Steam reforming di biogas e biometano per la produzione di idrogeno: bilancio, CO₂ e maturità

Lo steam reforming del metano (SMR, steam methane reforming) è il metodo più diffuso al mondo per produrre idrogeno dal gas naturale. Può essere applicato anche al biometano o al biogas depurato: il metano reagisce con il vapore acqueo a una temperatura dell’ordine di 700–900°C su un catalizzatore di nichel, dando una miscela di idrogeno e monossido di carbonio (gas di sintesi), dalla quale, dopo la conversione del CO e la depurazione, si ottiene l’idrogeno. Se la materia prima è biometano sostenibile, la CO₂ che si forma nel processo ha origine biogenica e l’idrogeno può avere un’impronta di carbonio notevolmente inferiore a quella dell’idrogeno da gas fossile. La tecnologia del reforming è matura, mentre la sua applicazione alle fonti di biogas di piccola scala rimane in fase dimostrativa.

Reazioni

1. Reforming: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endotermica, ΔH ≈ +206 kJ/mol; richiede calore).
2. Conversione del CO (water-gas shift): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (leggermente esotermica).
3. Complessivamente: CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Stechiometria: da 16 g di CH₄ si ottengono 8 g di H₂, cioè da 1 kg di metano al massimo circa 0,5 kg di idrogeno e 2,75 kg di CO₂ (dalla reazione complessiva). La CO₂ aggiuntiva deriva dalla combustione del combustibile che fornisce calore alla reazione endotermica.

Schema tecnologico

• Depurazione della materia prima: rimozione dello zolfo (avvelena il catalizzatore), degli alogenuri, dei silossani.
• Reattore di reforming con catalizzatore a base di Ni, forno con bruciatori.
• Reattore di conversione del CO (a uno o due stadi).
• Depurazione dell’idrogeno: per lo più PSA fino a una purezza >99,9%.
• Valorizzazione del gas di scarto (tail gas) – spesso ricircolato ai bruciatori.
• Eventuale cattura della CO₂ dal gas di sintesi o dai fumi.

Bilancio di energia e di massa (esempio)

Ipotesi: rendimento energetico (energia dell’H₂ in LHV / energia del metano in LHV) del 70% (valore tipico per impianti industriali di scala maggiore, in quelli piccoli spesso inferiore), LHV dell’idrogeno 33,3 kWh/kg, LHV del metano 13,9 kWh/kg. Fabbisogno di metano per 1 kg di H₂: 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg di CH₄ (circa 4,8 Nm³). Per un impianto che produce 100 kg di H₂/h servono dunque circa 340 kg di CH₄/h (circa 480 Nm³/h). Tale quantità corrisponde a un impianto di biometano di dimensioni medie. Le emissioni di CO₂ del processo sono di circa 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg di CO₂/kg di H₂ (da tutto il carbonio contenuto nel metano), il che corrisponde all’ordine di grandezza delle emissioni dell’idrogeno da gas naturale (circa 9–10 kg di CO₂/kg di H₂ secondo la letteratura). Nel caso del biometano la CO₂ ha origine biogenica.

Biogas direttamente

Invece di effettuare l’upgrading del biogas a biometano, è possibile sottoporlo direttamente a reforming: la CO₂ è presente nel biogas fin dall’inizio e partecipa al cosiddetto reforming a secco o misto. Ciò porta a una semplificazione (nessun upgrading), ma richiede soluzioni resistenti alle impurità e alla composizione variabile. Tali impianti sono in fase di ricerca e di sperimentazione pilota.

Impronta di carbonio

A seconda della fonte del metano e della presenza di cattura della CO₂, l’impronta di carbonio dell’idrogeno può variare da valori simili a quelli del gas fossile (quando la materia prima è fossile, senza cattura) a valori molto bassi o negativi (biometano da liquame con cattura della CO₂). Nel diritto UE l’idrogeno da biomassa è soggetto alle norme sui combustibili da biomassa (criteri di sostenibilità), e non a quelle sui combustibili rinnovabili di origine non biologica. Non si deve confondere l’«idrogeno verde» (elettrolitico da fonti rinnovabili) con l’idrogeno da biometano.

Economia e scala

Il reforming è più conveniente su grande scala, dove i costi fissi si ripartiscono su grandi quantità di idrogeno. Negli impianti agricoli di piccole dimensioni il costo unitario aumenta e occorre inoltre aggiungere la depurazione, la compressione e la distribuzione dell’idrogeno. Per questo le applicazioni realistiche nei prossimi anni sono gli stabilimenti con una domanda di idrogeno già esistente e con accesso a quantità maggiori di biometano.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: tecnologia matura, rendimento elevato, possibilità di integrazione con la cattura della CO₂, utilizzo dell’infrastruttura del gas esistente.

Svantaggi: consumo di biometano, che ha anche altri usi; emissioni di CO₂ in assenza di cattura; necessità di depurare la materia prima; complessità su piccola scala.

Cosa evitare nella valutazione dei progetti

Nell’analisi delle offerte di reforming conviene verificare se il rendimento dichiarato riguarda l’intero sistema (con depurazione, compressione e valorizzazione del gas di scarto), qual è il campo di carico e il tempo di avviamento e come viene gestita la CO₂. Una semplificazione frequente è l’omissione dell’energia per la compressione dell’idrogeno alle pressioni di trasporto (alcune centinaia di bar), che può aggiungere da pochi fino a oltre dieci punti percentuali dell’energia contenuta nell’idrogeno. Allo stesso modo occorre considerare il consumo di acqua di processo e di elettricità ausiliaria.

Conclusioni

Il reforming del biometano è la via più vicina al mercato verso l’idrogeno da biomassa, ma occorre ricordare che consuma un prezioso vettore energetico. È giustificato soprattutto dalla domanda locale di idrogeno e dalla possibilità di valorizzare la CO₂.