Metanazione e power-to-gas con CO₂ biogenica: metodo catalitico e biologico

La metanazione (power-to-methane) è il processo in cui l'idrogeno da elettrolisi si combina con l'anidride carbonica formando metano: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O. In un impianto di biometano la fonte naturale di CO₂ è il flusso di scarto dell'upgrading del biogas, quindi anziché rilasciarla nell'atmosfera si può utilizzarla per produrre metano aggiuntivo. Il processo può avvenire per via catalitica (metodo Sabatier) oppure biologica con la partecipazione di archei. Il rendimento energetico complessivo dall'elettricità al metano è orientativamente compreso tra circa 45 e 55%, perché le perdite maggiori si verificano nell'elettrolisi.

Metodo catalitico (Sabatier)

La reazione è esotermica (ΔH ≈ −165 kJ/mol CH₄), condotta di norma a una temperatura di circa 250–400°C, a una pressione da quella atmosferica a una quindicina di bar, su un catalizzatore al nichel. Vantaggi: alta velocità, compattezza, possibilità di sfruttare il calore di reazione. Svantaggi: sensibilità del catalizzatore allo zolfo, necessità di depurare la CO₂, controllo più complesso con alimentazione variabile di idrogeno (ad es. da fonti rinnovabili).

Metodo biologico

Gli archei metanigeni (ad es. Methanothermobacter) trasformano H₂ e CO₂ in CH₄ a una temperatura di circa 55–65°C in un reattore con liquido o nel digestore. Vantaggi: tolleranza alle impurità (compreso l'acido solfidrico), flessibilità con afflusso variabile di idrogeno, pressioni più basse. Svantaggi: limiti al trasferimento di massa del gas nel liquido, maggiori volumi dei reattori, temperature più basse del calore di scarto.

Bilancio di massa ed energia

Per 1 m³ di CH₄ servono 1 m³ di CO₂ e 4 m³ di H₂. L'idrogeno ha un potere calorifico di circa 3,0 kWh/m³ (0,0899 kg/m³ × 33,3 kWh/kg), quindi 4 m³ di H₂ valgono circa 12 kWh. Da 1 m³ di CH₄ si ottengono circa 9,97 kWh. Il rendimento della sola metanazione (energia del metano / energia dell'idrogeno) è quindi di circa 83%, e il resto è calore di reazione. L'elettrolisi consuma circa 52 kWh/kg di H₂: per 0,36 kg di H₂ (4 m³) sono circa 18,7 kWh di energia elettrica. Rendimento dall'elettricità al metano: 9,97/18,7 ≈ 53%, senza considerare l'energia per la compressione e i dispositivi ausiliari. Il calore della reazione e dell'elettrolisi, se utilizzato, aumenta il rendimento complessivo.

Esempio: impianto di biometano con metanazione

Ipotesi: l'impianto di biometano tratta 500 m³/h di biogas con 55% di CH₄ e 45% di CO₂. L'off-gas contiene circa 225 m³/h di CO₂. Con l'utilizzo completo della CO₂ e idrogeno aggiuntivo è possibile produrre 225 m³/h di CH₄ in più, cioè praticamente raddoppiare la produzione (275 + 225 = 500 m³/h di CH₄). Ciò richiede 900 m³/h di idrogeno e circa 4,2 MW di potenza di elettrolisi (900 m³/h × 0,0899 kg/m³ ≈ 81 kg/h × 52 kWh/kg ≈ 4,2 MW). Con un prezzo dell'elettricità di 400 PLN/MWh il costo dell'energia per m³ di CH₄ è di circa 18,7 kWh × 0,4 PLN/kWh ≈ 7,5 PLN/m³ – diverse volte più del costo del biometano da digestione. Ciò illustra perché la metanazione richiede elettricità molto economica o un valore aggiunto (ad es. accumulo delle eccedenze di fonti rinnovabili, requisito RFNBO).

Applicazioni

1. Accumulo di energia: eccedenze di elettricità trasformate in metano nella rete del gas.
2. E-metano come carburante rinnovabile (RFNBO), se l'elettricità soddisfa i requisiti.
3. Aumento della produzione di biometano nell'impianto di biogas grazie all'impiego della CO₂.
4. Decarbonizzazione dell'industria, in cui l'idrogeno è più difficile da impiegare del metano.

Impianti dimostrativi

A Werlte, in Germania, Audi ha avviato nel 2013 un impianto e-gas di potenza elettrica di circa 6 MW, che utilizza la CO₂ di un impianto di biogas. Ad Avedøre, in Danimarca, opera l'impianto BioCat con metanazione biologica di potenza dell'ordine di 1 MW. Sono progetti pilota e dimostrativi; la scala commerciale resta limitata dai costi.

Condizioni normative

Affinché l'e-metano sia riconosciuto come RFNBO, l'elettricità per l'elettrolisi deve soddisfare i requisiti di addizionalità, correlazione temporale e geografica; la CO₂ dovrebbe provenire da fonti ammesse dalle norme (comprese quelle biogeniche). Le norme prevedono periodi transitori e regole di dettaglio, da leggere negli atti aggiornati. Quando l'elettricità proviene dal biogas, lo status può essere diverso.

Sintesi

La metanazione permette di valorizzare la CO₂ degli impianti di biogas e di collegare i settori dell'elettricità e del gas, ma l'economia dipende dal prezzo dell'energia elettrica e dai requisiti normativi. Nei prossimi anni è una tecnologia dimostrativa e di nicchia.