Tecnologie per la produzione e impiego del biometano

Tecnologie per la produzione e impiego del biometano Vito Pignatelli, Vincenzo Alfano ENEA - Dipartimento Biotecnologie, Agroindustria e Protezione della Salute

Possibili impieghi del biogas Produzione di energia elettrica mediante combustione in motori di gruppi elettrogeni o cogeneratori (tecnica più utilizzata) Combustione diretta in caldaia per riscaldamento (caseifici con allevamento suinicolo) Utilizzazione come biocarburante per autotrazione (biometano)

Consumi di biocarburanti nell Unione Europea nel 2006 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 tep 5.601,72 Valori di riferimento (documenti CE) 1 t biodiesel o olio = 0,86 tep 4.073,90 1 t bioetanolo = 0,64 tep 1 t biometano = 1,20 tep 871,67 641,52 14,62 Biodiesel Bioetanolo Biogas Oli vegetali Totale Fonte: Elaborazione ENEA su dati EurObserv ER - Biofuels Barometer (2008)

Resa in metano del processo di digestione anaerobica La quantità di biogas prodotto in un processo di digestione anaerobica e la percentuale di metano in esso presente dipendono sia dalla materia prima impiegata sia dalle condizioni di processo (processo termofilo o mesofilo, a singolo stadio o multistadio, in batch o in continuo) Fonte: Progetto Biogasmax - The Biomethane Pathway (2009) Matrice Fanghi di depurazione Solidi totali (%) Resa in CH 4 (m 3 /t substrato) 3 20 40 75 Reflui bovini 5 12 14 18 Reflui suini 3 8 14 18 Pollina 30 60 50 115 Scarti alimentari 10 30 60 110 FORSU 15 35 50 95 Sfalci verde urbano Colture energetiche 30 60 50 70 30 60 60 120

Uso del biometano per l autotrazione Per poter essere impiegato come biocarburante, il biogas deve possedere caratteristiche analoghe al metano per auto disponibile al distributore E quindi necessario un processo di upgrading e standardizzazione I punti critici sono il contenuto energetico e la presenza di componenti che possono dare origine a fenomeni di corrosione

Principali caratteristiche del biometano per autotrazione Non esistono standard tecnici internazionali per l utilizzo del biometano nei veicoli o per l immissione in rete, ma alcuni Stati hanno elaborato al riguardo standard e procedure nazionali Mezzi di trasporto pubblic i alimentati a biometano nella città svedese di Kristianstad (2008)

Principali caratteristiche del biometano per autotrazione Unità di misura Francia Svizzera Svezia P.c.i. MJ/nm 3 45,5 Punto di rugiada C 5 C < minima T ambiente Contenuto energetico max kwh/nm 3 10,7 Contenuto acqua max mg/nm 3 100 5 32 Metano minimo vol. % 96 97 CO 2 max vol. % 3 Ossigeno max vol. % 3,5 0,5 1 CO 2 + O 2 + N 2 max vol % 3 3 3 H 2 max mg/nm 3 0,5 H 2 S max mg/nm 3 7 5 23 Zolfo totale max mg/nm 3 14,3 Idrocarburi alogenati max mg/nm 3 1 0 Fonte: IEA Bioenergy - Biogas upgrading and utilisation (2006)

Upgrading del biogas a biometano Raffinazione del biogas (55-65% in metano) o gas da discarica (45% in metano) per ottenere biometano ( 95% in metano) Generalmente il processo avviene in due stadi successivi: Biogas Rimozione della della CO CO 2 2 Rimozione tracce di di altri altri gas gas e contaminanti (*) (*) Biometano (*) silossani, vapore acqueo, idrogeno solforato, azoto e agenti patogeni

Tecnologie per la rimozione della CO 2 I principali metodi impiegati per la rimozione della CO 2 sono: Scrubbing ad acqua in apposite torri di lavaggio PSA (Pressure Swing Adsorption): adsorbimento/desorbimento su matrici adsorbenti (zeoliti o carbone attivo)

Tecnologie per la rimozione della CO 2 Altre tecniche sono: Separazione criogenica Arricchimento di metano in situ Separazione con membrane La rimozione della CO 2 comporta sempre piccole perdite di metano

