LUCA TOMASI SILVIA SILVESTRI ANDREA CRISTOFORETTI
Il tema del biometano appare quan- to mai attuale, soprattutto in virtù dell’introduzione imminente di incen- tivi statali per la sua produzione (D. Lgs. n. 28/11) e dell’avvenuta regola- mentazione del codice di rete SNAM per l’iniezione dello stesso nella rete
di trasporto e distribuzione del gas naturale. Il biometano, un gas che contiene almeno il 95% di metano, proviene da fonti rinnovabili in quanto ha un’origine biologica, ossia viene ottenuto dal biogas generato da processi di digestione anaerobica
From biogas to biomethane through wood ash
Biomethane can contribute to the EU objective of adopting 10% biofuels for
transport by 2020. The removal of CO2 from biogas using upgrading technolo-
gies makes it possible to achieve over 95% CH4, in order to obtain biomethane
for grid injection or/and transport use.
Major upgrading solutions are only economically sustainable for large plants, thus the development of low cost solutions would seems to be of interest. Previous projects have shown the ability of bottom ash from municipal solid
waste incineration (MSWI) to capture the CO2 present in landfill gas. The Fon-
dazione Edmund Mach began an experiment at its pilot plant, testing wood ash (widely present in alpine areas) remaining in the local district heating plant, in parallel with laboratory tests at the University of Florence.
Foto 1
Rifornimento di un autobus alimentato a metano
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Posizionamento reattore in prossimità della sezione di compressione Foto 2
Apparecchiatura utilizzata nei laboratori dell’Università di Firenze
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Impianto di digestione anaerobica della Fondazione Mach
Figura 1
Layout della linea di upgrading
Misuratori di portata, temperatura, pressione Analizzatore in continuo (CH4, 02,CO2) Analizzatore portatile (CH4, 02,CO2) Camera di calma Misuratore
di temperatura temperatura, pressioneMisuratori di portata,
Camera di calma Reattore
ceneri (700 lt)
di materiale organico (degradazione in assenza di ossigeno). Il biogas, ti- picamente costituito per il 55-65% di metano e per la restante parte di anidride carbonica e varie impurità (vapore acqueo, acido solfidrico, com- posti organici del silicio, ecc.), può es- sere purificato da queste ultime e, al fine di raggiungere le caratteristiche chimiche idonee per l’immissione in rete o l’utilizzo nei motori a combu- stione interna, essere sottoposto ad
un processo di separazione della CO2
in esso contenuta. Tale processo vie- ne chiamato upgrading.
Sono ormai molteplici le tecnologie sviluppate e commercializzate per l’upgrading del biogas, tuttavia - ad oggi - appaiono generalmente meno diffuse per taglie impiantistiche mi- nori, sia per limiti tecnologici sia per semplici ragioni di economicità di scala. In assoluto, tali tecnologie pre- sentano attualmente costi realizzativi piuttosto elevati e, pertanto, risultano economicamente sostenibili per trat- tare principalmente grandi produ- zioni di biogas, ma non per portate minori, tipiche di un piccolo impianto di trattamento anaerobico della bio- massa o - nel caso di impianti co/tri- generativi - di una sovrapproduzione di biogas da valorizzare.
Al fine di individuare metodi alter- nativi per realizzare un processo di upgrading con minore dispendio economico, alcuni gruppi di ricerca (Mostbauer et al. 2014 Waste Man. 34, 125-133; Lombardi et al. 2016 Waste
Man. 58, 287-298) hanno recentemen-
te indagato le proprietà che presenta- no le ceneri di combustione derivate
dagli impianti di incenerimento, di-
mostratesi capaci di adsorbire la CO2
contenuta nel biogas di discarica. Viste le premesse di cui sopra, gli sperimentatori dell’Unità Biomasse ed Energie Rinnovabili hanno ritenu- to interessante individuare e quanti- ficare eventuali analoghe proprietà delle ceneri da biomassa forestale - abbondantemente disponibili nei ter- ritori tipicamente alpini - nei confronti del biogas risultante dalla digestione anaerobica della frazione umida dei rifiuti urbani. Con il contributo del Fondo per lo Sviluppo Sostenibile della Provincia Autonoma di Trento, è stato avviato pertanto il progetto Up-Ash (Upgrading trough Ash). Le attività prevedono la collabora- zione con la facoltà di Ingegneria dell’Università di Firenze e l’Università Niccolò Cusano di Roma. Presso i la- boratori di Firenze si conducono test di upgrading in scala ridotta, utilizzan- do le ceneri prodotte dalla centrale di teleriscaldamento della Fondazione Mach, finalizzati a verificare le pro- prietà di adsorbimento nei confronti di un biogas simulato, costituito da una miscela di CO2 (in % simile a quel-
la riscontrabile in un biogas generico) e di azoto.
