Il Biometano
Emissioni a confronto
F. Valerio
Chimico Ambientale
1
Tutte i materiali vegetali e animali,
compresa la frazione organica dei rifiuti urbani,
con trattamenti biologici
(digestione anaerobica)
producono una miscela gassosa
con una elevata concentrazione di metano,
denominato BIOGAS
e uno scarto fangoso chiamato
DIGESTATO
• E’ un processo naturale, vecchio un miliardo di
anni, all’origine del gas naturale (metano) che
usiamo quotidianamente e che continua
ancora oggi nei terreni acquitrinosi, nei
sedimenti lacustri, nell’apparato digestivo dei
ruminanti.
• E’ un processo che abbiamo imparato a
sfruttare in impianti (biodigestori) in cui
“alleviamo” i batteri che hanno questa
singolare proprietà, dando loro da mangiare
biomasse di scarto o appositamente coltivate.
Digestore anaerobico, centrale a biogas
con diretto spandimento del digestato
nei terreni agricoli
Impianti come questo, finalizzati a produrre energia elettrica,
sono energeticamente inefficienti e
concentrano su un’area ristretta
gli inquinanti emessi dalla combustione del biogas
17.000 ton/anno di insilato grano, erba e pollina
Bieringen (Germania)
4
Digestore di scarti d’industrie alimentari (Findus)
per la produzione di biometano immesso in rete
e usato per autotrasporto
Una delle 150 “bio-raffinerie”
attive in Europa
Bjuv, Svezia. 65.000 ton/anno
BIODIGESTORE:schema
Ingresso
scarti
biodegradabili
Uscita biogas grezzo
Uscita effluenti
liquidi
Uscita digestato
6
• Gli “scarti” di questa attività microbica sono:
– una miscela di gas (biogas)
– e di digestato: un residuo semi-solido,
biologicamente stabile, formato da
• molecole organiche poco degradabili (lignina)
• resti dei batteri morti
• composti inorganici
– azoto, fosforo, potassio
Digestato essiccato
BIOGAS
• Il biogas è il prodotto dell’attività metabolica
di microorganismi che, in assenza di ossigeno,
utilizzano biomasse vegetali ed animali, quali
fonti di cibo.
• La progressiva trasformazione delle complesse
molecole organiche delle biomasse (proteine,
grassi, zuccheri, cellulosa..) fornisce energia ai
microorganismi e permette la loro
riproduzione.
Bilancio di massa di un
Digestore anaerobico a “Rifiuti (quasi) Zero”
Gargazzone (BZ)
10
Digestato compostato
con cippato di legno
Quanto biogas si produce con
1.000 kg di biomasse ?
metri cubi
biogas
kg
biogas
Frazione organica rifiuti urbani
120
132
Scarti di macellazione misti
100
110
Insilato di mais
200
220
Biomassa digerita
Bilancio di massa impianto Biogas
(Gargazzone BZ)
• In ingresso
– 12.000 ton frazione organica da PaP
– 2.500 ton Cippato di legno
– Totale : 14.500 ton
• In uscita
– 5.000 ton Compost
– 1.320 ton Biogas
– Totale: 6. 320 ton
13
Che fine hanno fatto le 8.180 tonnellate di
materia che mancano all’appello?
• In atmosfera
– vapore acqueo, anidride carbonica, metano,
composti organici volatili…
• Negli effluenti liquidi
– solidi sospesi, sali...
• Scarti solidi
– Sacchetti plastica, stracci, legno, sabbia, ossa,
gusci…
Recupero di materia
La digestione anaerobica
della “frazione organica”
e il compostaggio del digestato
permettono un recupero di materia
pari al 43,6 %
della materiali post consumo trattati
Composizione (% in volume) di
gas naturale e biogas grezzo
Componente
Gas naturale
Biogas grezzo
Metano (CH4)
Etano (C2H6)
Anidride carbonica (CO2)
Azoto (N2)
Idrogeno solforato (H2S)
Cloro
81 - 87
<6
1,5 - 4,5
0,3 - 14
< 140 mg/m3
0^
53 - 70
< 0,1
30 - 47
0,2
0 - 1.400 mg/m3
5 - 850 mg/m3
^ gas naturale mare del Nord
Composti pericolosi in biogas grezzo
prodotto da fonti diverse
milligrammi/metro cubo
Fonte del biogas
Scarti agricoli
Scarti di
cucina
Rifiuti
organici
Discarica
Idrogeno solforato
1.500
5.200
390
610
Tetra-cloro-etilene
15
0,52
7,4
260
2,1
<0,17
39
5
40
850
Benzene
Cloro totale
25
17
Composti indesiderati
• La composizione chimica del biogas grezzo
dipende dalla “pulizia” delle biomasse
digerite.