Water scrubbing / 1 Consente di rimuovere contemporaneamente anche l H 2 S perché entrambe molto più solubili in acqua del metano Il biogas viene compresso e alimentato dal basso della torre di lavaggio dove incontra l acqua in controcorrente. Il biometano saturo d acqua deve essere sottoposto ad essiccazione Al posto dell acqua possono essere impiegati solventi organici come glicol polietilenico, la cui rigenerazione richiede però costi molto più elevati

Water scrubbing / 2 Fonte: IEA Bioenergy - Biogas Upgrading and Utilisation (2006) - Courtesy Swedish Gas Center

Pressure Swing Adsorption / 1 L adsorbimento della CO 2 avviene su carboni attivi o setacci molecolari (zeoliti). La selettività varia con la granulometria dell adsorbente L adsorbimento avviene a pressioni elevate, mentre i materiali adsorbenti vengono rigenerati con un leggero vuoto Il processo richiede un gas secco e la preventiva rimozione dell H 2 S

Pressure Swing Adsorption / 2 Fonte: IEA Bioenergy - Biogas Upgrading and Utilisation (2006) - Courtesy Swedish Gas Center

Altre tecniche di rimozione della CO 2 Separazione criogenica Il metano ha un punto di ebollizione di -160 C, mentre la CO 2 di -78 C, e ciò premette la separazione della CO 2 come liquido raffreddando il biogas ad elevate pressioni. Il processo è stato testato a scala pilota (2006) Arricchimento di metano in situ Tecnologia in fase di sviluppo, promettente anche per piccoli impianti. Il fango del digestore viene inviato ad una torre di strippaggio con aria in controcorrente e poi reimmesso nel digestore per assorbire altra CO 2. Il risultato è un biogas arricchito in metano

Sistemi di separazione a membrana Gli impianti di separazione a membrana possono trattare grandi quantità di gas con bassi costi di manodopera, anche se bisogna effettuare degli efficaci pretrattamenti a monte del trattamento per garantire una maggiore durata delle membrane Per questa ragione ad oggi la tecnologia trova applicazione economicamente vantaggiose soprattutto su impianti di grandissima scala con portata di gas da trattare superiore a 10.000 Nm 3 /h

Sistemi di separazione a membrana I molteplici vantaggi delle tecnologie a membrana sono stati confermanti in numerose installazioni industriali presenti in molte località di tutto il mondo. Diverse società che utilizzavano tecnologie tradizionali di rimozione di CO 2 hanno, con grossi vantaggi, integrato i loro metodi con i processi a membrana (UOP SEPAREX LLC 25 East Algonquin Road Des Plaines, IL 60017-5017 USA, Comunicazioni Private Processo SEPAREX) Impianto modulare a membrane per il trattamento dei gas

Attività di R&ST sui sistemi di separazione a membrana per la rimozione della CO 2 Per impianti di piccole dimensioni, (produzione di biogas da rifiuti) bisogna rendere economico ed accettabile l incidenza nei conti economici della fase di pretrattamento del biogas. Infatti, mentre i costi relativi alle membrane non sono correlati alla scala dell impianto (tecnologia modulare), lo sono quelli per le operazioni di purificazione preliminare del gas per la rimozione di composti nocivi che comprometterebbero la durata delle membrane Biodigestore mobile da 4 m 3 realizzato da Ecoinnovative Technologies s.r.l. (spin off ENEA)

Attività ENEA di R&ST sui sistemi di separazione a membrana per la rimozione della CO 2 Per ottimizzare il processo di purificazione del biogas mediante impianti a membrana è necessario individuare e verificare tutti i parametri di processo, nonché la tipologia ed il materiale costituente le membrane Su questa problematica tecnico-scientifiche si stanno incentrando le attività di ricerca del centro Enea di Brindisi, con lo scopo di conseguire l obiettivo dell integrazione della tecnologia a membrana, in impianti di produzione di biogas

Attività ENEA di R&ST sui sistemi di separazione a membrana per la rimozione della CO 2 Le attività di R&ST in corso prevedono la verifica a livello di laboratorio di gran parte dei materiali commercialmente disponibili sul mercato utilizzati per la separazione di metano da anidride carbonica Infatti, nonostante in letteratura esistono diversi studi eseguiti con l impiego di materiali speciali quali ceramici, polimerici, inorganici, ecc, ad oggi le uniche membrane commercialmente disponibili per la rimozione della CO 2 da CH 4, sono quelle polimeriche, come ad esempio acetato di cellulosa, poliammide, polisulfone, ecc.

