Upgrading a membrana: come funziona la separazione di CH₄ e CO₂ nell'impianto di biometano

La separazione a membrana si basa sul passaggio del biogas compresso attraverso fasci di sottili fibre polimeriche, in cui il CO₂ permea a una velocità notevolmente superiore rispetto al CH₄. Da un lato della membrana si raccoglie un flusso arricchito in metano (retentato – biometano), dall'altro un flusso ricco di CO₂ (permeato). Questa è una delle tecnologie di upgrading più frequentemente scelte, soprattutto in impianti di piccola e media scala, poiché è modulare, priva di sostanze chimiche e relativamente semplice da gestire.

Meccanismo: dissoluzione e diffusione

Il passaggio attraverso una membrana densa è descritto dal modello di dissoluzione-diffusione. Le molecole di gas si dissolvono nel polimero sul lato ad alta pressione, diffondono attraverso lo strato e desorbono sul lato a bassa pressione. La velocità dipende dalla differenza di pressione parziale, dallo spessore dello strato attivo e dalla permeabilità del materiale rispetto al gas specifico. Vapore acqueo, CO₂, H₂S e ammoniaca permeano molto rapidamente, l'ossigeno moderatamente, mentre metano e azoto lentamente. Il rapporto di permeabilità CO₂/CH₄ è definito selettività; più è elevato, più è facile ottenere metano puro con basse perdite. I materiali tipici sono poliimmidi, polisulfoni e acetato di cellulosa, formati in fibre capillari in moduli collegati in serie e in parallelo.

Configurazione tecnologica

1. Prepurificazione – rimozione di H₂S (ad es. carbone attivo o desolforazione biologica), aerosol, gocce di condensa e composti organici volatili. Oli provenienti dal compressore e silossani sono dannosi.
2. Compressione – il biogas viene compresso generalmente fino a una decina di bar (nell'ordine di 8–16 bar(g), a seconda del fornitore).
3. Stadi a membrana – in un sistema a due stadi, il retentato del primo stadio passa al secondo, mentre il permeato del secondo ritorna davanti al compressore. Nei sistemi a tre stadi, il permeato del primo stadio viene inviato a uno stadio aggiuntivo per il recupero del metano.
4. Essiccazione e condizionamento – dopo le membrane, il biometano viene essiccato, eventualmente arricchito con propano e odorizzato.
5. Off-gas – il permeato dell'ultimo stadio contiene principalmente CO₂ con tracce di metano e richiede combustione o smaltimento.

Perdite di metano e purezza

Maggiore è la purezza richiesta per il biometano e minore la perdita, maggiore è la superficie delle membrane e l'energia di compressione necessaria. I moderni sistemi multistadio raggiungono perdite generalmente inferiori all'1%, e alcuni fornitori dichiarano livelli dell'ordine dello 0,5% o inferiori; il valore contrattuale dipende dalle garanzie e dal carico. Un calo del carico al di sotto di quello progettuale può peggiorare i parametri, quindi gli impianti sono progettati tenendo conto dell'intervallo di regolazione.

Energia

Il principale consumo energetico è rappresentato dal compressore. Per i sistemi a membrana, si indica generalmente un fabbisogno di energia elettrica nell'ordine di 0,2–0,35 kWh per m³ di biogas grezzo, che corrisponde a circa 0,35–0,6 kWh per m³ di biometano con un biogas al 55%. È opportuno richiedere al fornitore una dichiarazione per l'intero sistema (compresi essiccazione, raffreddamento e prepurificazione), poiché diversi soggetti riportano valori per confini di bilancio differenti.

Vantaggi e limitazioni

Vantaggi: compattezza, montaggio rapido, assenza di sostanze chimiche e acqua di processo, facile scalabilità mediante aggiunta di moduli, possibilità di funzionamento in container.

Limitazioni: sensibilità alle impurità (olio, condensa, silossani), necessità di sostituzione dei moduli dopo anni di funzionamento, flusso di CO₂ a bassa purezza (con tracce di CH₄), limitata flessibilità a carichi molto bassi.

Suggerimenti per l'investitore

• Richieda garanzie sulle perdite di metano a un determinato carico e composizione del biogas, insieme a un meccanismo di penali.
• Chieda le condizioni di sostituzione dei moduli e il costo per m³ di biometano prodotto.
• Pianifichi lo smaltimento dell'off-gas: la semplice combustione è semplice, ma senza recupero di calore spreca energia.
• Scelga il prepurificazione in base al biogas proveniente da specifici substrati (ad es. elevato H₂S per scarti di macellazione).
• Verifichi la qualità della compressione: compressori senza olio o con buona filtrazione dell'olio prolungano la vita delle membrane.

Esempio di calcolo

Ipotesi: 500 m³/h di biogas, 55% CH₄, perdita dello 0,6%, compressione circa 0,25 kWh/m³ di biogas. Potenza elettrica dei compressori ≈ 125 kW (500 × 0,25). Metano prima delle perdite: 275 m³/h; perdita ≈ 1,65 m³/h; produzione di metano nel biometano ≈ 273 m³/h. Consumo annuo di energia elettrica per 8000 h: circa 1000 MWh. Con un prezzo dell'energia ipotizzato di 600 zł/MWh, ciò equivale a circa 600.000 zł all'anno, ovvero ≈ 0,27 zł per m³ di biometano. I valori sono illustrativi e non sostituiscono un'offerta del produttore.

Conclusioni

Le membrane rappresentano un compromesso tra semplicità ed efficienza. Un sistema multistadio ben progettato garantisce basse perdite di metano, ma richiede un gas in ingresso pulito e una gestione attenta.