• Frazioni organiche derivanti da raccolta
differenziata Porta a Porta producono biogas
con una bassa concentrazione di composti
indesiderati
USI DEL BIOGAS
• Alimentazione motori a motori interna
per produrre elettricità e calore,
dopo aver ridotto con trattamenti chimici,
fisici e biologici la concentrazione di
zolfo, CO2 , vapore acqueo
Problemi
• L’impatto delle emissioni della combustione
del biogas è concentrato nel sito che ospita
l’impianto
• Difficoltà di recupero del calore prodotto per il
raffreddamento del motore
La soluzione
• Raffinazione del biogas a biometano, da
immettere nella rete del gas in sostituzione di
“metano” fossile e da usare come carburante
per autotrazione e per usi civili ed industriali
Da Biogas a BIOMETANO
• RAFFINAZIONE
– Si riduce la concentrazione di componenti
problematici per il trasporto nella rete di
distribuzione e per gli usi finali: acqua, composti
solforati, azoto, silossani, particolato
• ARRICCHIMENTO del CH4
– Rimozione della CO2
Raffinazione
Tecniche utilizzate per la raffinazione del gas
naturale (assorbimento carboni attivi, filtrazione,
trattamenti biologici)
sono applicate al biogas per ottenere
– Deumidificazione
– Desolforazione
– Eliminazione di polveri, mercaptani, ammoniaca,
composti organici volatili
Arricchimento del biogas grezzo
• Le principali tecniche di arricchimento
utilizzate per ridurre la concentrazione di
anidride carbonica ed aumentare quella del
metano sono:
– Adsorbimento a pressione oscillante
– Lavaggio ad acqua in pressione
– Lavaggio chimico
– Separazione con membrane
Composizione (% in volume)
gas naturale e biometano
Componente
Metano (CH4)
Gas inerti (CO2+ N2)
Zolfo totale
Cloro
Gas naturale Biometano
> 81
> 96
1,5 - 4,5
<3
< 150 mg/m3 < 10 mg/m3
0
< 1 mg/m3
u.m.
Potere
calorifico MegaJoule
Gas naturale
Biometano
39,9
30,2- 47,2
Il biometano, attualmente
prodotto in Europa,
ha
caratteristiche chimiche
ed energetiche
molto simili
a quelle del gas naturale (metano)
USI DEL BIO-METANO
• auto-consumo dell’impianto: trasporto,
digestione, compostaggio, raffinazione,
immissione in rete (minimo 11% , massimo
25% del biometano prodotto)
• utenza domestica (riscaldamento, cottura)
• co-generazione ad alta efficienza in impianti
centralizzati (condomini)
• autotrasporto pubblico e privato con basso
impatto ambientale
28
Distributore di biometano
(Svizzera)
29
Distributori di biometano
per automezzi pesanti
(Germania, Francia)
30
L’immissione in rete di biometano
è in atto e normata, in Francia,
Germania, Svezia, Olanda, Austria,
Svizzera…
31
Numero d’impianti che producono
biometano
150 in Europa
0 in Italia
Verso uno standard europeo
per il biometano in rete
Rete distribuzione gas naturale
Rete dei gasdotti nazionali e
regionali
IL BIOMETANO E’ DANNOSO
PER LA SALUTE?
TANTO QUANTO IL GAS NATURALE
G.M. Naja et al. Stima dei rischi potenziali del biogas.