Attività ENEA di R&ST sui sistemi di separazione a membrana per la rimozione della CO 2 Attraverso una analisi modellistica è poi possibile identificare la corretta tipologia, disposizione e configurazione dei moduli per la realizzazione di impianti pilota Apparato di laboratorio ENEA per lo studio della permeabilità e durata di diverse tipologie di membrane utilizzate per la separazione della CO 2 dal metano

Rimozione di H 2 S Desolforazione biologica Alcuni microrganismi (Tiobacilli) normalmente presenti nel digestore sono in grado di ossidare i solfuri a solfati e zolfo elementare. Per farli crescere bisogna aggiungere ossigeno in quantità stechiometrica nel digestore. In alternativa, la desolforazione biologica può avvenire anche in biofiltri separati dal digestore Desolforazione chimica Mediante aggiunta di reagenti in grado di catturare lo zolfo (FeCl 2 ) nel digestore o passaggio del biogas in appositi filtri o scrubber (carboni attivi impregnati di KI, idrossido o ossido di ferro, NaOH)

Rimozione di tracce di altri gas Idrocarburi alogenati Presenti in particolare nei gas di discarica, sono rimossi con le stesse tecniche usate per la CO 2 Silossani Presenti occasionalmente nel biogas da discarica o fanghi di depurazione. Si usa il carbone attivo, che non può però essere rigenerato. Per questi si riduce preventivamente il loro livello raffreddando il biogas e rimuovendo il condensato R R HO Si O Si OH R R

Rimozione di tracce di altri gas Rimozione di ossigeno e azoto La presenza di ossigeno e azoto (comune nel biogas da discarica) indica che l aria penetra nel sistema. Alti livelli possono procurare rischi di esplosione. Si riducono notevolmente con i processi di upgrading, in articolare PSA e membrane Rimozione dell acqua Di solito si opera per refrigerazione, comprimendo eventualmente il gas prima del raffreddamento per innalzare il punto di rugiada. Successivamente, si procede all adsorbimento su agenti essiccanti (gel di silice o ossido di alluminio) per raggiungere il limite di rugiada richiesto per i carburanti (-40 C a 4 bar)

Tecniche di upgrading del biogas a biometano Tecniche di rimozione Agenti patogeni Sostanze da rimuovere Silossani Acqua Azoto H 2 S CO 2 Scrubbing ad acqua PSA Essiccazione Uso di biocidi Scrubbing chimico Filtro ad adsorbimento Scambiatori di calore Assorbimento chimico in torre di desolforazione Strippaggio Fonte: Progetto Biogasmax - The Biomethane Pathway (2009)

Uso del biometano negli autoveicoli Per poter essere utilizzato nei veicoli il biometano viene compresso o liquefatto e immagazzinato in bombole. In alternativa può essere compresso direttamente in fase di rifornimento del veicolo (ricarica lenta), oppure viene precompresso per il rifornimento rapido Più comune è l utilizzo del gas in forma compressa (CNG - gas naturale compresso), a circa 200 bar. Per innalzare il contenuto energetico a parità di volume, il gas può essere raffreddato e liquefatto (LNG - gas naturale liquefatto) oltre che compresso

Uso del biometano negli autoveicoli Veicoli bi-fuel: veicoli con un doppio sistema di alimentazione e con motore a ciclo otto che può funzionare sia a gas che a benzina Veicoli dedicati a gas: veicoli con motore a ciclo otto appositamente progettato per utilizzare il metano (generalmente veicoli pesanti, quali camion o autobus) Veicoli dual-fuel: veicoli con motore a ciclo diesel alimentato da una miscela di gasolio (solitamente 30%) e gas (70%). I valori di emissioni non sono buoni come per i veicoli dedicati

