il biogas ha una composizione variabile o contiene H₂S, rendendo necessaria una tecnologia tollerante.
• Quando sono disponibili acqua e spazio per le colonne, ma manca calore economico per il lavaggio con ammine.

Gestione del circuito idrico

I problemi operativi più comuni includono biofilm e depositi nel riempimento delle colonne, schiuma e incrostazioni di calcare in caso di acqua di reintegro dura. Per prevenirli, si adottano trattamenti dell'acqua, lavaggi periodici e controllo della qualità del circuito (pH, conducibilità, contenuto di solidi sospesi). È inoltre importante verificare che il raffreddamento del circuito sia dimensionato per l'estate, poiché un aumento di alcuni gradi della temperatura dell'acqua peggiora la solubilità della CO₂ e aumenta il consumo energetico. In inverno, il rischio è il congelamento delle linee ausiliarie. Gli scarichi derivanti dallo spurgo sono generalmente smaltiti secondo l'autorizzazione idrica, pertanto la loro quantità e composizione devono essere concordate in fase di progettazione, non dopo l'avvio dell'impianto.

Conclusioni

Il lavaggio ad acqua è una tecnologia semplice e resistente, in cui la principale sfida consiste nella gestione dell'acqua e dell'off-gas. In fase di progettazione, è opportuno prevedere fin dall'inizio la combustione o il recupero del metano dall'off-gas.