Renewable Energy 36 (2011) 3445-3451
A confronto dell’uso domestico di gas naturale,
l’iniezione nella rete di biometano, prodotto dalla
fermentazione anaerobica di:
– Frazione organica di rifiuti urbani da raccolta differenziata
– Rifiuti urbani ed assimilati smaltiti in discarica
– Scarti agricoli e di ristoranti
non aggiunge rischi chimici e microbiologici
agli utilizzatori.
37
Raccomandazione degli autori
Prima dell’autorizzazione,
simili studi devono essere condotti
anche su biometano
prodotto dalla fermentazione anaerobica
di fanghi di depurazione delle acque
e di scarti industriali,
al momento non valutati.
Fattori di emissione
Quantità di inquinanti emesse,
a parità di energia prodotta (elettricità + calore)
Unità di misura dell’energia: Giga Joule (GJ)
1 GigaJoule = 277,7 kiloWattore
Fattori di emissioni di impianti cogenerazione danesi
(< 25 MWe)
alimentati con metano, biogas, rifiuti urbani,
carbone*
Unità
misura
Motori Motori
metano biogas
Rifiuti
Carbone*
Polveri
gr/GJ
0,76
2,63
< 2,1
30
NOx
gr/GJ
168
540
124
310
PM10
mg/Gj
189
451
1.126
20.000
PM2,5
mg/Gj
161
206
1.084
9.000
* Centrali cogenerazione > 50 MWt
Fattori di emissione di
centrali di tele-riscaldamento danesi,
con potenza motori < 25 MWe
CO
SO2
Odori
Unità misura
Gas naturale
Biogas
g/GJ
58
310
g/GJ
OU/m3
x
8.229
19
18.516
41
• Poiché la composizione chimica del biometano
è molto simile a quella del gas naturale è
ragionevole attendersi che anche i loro fattori
di emissioni siano simili
• Certamente i combustibili gassosi hanno
fattori di emissione delle polveri sottili
nettamente inferiori a quelli di combustibili
liquidi e gassosi.
Quanto costa produrre biometano?
• Uno studio, pubblicato dal ministero austriaco per i
trasporti, l’innovazione e la tecnologia (BMVIT),
mostra che, per un impianto di medie dimensioni
(135 m3/ora), il costo complessivo del biometano, si
attesta tra i 7 e gli 8 cent/kWh.
• Il metano oggi ci costa 9,3 cent/kWh
• Gli investimenti per produrre biometano si
giustificano per impianti di taglia medio-grande, a
servizio delle grandi città (Genova, Roma, Napoli,
Milano..)
Conclusioni 1
• La produzione di biometano da immettere nei
gasdotti, dopo digestione anaerobica di
frazioni organiche da raccolta differenziata
(PaP), è una tecnologia matura ed in rapida
espansione
• Il suo sviluppo, sostituirà quote crescenti di
“metano” fossile, senza modifiche significative
delle attuali emissioni in atmosfera di
inquinanti prodotti dall’uso del “metano”
Conclusioni 2
• La qualità del compost, del digestato
compostato, del biogas, del biometano
dipende dalla qualità delle frazioni organiche
trattate
• La raccolta differenziata (Porta a Porta e
di Prossimità) è ineludibile per garantire la
qualità dei suoi prodotti di trasformazione
Conclusioni 3
• L’autoconsumo per la produzione di biogasbiometano non induce aumenti della
domanda nazionale di energia
• Lo sviluppo del biometano non ostacola
politiche di incentivi all’efficienza energetica
• L’uso del biometano, in sostituzione di
combustibili liquidi e solidi ed in impianti di
cogenerazione contribuirà a diminuire le
emissioni inquinanti
Conclusioni 4
• In base alla composizione chimica, prevista
dagli standard europei più restrittivi, è
ragionevole prevedere che il biometano possa
essere il combustibile da fonti rinnovabili con
il più basso fattore di emissioni inquinanti,
pari a quelle del “metano”
• Il rispetto degli standard sarà garantito dai
controlli del gestore della rete di distribuzione
del gas, a tutela dei suoi impianti e dei suoi
clienti
Grazie per l’attenzione
E per saperne di più:
http://federico-valerio.blogspot.com