Contenuto energetico (p.c.i.) dei biocarburanti Carburante MJ / kg MJ / l Bioetanolo 27 21 Bio-ETBE 36 (37% rinnovabile) 27 (37% rinnovabile) Biodiesel 37 33 BTL (gasolio sintetico da biomasse) 44 34 Oli vegetali idrogenati (Hydrodiesel) 44 34 Olio vegetale puro 37 34 Biogas (biometano) 50 - Benzina 43 32 Gasolio 43 36 Fonte: European Parliament legislative resolution on the proposal for a Directive on the promotion of the use of energy from renewable sources (17/12/2008)

Percorrenza stimata per veicoli alimentati con biocarburanti prodotti da 1 ha di coltura Biometano 67.600 BTL 64.000 Biodiesel da colza Etanolo da cereali 23.300 22.400 Fonte: elaborazione ENEA su dati FNR (Fachangentur Nachwachsende Rahstoffe e. V. (2009) 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000

Riduzione delle emissioni di CO 2 per alcune filiere di produzione di biocarburanti Filiera Riduzione % emissioni CO 2 (valori tipici) Riduzione % emissioni CO 2 (valori di default) Etanolo da barbabietola 61 52 Etanolo da mais (calore da metano in cogeneraz.) 56 49 Etanolo da canna da zucchero 71 71 Biodiesel da colza 45 38 Biodiesel da girasole 58 51 Olio di colza puro 58 57 BTL da residui legnosi 95 95 Biometano da rifiuti solidi urbani 80 73 Biometano da reflui zootecnici umidi 84 81 Fonte: European Parliament legislative resolution on the proposal for a Directive introducing a mechanism to monitor and reduce greenhouse gas emissions from the use of road transport fuels (17/12/2008)

Uso del biometano in alcuni Paesi Europei Germania Il 12 marzo 2008 il Governo tedesco ha approvato una legge per l immissione in rete del biometano con l obiettivo di sostituire entro il 2020 il 10% dei consumi di gas naturale. La maggior parte dei costi sono a carico del gestore della rete e non dei fornitori Paesi Bassi A partire da aprile 2008 è attivo un sistema di incentivazione, il SDE, che premia anche il biometano. Il prezzo di riferimento per il biometano prodotto negli impianti di biogas dalla frazione organica dei rifiuti e dalle discariche è di 27,7 c/nm 3 per un periodo di 12 anni Fonte: EurObserv ER - Biogas Barometer (luglio 2008)

Uso del biometano in alcuni Paesi Europei Svezia La Svezia è particolarmente attiva nella produzione di biometano con 37 impianti di scrubbing operanti al 2007. Quattro di questi impianti immettono in rete circa 2 milioni di m 3 di biometano. Esistono numerosi meccanismi di incentivazione per l uso di biogas con un contributo del 30% agli investimenti per la costruzione di impianti a biogas che non è soggetto a tasse sulle emissioni di CO 2 Fonte: EurObserv ER - Biogas Barometer (luglio 2008)

Un esempo italiano: la discarica di Malagrotta Captazione e valorizzazione di biometano Produzione di biogas produzione complessiva di biogas: +/- 130 Nm 3 /trsu efficienza di captazione del biogas: 85% portata oraria di biogas captabile: +/- 6.7 Nm 3 /anno x trsu Impianto di upgrading del biogas a biometano presso la discarica di Malgrotta (Roma)

Un esempo italiano: la discarica di Malagrotta Composizione flotta autoveicoli alimentati a biometano Autovetture FIAT Marea Bipower: 4 Autocompattatori AMA: 18 Autocompattatori Co.La.Ri: 4 Pulmini ATAC: 8 Pulmini Co.La.Ri: 1

Grazie per l attenzione Dr. Vito Pignatelli ENEA - Dipartimento Biotecnologie, Agroindustria e Protezione della Salute C.R. Casaccia Via Anguillarese, 301 00123 S.M. di Galeria, Roma Tel. 0630484506 e-mail: vito.pignatelli@casaccia.enea.it