Dopo i primi test di laboratorio e dei risultati preliminari incoraggianti, le attività sono proseguite parallela- mente presso l’impianto pilota della Fondazione Mach, dove è stata alle- stita una sezione di upgrading in scala pilota a valle della linea di produzione di biogas esistente, realizzata e ge- stita dall’Unità Biomasse ed Energie Rinnovabili. Per l’alloggiamento della
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cenere viene sfruttato un reattore di proprietà della Regione Toscana, gentilmente messo a disposizione in comodato gratuito, precedentemen- te realizzato ed impiegato nell’ambito di un progetto sperimentale condotto presso una discarica di rifiuti indiffe- renziati.
I test prevedono che la portata di biogas generata dal digestore ana- erobico venga flussata attraverso il reattore contenente le ceneri, il tutto a tenuta d’aria. In uscita dal reattore, quindi, tale flusso viene analizzato in tempo reale e la prova viene con- dotta fino all’esaurimento del potere adsorbente, ossia fino alla lettura di valori significativi di CO2 in uscita dal reattore (>1%).
Rispetto ai test di laboratorio, le pro- ve in scala pilota risentono inevitabil- mente delle condizioni di processo, in questo caso di tipo batch e quindi discontinuo. Ad ogni carico di misce- la nel reattore anaerobico, i giorni di produzione continuativa di biogas si concentrano in due/tre settimane, su- perate le quali è necessario effettuare lo svuotamento del reattore, il carico di un nuovo quantitativo di mix e la seguente riattivazione del processo anaerobico da parte dei microrgani- smi presenti nell’inoculo.
Le prime prove condotte a S. Michele all’Adige hanno permesso di tarare il quantitativo di cenere più adeguato al flusso di biogas disponibile e di confermare ulteriormente il potere di uptake (adsorbimento) nei confron-
ti della CO2. 150 kg scarsi di cenere
(con 25% di umidità) si sono dimo- strati capaci di trattare un flusso me-
dio di biogas pari a circa 0,5 Nm3/h,
per una durata di alcune ore. I test proseguiranno nella primavera 2017 per caratterizzare quantitativamente il processo con maggiore definizio- ne. Tuttavia, grazie ai test condotti parallelamente in laboratorio, i primi risultati quantitativi indicano un po-
tere di uptake pari a circa 120 gCO2/
kgcenere, considerando una portata di
3,7 Nm3/(h*t
cenere) di gas simulato (45-
48% CO2), per una durata della pro-
va di circa 25 h (Lombardi et al. 2017
Convegno MatER). Tali valori di capa-
cità adsorbente superano di quasi un ordine di grandezza le prestazioni delle ceneri da inceneritore, a parità di restanti condizioni.
Il processo di upgrading, sino ad oggi realizzato tramite tecnologie com- plesse e piuttosto costose, in deter- minati contesti può essere condotto sfruttando materiali di scarto che al- trimenti non verrebbero valorizzati, impiegando infrastrutture impiantisti- che piuttosto semplici ed economiche e fornendo, pertanto, un’opportunità in più rispetto alle proposte presen- ti ad oggi sul mercato. I risultati dei primi test condotti nell’ambito del progetto Up-Ash testimoniano tale possibilità e le successive attività con- sentiranno di definire con maggiore precisione i parametri quantitativi che caratterizzano il processo e la qualità finale del biometano prodotto.
Figura 2
Risultati di laboratorio: andamento della frazione volumetrica di CO2 e di N2 in entrata ed in uscita durante il flussaggio
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Fr azione vo lumetrica Tempo [min]