Scivolamento del metano nell'upgrading del biogas: quanto si perde e quanto costa

Lo scivolamento del metano è quella parte di metano contenuta nel biogas grezzo che, durante il processo di upgrading, non viene incorporata nel biometano, ma fuoriesce con l'off-gas, ovvero il flusso di scarto ricco di CO₂. Viene espresso in percentuale dell'alimentazione. Rappresenta al contempo una perdita di ricavo (si vende meno gas) e un'emissione di gas serra: il metano è un gas serra decine di volte più potente della CO₂ su un orizzonte temporale di 100 anni. Per un impianto di produzione di biometano, questo indicatore è tra i parametri tecnici e ambientali più rilevanti.

Origine dello scivolamento

In ogni tecnologia di separazione, una parte del metano passa nel flusso di CO₂:

• nelle membrane il metano permea lentamente, ma non in modo nullo; maggiore è la purezza del prodotto e l'efficienza, maggiore è la superficie richiesta e la ricircolazione;
• nel PSA il metano viene adsorbito in minima parte e rimane nella colonna o nel gas di lavaggio;
• nello scrubber ad acqua il metano si dissolve in acqua (debolmente, ma si tratta comunque di una frazione percentuale) e, durante lo stripping, finisce nell'off-gas;
• nello scrubber a ammine il metano si dissolve fisicamente in quantità minime;
• nella criogenia le perdite dipendono dall'efficienza della separazione.

Oltre allo scivolamento, si verificano anche perdite non direttamente legate alla separazione, che vanno sommate alle perdite totali di metano nell'impianto: perdite da tenute non perfette, sfiati durante avviamenti e fermate, nonché la combustione di emergenza del biogas sulla fiaccola.

Valori tipici

La tabella seguente mostra gli ordini di grandezza riscontrati in letteratura e nelle offerte dei fornitori (sistemi moderni, funzionamento a regime). I valori reali devono essere confermati tramite garanzie e misurazioni.

Esempio di calcolo

Ipotesi: impianto da 500 m³/h di biogas con il 55% di CH₄ (275 m³/h di metano), 8.000 ore di funzionamento annuo, scivolamento dell'1%. Produzione annua di metano nel biogas: 2,2 milioni di m³. Perdita: 22.000 m³ di CH₄. Con una densità del metano di circa 0,717 kg/m³, ciò equivale a circa 15,8 t di CH₄. Con un GWP₁₀₀ = 28 (valore del quinto rapporto IPCC), si ottengono circa 442 t CO₂e all'anno. Energeticamente, la perdita corrisponde a circa 220 MWh (con circa 10 kWh/m³), che, a un prezzo del gas di 200 zł/MWh, equivale a circa 44.000 zł all'anno.

Per confronto: uno scivolamento dello 0,1% comporterebbe 44 t CO₂e e 4.400 zł. La differenza di circa 400 t CO₂e all'anno corrisponde alle emissioni di alcune centinaia di automobili in un anno – motivo per cui le perdite sono rilevanti non solo dal punto di vista economico, ma anche nel bilancio delle emissioni del biometano.

Come ridurre lo scivolamento

1. Scelta della tecnologia in base ai requisiti emissivi (ad es. ammine o sistemi multistadio).
2. Post-combustione dell'off-gas in un ossidatore termico o catalitico; il metano viene convertito in CO₂, riducendo l'effetto serra. A basse concentrazioni di CH₄, è necessario un combustibile ausiliario o il recupero del calore.
3. Ricircolazione del gas dal flash, dal permeato o dal gas di lavaggio.
4. Gestione operativa: evitare il funzionamento al di fuori dei parametri di progetto, garantire la tenuta delle valvole, controllare le perdite.
5. Monitoraggio: misurazione della concentrazione di CH₄ nell'off-gas e bilancio di massa dell'impianto.

Scivolamento nel bilancio delle emissioni del biometano

Nella metodologia RED, le emissioni di metano derivanti dall'upgrading sono incluse nel bilancio GHG del biometano (come emissioni di processo). Nei calcoli predefiniti si adottano assunzioni sui livelli di perdita, mentre un basso scivolamento reale può migliorare il risultato nei calcoli effettivi. In questo consiste il legame tra tecnologia e valore del gas certificato: una bassa perdita di metano migliora l'impronta di carbonio e il valore commerciale del biometano.

Clausole contrattuali

Nel contratto con il fornitore della tecnologia, specificare: lo scivolamento garantito (%), le condizioni di misurazione (carico, composizione, metodo), la penale per superamento e l'obbligo di correzione. È opportuno includere anche misurazioni periodiche dopo l'avviamento e durante l'esercizio, poiché lo scivolamento tende ad aumentare con l'invecchiamento delle membrane o del sorbente.

Differenza tra scivolamento ed emissione reale

Lo scivolamento descrive ciò che esce dal separatore con l'off-gas, ma non sempre la stessa quantità raggiunge l'atmosfera. Se l'off-gas viene inviato a un ossidatore termico, l'emissione di metano si riduce in base all'efficienza della post-combustione (solitamente oltre il 99% in condizioni di corretto funzionamento), mentre si genera CO₂ biogenico aggiuntivo. Viceversa, alle emissioni vanno aggiunte le perdite non legate alla separazione. Pertanto, nei bilanci GHG si distinguono due indicatori: lo scivolamento tecnologico (caratteristica dell'apparecchiatura) e le perdite totali di metano dell'impianto (somma di scivolamento, perdite, avviamenti e guasti, tenendo conto della post-combustione). Quest'ultimo indicatore è più rilevante per il clima e dovrebbe essere oggetto di misurazioni di controllo.

Conclusioni

Lo scivolamento del metano è un indicatore che unisce economia e clima. Piccole differenze percentuali si traducono in centinaia di tonnellate di CO₂e e decine di migliaia di euro all'anno, quindi vale la pena misurarle, garantirle e ridurle in ogni fase della vita dell'impianto.