Micro-impianti di liquefazione del biometano: tecnologie di raffreddamento e criteri di scelta

I micro-impianti di liquefazione del bioLNG sono installazioni con una capacità che varia da alcune a diverse decine di tonnellate di biometano liquefatto al giorno, che raffreddano il biometano purificato fino a circa −162°C. Operano in uno di tre sistemi: ciclo ad azoto (ciclo Brayton inverso), ciclo con miscela di refrigeranti o ciclo a cascata. La scelta dipende dalla scala, dall'efficienza richiesta, dai costi di investimento e dall'approccio alla sicurezza. Tutti richiedono un gas in ingresso estremamente purificato.

Fasi della liquefazione

1. Purificazione finale: rimozione della CO₂ fino a diverse decine di ppm (la CO₂ congela a basse temperature), dell'acqua al di sotto di 1 ppm, dell'acido solfidrico (H₂S), del mercurio e degli idrocarburi pesanti, se presenti.
2. Preraffreddamento: con acqua o raffreddamento meccanico.
3. Liquefazione: scambiatore criogenico in cui il biometano cede calore al refrigerante freddo.
4. Sottoraffreddamento e espansione: per limitare l'evaporazione durante lo stoccaggio.
5. Stoccaggio: serbatoio isolato sotto vuoto, carico su autocisterne.

Tecnologie

Nelle piccole scale si scelgono più frequentemente i cicli ad azoto o miscele semplificate, poiché contano la semplicità, la sicurezza e i bassi costi di manutenzione. Negli impianti più grandi aumenta l'importanza dell'efficienza e si utilizzano miscele di refrigeranti.

Criteri di scelta

1. Scala. Per piccole produzioni di bioLNG, i costi energetici hanno minore importanza rispetto al CAPEX, quindi conta la semplicità; per produzioni maggiori, l'efficienza diventa più rilevante.
2. Consumo energetico. Valori tipici riportati in letteratura per piccoli impianti di liquefazione si attestano intorno a 0,4–0,8 kWh/kg di bioLNG, a seconda della scala e del ciclo.
3. Sicurezza. Un refrigerante non infiammabile (azoto) facilita l'ottenimento delle autorizzazioni e semplifica le misure di sicurezza.
4. Flessibilità di carico. È preferibile che l'impianto di liquefazione possa operare con una fornitura variabile di biometano.
5. Disponibilità del servizio. È necessario il supporto per turboespansori, compressori e scambiatori di calore.
6. Integrazione con la purificazione. Può essere vantaggiosa la combinazione con la liquefazione della CO₂ (separazione criogenica).
7. Disponibilità operativa. Gli impianti criogenici richiedono controlli regolari e sbrinamento.

Esempio di confronto energetico

Ipotesi: impianto di liquefazione da 10 t/giorno (417 kg/h), 8.000 h/anno. Ciclo ad azoto 0,7 kWh/kg, ciclo con miscela 0,5 kWh/kg (ipotesi illustrative). Consumo annuale: 417 × 8.000 × 0,7 ≈ 2.335 MWh vs 417 × 8.000 × 0,5 ≈ 1.668 MWh. Differenza: circa 667 MWh, che a 600 zł/MWh equivale a circa 400.000 zł all'anno. Se una maggiore efficienza comporta un CAPEX superiore di 2 milioni di zł, il semplice periodo di recupero è di circa 5 anni – questo è un esempio di valutazione da ripetere per offerte reali.

Problemi tipici di esercizio

• congelamento degli scambiatori a causa di impurità (CO₂, acqua),
• perdite per evaporazione e necessità di ricircolo del gas evaporato,
• sottostima del consumo energetico durante le ondate di calore, quando il raffreddamento è meno efficiente,
• avviamenti e fermate, che consumano energia e richiedono tempo per il raffreddamento.

Integrazione con la logistica

Un impianto di liquefazione non è un'isola: deve collaborare con il magazzino, il braccio di carico e la flotta di autocisterne. La sua capacità ha senso se il ritiro è regolare. Pianifichi un buffer di serbatoi corrispondente a diversi giorni di produzione, per non interrompere la liquefazione a causa di ritardi delle autocisterne.

Fabbisogno di utilities

Oltre all'energia elettrica, un micro-impianto di liquefazione necessita di acqua o raffreddamento ad aria (dissipazione del calore di compressione), aria o azoto strumentale, sistema di sfiato e recupero del gas evaporato, nonché alimentazione di emergenza per le misure di sicurezza. Durante le temperature estive, l'efficienza del raffreddamento diminuisce, quindi nei progetti si considerano le condizioni peggiori, non quelle medie annuali. L'alimentazione di emergenza è importante, poiché un'interruzione nel funzionamento del sistema di controllo o di raffreddamento, senza un taglio controllato, può portare a un aumento della pressione nei serbatoi.

Domande da porre al fornitore

Chieda informazioni sul consumo energetico garantito in kWh/kg a temperature estive, sul carico minimo (turndown), sul tempo di avviamento da freddo e a caldo, sulla concentrazione minima richiesta di CO₂ in ingresso, su referenze di impianti di scala simile e sui tempi di consegna dei componenti chiave. Stabilisca anche chi è responsabile del gas evaporato e come viene gestito, poiché senza una soluzione a questa questione si verificano emissioni di metano o perdite di prodotto. È inoltre opportuno valutare il rischio di monopolio del servizio: più la tecnologia è proprietaria, più è importante un contratto di manutenzione con garanzia di tempi di intervento.

Sintesi

La scelta della tecnologia di liquefazione è un compromesso tra efficienza, semplicità e sicurezza. Negli impianti agricoli di piccole dimensioni spesso prevale il ciclo ad azoto, mentre in quelli più grandi si adottano sistemi con miscele di refrigeranti. È sempre necessario confrontare i costi totali, non solo il prezzo dell'apparecchiatura.