Tecnologie di upgrading del biogas: confronto tra membrane, PSA, lavaggio e criogenia

Per la rimozione della CO₂ dal biogas si utilizzano cinque principali famiglie di tecnologie: separazione a membrana, adsorbimento a pressione oscillante (PSA), assorbimento fisico in acqua, assorbimento chimico in ammine e separazione criogenica. Nessuna di queste prevale su tutte le altre in ogni criterio – le membrane sono compatte e modulari, il lavaggio ad ammine presenta le perdite di metano più basse, il lavaggio ad acqua è semplice e resistente, il PSA è competitivo in termini di costo, mentre la criogenia produce CO₂ liquido o bioLNG. Il seguente confronto ha carattere orientativo: i valori esatti dipendono dal fornitore, dalle garanzie contrattuali e dalle condizioni operative.

Principi di funzionamento in sintesi

• Membrane – il gas fluisce attraverso fibre polimeriche, in cui la CO₂ (e il vapore acqueo) permeano più velocemente del CH₄. Il metano rimane sul lato del retentato.
• PSA – la CO₂ viene adsorbita su setacci molecolari (a carbone o zeolite) a pressione elevata e desorbita a pressione ridotta; più colonne lavorano in modo ciclico.
• Lavaggio ad acqua – la CO₂ si dissolve in acqua molto meglio del CH₄ (circa 25 volte di più a temperatura ambiente), quindi l’acqua in una colonna in pressione lega principalmente la CO₂.
• Lavaggio ad ammine – la CO₂ reagisce chimicamente con una soluzione di ammine; il solvente viene rigenerato con calore a una temperatura di circa 110–140°C.
• Criogenia – il biogas viene compresso e raffreddato a basse temperature, alle quali la CO₂ condensa o risublima e si separa dal metano.

Confronto orientativo

Come si sceglie la tecnologia

1. Scala. Un piccolo o medio impianto di biogas agricolo (alcune centinaia di m³/h di biogas) solitamente opta per le membrane, poiché sono compatte e rapide da installare. Gli impianti di grandi dimensioni valutano anche i sistemi di lavaggio.
2. Calore di scarto. Se nelle vicinanze è disponibile calore a basso costo (ad esempio da un impianto CHP esistente, una caldaia a biomassa o uno stabilimento industriale), il lavaggio ad ammine diventa interessante – il suo costo maggiore, la rigenerazione, risulta allora ridotto.
3. Valorizzazione della CO₂. Se la CO₂ deve essere venduta (ad esempio al settore alimentare), è necessaria un’elevata purezza, garantita dal lavaggio ad ammine o dalla criogenia; nelle altre tecnologie, il flusso di scarto deve essere ulteriormente purificato.
4. Perdite di metano. Ogni punto percentuale di perdita rappresenta un mancato ricavo e un’emissione di gas serra.
5. Disponibilità del servizio. È importante verificare se il fornitore offre assistenza locale e garantisce la disponibilità operativa.

Esempio di calcolo illustrativo

Ipotesi: flusso di biogas di 1000 m³/h con il 55% di CH₄ (550 m³/h di metano), perdite di metano dello 0,5% nella variante A e dell’1,5% nella variante B, 8000 ore di funzionamento annuo. Perdita di metano in A: 550 × 0,005 × 8000 ≈ 22 000 m³, in B: 550 × 0,015 × 8000 ≈ 66 000 m³. La differenza è di circa 44 000 m³ di CH₄ all’anno, equivalenti a circa 440 MWh (considerando circa 10 kWh/m³). Con un prezzo del gas fissato a 200 zł/MWh, ciò corrisponde a circa 88 000 zł all’anno – una somma che, in un orizzonte temporale di diversi anni, può giustificare una tecnologia più costosa, se la differenza in CAPEX è contenuta. Il prezzo di 200 zł/MWh è un’ipotesi di calcolo, non un valore di mercato.

Tendenze

I fornitori combinano le tecnologie, ad esempio membrane con una fase finale di affinamento del metano dal gas di scarico tramite ossidatore termico o un ulteriore stadio di separazione, e il lavaggio ad ammine con recupero del calore dalla compressione. Cresce l’importanza della valorizzazione della CO₂ biogenica e della riduzione delle emissioni dal gas di scarico, fattori che influenzeranno i requisiti normativi e il bilancio delle emissioni GHG.

Cosa verificare nell’offerta

Oltre ai parametri della tabella di confronto, esamini i confini completi della fornitura. Un’offerta può includere il pretrattamento, l’essiccazione, il compressore, il sistema di combustione del gas di scarico e la stazione di immissione in rete, un’altra solo il modulo di separazione. Chieda la disponibilità garantita (in percentuale annua), i costi di sostituzione dei materiali di consumo (membrane, sorbente, solvente, riempimento), i tempi di consegna e la capacità di funzionamento a carico parziale. In pratica, un impianto di biogas agricolo raramente opera a flusso costante e di progetto, poiché la produzione dipende dall’alimentazione dei digestori. Un sistema che gestisce bene un carico al 50–60% del nominale può valere di più di uno con perdite leggermente inferiori al punto di progetto.

Conclusioni

Una scelta oculata richiede il confronto dei costi totali (CAPEX + OPEX + valore delle perdite di metano) e la considerazione delle condizioni locali – calore, acqua, elettricità e mercato della CO₂. Un approfondimento dettagliato su ciascuna tecnologia è disponibile nei prossimi articoli della serie.