Bioupgrading del biogas

La piattaforma spagnola della biomassa, Bioplat, ha pubblicato recentemente uno studio sullo stato attuale della tecnica di purificazione biologica del biogas, nota come bioupgrading.
Si intende per "purificazione" (norma UNI 10458) l'eliminazione dell'anidride carbonica (CO₂), delle impurità (polveri e vapore d'acqua) e degli elementi corrosivi (idrogeno solforato, H₂S e ammoniaca, NH₃) dal biogas, in modo da ottenere biometano con un grado di purezza tale, che consenta il suo utilizzo efficiente come combustibile alternativo al gas naturale.

Allo stato attuale, sono disponibili commercialmente diverse tecnologie di purificazione del biogas. Le più note sono: l'adsorbimento per escursione di pressione (Psa, Pressure swing adsorption) la separazione con membrane, lo scrubbing con soluzioni alcaline oppure con ammine oppure con etilenglicole, la distillazione criogenica e, la più semplice di tutte, l'assorbimento della CO₂ con acqua a pressione. Tutte, senza distinzione, hanno pregi e difetti, per cui la scelta di una o dell'altra dipende da diversi fattori. Il più delle volte la scelta si basa più su dogmi di fede o sul numero di impianti di cui si vanta ogni fornitore, che su argomenti razionali quali, ad esempio, il rendimento exergetico del processo.

Poiché l'upgrading del biogas a biometano è sempre un processo complesso e/o costoso e/o exergivoro - richiede maggiormente energia elettrica, cioè exergia pura - è naturale che la ricerca si concentri su alternative più economiche, concretamente i processi biologici. Il più noto, utilizzato già nella stragrande maggioranza degli impianti in funzionamento, è la desolforazione biologica, ma l'SH₂ è solo una piccola frazione delle impurità del biogas. Almeno in teoria, un processo di bioupgrading dovrebbe essere più economico rispetto alle attuali tecnologie fisico-chimiche di eliminazione della CO₂. Un altro aspetto da non sottovalutare è quello culturale: i costruttori di impianti di biogas hanno un know-how più affine al processo del bioupgrading, rispetto alle tecniche consolidate da un secolo nel settore petrolchimico - come ad esempio lo scrubbing.

E' dunque più probabile per una università o un centro di ricerca ricevere dei finanziamenti dalle aziende costruttrici degli impianti, oltre che fondi pubblici, se concentra la sua attività scientifica su un argomento ancora poco conosciuto e con potenziale di mercato come il bioupgrading. E' possibile osservare le tendenze di pubblicazione utilizzando una tecnica nota come  analisi bibliometrica, la quale consiste nella ricerca dei titoli delle pubblicazioni scientifiche nelle basi di dati specializzate.
Lo studio spagnolo ha utilizzato i database di Web of Science (accesso in abbonamento), strumento molto utilizzato dai revisori accademici e dagli esperti in brevetti per valutare, rispettivamente, il curriculum dei singoli ricercatori o lo stato delle conoscenze di un determinato argomento.
 

Crescita esponenziale dell'interesse 

A livello mondiale sono state identificate 134 pubblicazioni scientifiche sulla purificazione biologica del biogas. Il 60% delle stesse appartiene a università ed enti di ricerca europei, probabilmente per la forte spinta politica che l'Unione europea ha dato al biometano per l'autotrazione. Come si può apprezzare dalla Foto 1, l'evoluzione temporale del numero di pubblicazioni è esponenziale negli ultimi sei anni: il 96% degli articoli sono stati pubblicati a partire dal 2012.
Il paese con più pubblicazioni è la Cina (37), seguito dalla Spagna (28), Danimarca (22), Italia (13), e Stati Uniti (11).

I processi di bioupgrading

Esistono quattro tecnologie di purificazione biologica del biogas, classificate di seguito in funzione del numero di pubblicazioni:

• Sistemi fotosintetici (75 pubblicazioni). Tali sistemi si basano nella credenza - quasi religiosa di alcuni accademici e funzionari di Bruxelles - che le microalghe siano capaci di assorbire la CO₂ in modo istantaneo, e che per fare ciò bastino piccoli volumi di fotobioreattori e acque residue, che verranno miracolosamente purificate dal processo. E' sintomatico che la maggior parte delle ricerche in questo campo siano europee, vista la generosità con cui la Ue ha foraggiato la ricerca sulle microalghe (si veda, dello stesso autore, I biocarburanti da alghe in Europa). Questo approccio ha una grande incongruenza logica: ammesso, e non concesso, che a far gorgogliare biogas in un fotobioreattore le alghe riescano a catturare tutta la CO₂, il prodotto della loro fotosintesi è l'ossigeno. Si avrà dunque all'uscita del fotobioreattore una miscela, potenzialmente esplosiva, di CH₄ e O₂, e non biometano.
• Sistemi chimioautotrofi, basati sulle Archaea idrogenotrofe (48 articoli). Tali sistemi si conoscono come P2G (Power to gas, si veda l'articolo dello stesso autore: P2G, la nuova frontiera delle agroenergie). Attualmente, la tecnologia P2G è la unica che sia passata dalla fase di ricerca di laboratorio alla fase commerciale (si veda Visita all'impianto Power to Gas di Allendorf). Esistono due categorie di sistemi P2G: in situ - nei quali la digestione e l'upgrading avvengono nello stesso reattore - ed ex situ - la metanazione acetoclastica e quella idrogenotrofa avvengono in reattori separati.
• Sistemi bioelettrochimici (21 pubblicazioni). Si tratta di sistemi nei quali i batteri anaerobici sono sottoposti a deboli correnti o a campi elettrici, mediante appositi elettrodi inseriti nel digestore. Alcune specie di batteri sono capaci di utilizzare tali correnti elettriche per produrre più acido acetico, precursore del CH₄. In altri sistemi, si forma H₂ nel catodo, il quale viene catturato dalle Archaea idrogenotrofe assieme alla CO₂, producendo CH₄ esattamente come nei sistemi P2G discussi sopra.
• Altri sistemi fermentativi (3 studi). Si tratta di sistemi orientati alla produzione di taluni ingredienti chimici, come ad esempio l'acido succinico - utilizzato nelle industrie alimentare e farmaceutica. In questi processi, il biometano è un mero sottoprodotto, lo scopo principale è rimpiazzare composti chimici di sintesi.

 

Conclusioni

Ci troviamo di fronte a tecniche ancora in fase di perfezionamento, per cui è difficile fare previsioni sull'effettiva entrata nel mercato delle stesse. Ma non è da scartare che, in un futuro non molto lontano, vedremo impianti di biometano dotati di bioreattori per la purificazione del biogas.
 

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Il giornalista Mario Rosato sarà anche relatore del webinar "Introduzione alla biologia della digestione anaerobica" il prossimo 29 novembre.