Separazione criogenica della CO₂ dal biogas: principio di funzionamento e collegamento con il bioLNG

La separazione criogenica sfrutta le differenze di temperatura delle transizioni di fase: la CO₂ passa allo stato liquido o solido a temperature molto più elevate rispetto al CH₄, che si liquefa solo intorno a −162°C a pressione atmosferica. Se quindi raffreddiamo il biogas compresso nell'intervallo di −50…−90°C (a seconda della pressione e della composizione), la CO₂ si liquefa o cristallizza e può essere separata dal metano gassoso. La tecnologia è meno diffusa rispetto ad altre, ma presenta una caratteristica unica: può portare alla liquefazione del metano, ovvero al bioLNG, e fornisce CO₂ liquido.

Perché la CO₂ può essere separata così facilmente

Il punto triplo della CO₂ si trova a una temperatura di circa −56,6°C a una pressione di circa 5,2 bar. Al di sopra di questa pressione, l'anidride carbonica può esistere come liquido, al di sotto risublima in solido (ghiaccio secco). Il metano, in queste condizioni, rimane gassoso, poiché la sua temperatura critica è di circa −82°C. La separazione è quindi possibile regolando pressione e temperatura; i dettagli dipendono dalla composizione del gas e dalla configurazione.

Tipica sequenza tecnologica

1. Depurazione preliminare – rimozione di H₂S, silossani, VOC e acqua. Acqua e H₂S ghiacciano negli scambiatori e causano occlusioni.
2. Compressione e preraffreddamento – il gas viene compresso e raffreddato gradualmente, con recupero del freddo.
3. Liquefazione o risublimazione della CO₂ – in uno scambiatore o in una colonna di distillazione, la CO₂ viene separata come liquido o solido e raccolta.
4. Ulteriore raffreddamento del metano – se l'obiettivo è il bioLNG, il biometano viene raffreddato a circa −162°C. Se l'obiettivo è la rete, il metano torna alla temperatura ambiente.
5. Recupero del freddo – l'energia frigorifera dei prodotti serve a raffreddare il gas in ingresso.

Vantaggi

• Elevata purezza della CO₂ e produzione diretta di CO₂ liquido, facile da trasportare e commercializzare.
• Basse perdite di metano in sistemi ben progettati.
• Coerenza con la produzione di bioLNG – invece di due impianti separati (upgrading e liquefazione) si ottiene una linea integrata.
• Assenza di solventi chimici.

Svantaggi

• Complessità e CAPEX – scambiatori criogenici, compressori, recupero del freddo, requisiti dei materiali.
• Sensibilità alle impurità – acqua, H₂S e silossani devono essere rimossi con estrema precisione.
• Energia – il raffreddamento a basse temperature ha un costo; tuttavia, se l'obiettivo è il bioLNG, parte dell'energia dovrebbe comunque essere spesa per la liquefazione del metano.
• Scala – la convenienza aumenta con flussi maggiori, anche se sono in sviluppo unità containerizzate.

Dove ha senso

La tecnologia è adatta laddove si combinano due obiettivi: la vendita di bioLNG (per il trasporto, incluso quello pesante e marittimo) e la vendita di CO₂ liquido (per l'industria alimentare o come materia prima). Poiché il prezzo del bioLNG e della CO₂ può essere superiore a quello del biometano di rete, il valore dei prodotti accessori può giustificare un CAPEX più elevato. Condizione necessaria è un ritiro stabile di entrambi i prodotti e una logistica adeguata (cisterne criogeniche).

Esempio illustrativo: quanto CO₂ è presente nel biogas

Ipotesi: 1000 m³/h di biogas, 45% di CO₂, densità della CO₂ circa 1,98 kg/m³ (condizioni normali), 8000 h/anno. Flusso di CO₂: 450 m³/h ≈ 890 kg/h ≈ 7100 t/anno. Con un prezzo di vendita ipotetico della CO₂ liquida di 300 zł/t (ipotesi puramente illustrativa – i prezzi dipendono dal mercato locale e dalla qualità), il ricavo lordo ammonta a circa 2,1 milioni di zł/anno, da cui vanno sottratti i costi di liquefazione, stoccaggio e trasporto. Nello studio di fattibilità è necessario basarsi su contratti di ritiro, non su ipotesi.

Requisiti qualitativi dell'alimentazione

Per i sistemi criogenici è fondamentale che nel gas in ingresso agli scambiatori siano presenti praticamente solo CH₄ e CO₂. L'acqua deve essere rimossa fino a un punto di rugiada molto basso, mentre H₂S, silossani e composti organici volatili devono essere ridotti a livelli traccia, poiché a basse temperature formano depositi solidi e ostruiscono i canali degli scambiatori. Anche l'ammoniaca e gli idrocarburi pesanti, se presenti, possono ghiacciare prima della CO₂. Pertanto, gli impianti criogenici sono preceduti da una depurazione approfondita (adsorbitori, carbone attivo, setacci molecolari). Il costo di questa fase è incluso nel calcolo, e la sua qualità determina la disponibilità operativa.

Ruolo delle capacità di stoccaggio

La CO₂ liquida e il bioLNG richiedono serbatoi isolati e procedure di sicurezza (pressione, basse temperature, rischio di asfissia in caso di fuoriuscita di CO₂). Il magazzino funge da buffer tra la produzione continua e il ritiro periodico delle cisterne, quindi la sua dimensione deve essere adattata al programma logistico, non solo alla capacità dell'impianto.

Sintesi

La criogenia è una tecnologia di nicchia, ma logica quando l'obiettivo è il bioLNG e la CO₂ liquida. Richiede i più elevati standard di depurazione preliminare e investimenti maggiori, ma in cambio offre prodotti di alta qualità.