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La produzione di biometano rappresenta un’importante soluzione per l’economia circolare e la transizione energetica, incluso il discusso processo di decarbonizzazione. Per produrlo, il biogas generato dalle biomasse organiche deve subire un processo di purificazione dai contaminati in esso contenuto, altresì conosciuto col nome di upgrading. Esistono diverse tecnologie impiegate nella produzione di biometano, ognuna con caratteristiche specifiche e un determinato impatto sull’ambiente.

Le principali tipologie di impianti di purificazione e upgrading sono riconducibili all’adsorbimento a pressione oscillante (PSA), al lavaggio ad acqua sotto pressione (Pressure Water Scrubbing), al lavaggio chimico (MEA, DMEA), al lavaggio fisico con solventi organici ed ai diffusi metodi di separazione tramite membrane.

PSA

Il PSA si basa sul principio dell’adsorbimento selettivo dei gas, sfruttando la capacità di determinati materiali adsorbenti, come il carbonio attivo o le zeoliti, di trattenere specifici componenti presenti nel biogas. Durante il processo di PSA, il biogas viene fatto passare attraverso uno o più letti di adsorbente. Mentre alcune impurità, come l’acqua e l’anidride carbonica, vengono trattenute dall’adsorbente, il metano puro viene lasciato passare e raccolto come biometano.

MEA, DMEA

Le tecniche MEA (Monoetanolammina) e DMEA (Dimetiletanolammina) sono utilizzate nella produzione di biometano per rimuovere l’anidride carbonica (CO2) presente nel biogas. Queste tecniche, note come processi di assorbimento chimico, possono adattarsi a diverse condizioni operative, garantendo una purificazione efficace anche in presenza di fluttuazioni nel contenuto di CO2 nel biogas di alimentazione. Tuttavia, è importante considerare alcuni aspetti critici legati al loro utilizzo, come la corrosività e la tossicità degli assorbitori chimici usati. Sono infatti necessarie precauzioni appropriate per garantire la sicurezza degli operatori e la protezione dell’ambiente durante la gestione di tali sostanze chimiche.

Lavaggio fisico con solventi organici

Secondo questa tecnica, il biogas viene fatto passare attraverso una colonna di solvente organico selezionato, come l’etanolo o il metanolo. Durante il processo, il solvente assorbe selettivamente le impurità come la CO2 e l’acqua presenti nel biogas. Il risultato è un biometano purificato, con un contenuto di CO2 e umidità inferiore ai requisiti richiesti. Un vantaggio del lavaggio fisico con solventi organici è la possibilità di regolare il processo in base alle condizioni specifiche. È possibile controllare la temperatura, la pressione e la composizione del solvente, nonché di riutilizzare il solvente organico adoperato per ottimizzare l’efficienza  e i costi operativi del processo.

PWS

Una delle tecniche più efficaci ed efficienti, non solo a livello di costi ma anche di impatto ambientale, è il lavaggio ad acqua sotto pressione (Pressure water scrubbing). Durante questo processo, il biogas viene fatto passare attraverso una colonna d’acqua (colonna di lavaggio), dove il liquido assorbe impurità quali NH3, H2S, CO2 e CH4. Il risultato è un biometano con un contenuto di metano superiore al 98%.

L’importanza del lavaggio ad acqua sotto pressione nel processo di upgrading del biogas è fondamentale per la rimozione di quegli elementi che potrebbero danneggiare gli impianti e i motori che utilizzano il biometano. 

Il lavaggio ad acqua sotto pressione offre numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche di upgrading del biogas: un processo semplice, che non comporta eccessive manutenzioni e  con un’efficienza di rimozione delle impurità superiore al 99%. L’acqua utilizzata nel processo può essere poi facilmente rigenerata e riutilizzata, rendendo il lavaggio ad acqua sotto pressione una soluzione sostenibile.

CMA sostiene e promuove il PWS come principale tecnica di upgrading del biogas, efficiente ed efficace per ottenere un biometano di qualità elevata a costi ridotti e riducendo l’impatto sull’ambiente.

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Il processo di purificazione del biogas non si ferma alla separazione del metano dall’anidride carbonica, ma comprende una serie di processi volti a rimuovere impurità e prodotti indesiderati come acido solfidrico (H₂S) e composti organici volatili (COV) quali silossani e terpeni, questi ultimi presenti soprattutto nei gas di fermentazione.

All’interno dell’upgrading – iter che porta all’ottenimento di biometano partendo dal biogas –, uno dei principali protagonisti per chi adotta la tecnologia a membrane sono senz’altro i carboni attivi. Per diventare tali, il carbone di origine vegetale o minerale subisce un processo di attivazione – realizzato in appositi forni con vapore ad alta temperatura – che provoca la formazione di minuscoli passaggi all’interno dei granuli di carbone (micropori) e la cui presenza ne determina l’attività.

In virtù del loro elevato potere adsorbente, i carboni attivi sono infatti grado di trattenere nelle proprie porosità particolari tipi di molecole, e vengono sfruttati nel processo di purificazione del biogas sia per rimuovere i contaminanti che per trattare gli odori.

Il carbone attivo può essere inoltre utilizzato impregnato di altre sostanze chimiche che ne incentivino le prestazioni, oppure non impregnato (specie nella rimozione dei terpeni); l’importante è scegliere la tipologia di carbone attivo sempre in base alla concentrazione e alla natura di ogni inquinante presente nel biogas.

I carboni attivi nel processo di upgrading: perché evitarli

Sebbene la filtrazione tramite carboni attivi possa sembrare necessaria all’interno del processo di upgrading per l’ottenimento del biometano, non è sempre il metodo più indicato né il più conveniente.

Nel caso di elevate concentrazioni di H₂S o COV, l’azione filtrante dei carboni attivi non sarà sufficiente ad eliminare i contaminanti e andrà combinata ad altre tecnologie quali lo scrubbing.

I costi della manutenzione che deve essere regolarmente effettuata ai filtri (pulizia, sostituzione, ecc) è poi alquanto elevata. Nell’ottica dunque di ridurre i costi e ottimizzare i processi rendendoli più snelli e sostenibili, eliminare la fase di pretrattamento tramite carboni attivi diventa così una necessità.

A beneficiare dell’esclusione dei carboni attivi dal processo di upgrading non sarà dunque solo l’azienda ma anche l’ambiente. Per questo CMA ha scelto di evitare di utilizzare i carboni attivi in pretrattamento, offrendo ai suoi clienti una tecnologia che consente di preservare l’ambiente ed abbattere i costi di manutenzione: il PWS.

Desideri scoprire di più sul processo di upgrading attuato da CMA? Consulta il nostro articolo dedicato.

Il processo di upgrading – incentrato sulla purificazione del biogas per trasformarlo in biometano, può sfruttare diverse tecnologie per raggiungere l’obiettivo. Una panoramica su queste era stata fornita in uno dei nostri precedenti articoli, descrivendone rapidamente vantaggi e svantaggi.

La tecnologia più diffusa, usata anche da CMA per i molteplici vantaggi che la caratterizzano rispetto alle altre tecniche di upgrading del biogas, prende il nome di Pressure Water Scrubbing (PWS).

Analizziamone i principi fondamentali, i componenti e le caratteristiche.

Pressure water scrubbing

Il lavaggio ad acqua sotto pressione è un metodo che sfrutta la maggiore solubilità della CO2 rispetto al CH4, soprattutto a basse temperature. Questo principio è alla base degli impianti PWS, simili agli impianti di lavaggio chimico e fisico con solventi organici ma che sfruttano un materiale differente per assorbire CO2.

Nel caso degli impianti PWS, il gas non purificato viene fatto passare attraverso una colonna di trattamento riempita di corpi di riempimento in PVC che hanno la funzione di aumentare la superficie di contatto tra il gas e il liquido. All’interno di questa colonna, il gas viene a contatto con un flusso d’acqua che scorre in direzione opposta. Il liquido che esce dalla colonna sarà così ricco di CO2, mentre il gas che esce sarà principalmente costituito da CH4.

Questa configurazione consente un’efficace separazione della CO2 dal gas grezzo, garantendo un gas purificato di alta qualità.

Colonne di lavaggio

Il cuore del sistema di epurazione per lavaggio all’acqua è costituito da una colonna verticale detta “scrubber” o “colonna di lavaggio”, appositamente dimensionata per assicurare il tempo di contatto necessario tra il gas e l’acqua di lavaggio. Tale colonna è attraversata da una corrente di acqua fredda iniettata dall’alto, ed una corrente di biogas sotto pressione proveniente dal basso.

Per la legge di Henry citata in un nostro articolo precedente, componenti quali NH3,H2S, CO2 e CH4 si dissolvono nell’acqua mano a mano che il gas risale la colonna, senza dunque bisogno di pretrattare il biogas.

L’acqua evacuata dalla colonna di lavaggio viene inviata nella flash tank che permette di recuperare ancora una parte del CH4 dissolto nell’acqua di lavaggio. Il CH4 ricavato a fine processo viene seccato e controllato per verificare le caratteristiche conformi ai valori richiesti dal codice di rete SNAM.

Dalla flash tank, l’acqua passa in seguito alla cosiddetta colonna di rigenerazione. Qui, il flusso d’acqua è attraversato da un flusso d’aria generato da un soffiante che ha il compito di raffreddare l’acqua pompata dal basso e reiniettata dall’alto nella colonna di lavaggio attraverso una pompa verticale.

I vantaggi del lavaggio ad acqua

Il numero ridotto di componenti richiesti, di facile manutenzione e il cui funzionamento esclude la fase di pretrattamento del biogas, fanno della tecnologia PWS un processo semplice, durevole ed efficace. A differenza delle altre tecnologie di upgrading, il Pressure Water Scrubbing richiede meno complessità nei sistemi di controllo. Ciò si traduce in costi operativi inferiori e una minore dipendenza da manutenzione e sostituzione di componenti sensibili. Infine il Pressure Water Scrubbing rappresenta anche un metodo ecologico per la purificazione del biogas. Il lavaggio ad acqua permette di trattare fino a 500 ppm di H2S a regime e fino a 1000 ppm in picco; fino a 500 ppm di NH3 e fino a 50 mg/NM3 di COV, senza richiedere l’uso di sostanze chimiche o reagenti costosi.

In questo modo vengono ridotti non solo i costi, ma anche l’impatto ambientale complessivo del processo.

Rispetto ad altre tecnologie presenti sul mercato, la principale differenza del sistema proposto da CMA Srl risiede nella semplicità di gestione e nella sostenibilità che lo contraddistingue (facendo leva su un utilizzo esclusivo dell’acqua a circuito chiuso, senza introdurre particolari agenti chimici). Tale sistema è adatto ad impianti dalle dimensioni più comuni, producenti da uno a tre Megawatt, ed è prevalentemente rivolto al settore agricolo e dell’allevamento. Tuttavia, può essere sfruttato anche per la produzione di biometano da rifiuti solidi urbani, FORSU.

In conclusione, la soluzione proposta da CMA può rendere la produzione di biometano semplice e sostenibile, riducendo i costi operativi e di gestione e permettendone l’utilizzo in varie situazioni.

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