La biometanazione (o metanazione biologica) è un processo biochimico attraverso cui particolari microrganismi, gli Archea metanogeni, producono metano partendo da idrogeno molecolare e anidride carbonica.
Le ultime conferenze delle Nazioni Unite hanno sancito gli obblighi ai quali ogni Paese deve attenersi per raggiungere la neutralità carbonica nel 2050. Da qui l’importanza di individuare nuovi vettori e fonti energetiche rinnovabili per garantire la transizione energetica. Quest’ultima è la tendenza di abbandonare i mix energetici di natura fossile a favore di fonti energetiche rinnovabili e a zero emissioni di carbonio, dunque meno impattanti sull’ambiente. Al momento sono due i vettori energetici sotto i riflettori: il biometano e l’idrogeno.
Biogas e biometano
Il biogas è una miscela gassosa composta principalmente da metano (CH4) e anidride carbonica (CO2), più una serie di gas minori classificati come impurezze del biogas. Tra questi composti si annoverano l’acqua sotto forma di vapore (H2O), ossigeno (O2), idrogeno solforato (H2S) e ammoniaca (NH3).
Il biogas è prodotto da un vero e proprio consorzio microbico che, attraverso diverse fasi, opera la degradazione della sostanza organica liberando le diverse molecole gassose. Quest’ultima trova impiego per la produzione di energia elettrica e di calore grazie ad appositi impianti di cogenerazione. In questo caso, la CO2 emessa in atmosfera rappresenta la stessa quota di carbonio stoccato all’interno delle matrici vegetali introdotte all’interno nel digestore. Per cui, è garantito l’equilibrio del ciclo carbonio (Carbon neutrality), a differenza di quanto avviene con l’impiego di fonti carbon-fossili.
Il biogas, se opportunamente trattato, può anche essere utilizzato in sostituzione del gas naturale. I trattamenti a cui il biogas deve essere sottoposto hanno come obiettivo l’abbattimento delle impurità, in particolare dell’H2S e della CO2.
L’abbattimento delle concentrazioni di CO2 va sotto il nome di upgrading del biogas, al termine del quale si ottiene biometano. Quest’ultimo è un gas dall’elevato tenore di CH4 che può essere impiegato per fini energetici, quindi immesso nella rete del gas naturale (substitute natural gas, SNG) oppure utilizzato nel settore dell’autotrazione (compressed natural gas, CNG).
L’idrogeno verde
L’idrogeno è l’elemento più abbondante in tutto l’Universo e non a caso anche il primo ad essersi formato a seguito di processi di nucleogenesi indotti dal Big Bang. Nonostante ciò, è quasi impossibile trovarlo nella sua forma elementare di H2. Lo si trova, infatti, sempre associato ad altri elementi a formare diversi composti: principalmente H2O, ma anche NH3, CH4 e tanti altri. Pertanto, l’unico modo per avere idrogeno molecolare è produrlo attraverso processi di sintesi. Attualmente, la maggior quota di idrogeno è prodotta secondo processo di steam reforming del metano e viene identificato con la denominazione “idrogeno grigio”.
CH4 + H2O -> CO2 + 3 H2
Lo steam reforming determina la produzione di CO2. Per cui, utilizzando il gas naturale si emettono in atmosfera ingenti quantità di CO2 risultando, difatti, estremamente impattante sull’ambiente. A tal proposito, il mondo della ricerca sta spostando la sua attenzione su metodi alternativi e più green di produrre idrogeno (denominato “idrogeno verde”) e impattare meno sull’ambiente. Nello specifico si fa riferimento soprattutto al processo di elettrolisi che consiste nella scomposizione della molecola dell’acqua in idrogeno e ossigeno:
2 H2O -> H2 + O2
Affinché l’idrogeno prodotto sia a basso impatto sull’ambiente, bisogna far sì che l’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi sia fornita da fonti energetiche rinnovabili (fotovoltaico, eolico). Così facendo, l’unica emissione è rappresentata dall’ossigeno.
Il punto di incontro tra biogas e idrogeno: la biometanazione
Come già detto, l’idrogeno e il biogas/biometano rappresentano i due vettori energetici protagonisti nella transizione energetica. In più, idrogeno e biogas possono convergere entrambi nella stessa linea che comporta la produzione di biometano. Si tratta della biometanazione condotta dagli Archea metanogeni che utilizzano l’idrogeno per convertire l’anidride carbonica in metano:
CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O
Secondo il processo di biometanazione, il biogas può essere convertito in biometano, processo che in ogni caso già si registra naturalmente all’interno nel digestore anaerobico. All’interno della comunità microbica formatasi all’interno in un digestore anaerobico vi è un particolare gruppo di Archea metanogeni che va sotto il nome di “idrogenotrofi”. Questi ultimi operano in ambiente anaerobico una reazione di ossido-riduzione (REDOX) secondo cui il carbonio dell’anidride carbonica acquista elettroni (agente ossidante), mentre l’idrogeno li cede (agente riducendosi), convertendosi in metano e acqua, rispettivamente.
La tecnologia di biometanazione
Nella pratica, il processo di biometanazione può essere condotto secondo due diverse modalità:
- intervento in-situ, l’idrogeno è introdotto direttamente nel digestore anaerobico, all’interno del quale si produce biogas;
- intervento ex-situ, il trattamento di upgrading viene svolto all’interno di un reattore anaerobico a sé stante, contenente la biomassa microbica arricchita in metanogeni, nonché alimentato in continuo da biogas e idrogeno opportunamente miscelati.
In entrambi i casi devono essere garantite le condizioni operative atte a garantire la crescita e la corretta attività microbica. Si fa riferimento a temperature intorno ai 37 °C e valori di pH intorno alla neutralità o lievemente acidi (6.8-7.8).
A differenza delle più tradizionali tecnologie di upgrading del biogas, la conversione biologica dell’anidride carbonica consente di ottenere un significativo aumento della produzione di metano, con un contestuale abbattimento delle emissioni in atmosfera. Infatti, i più consueti processi di upgrading comportano il solo allontanamento della molecola inquinante, come avviene per i processi di natura fisica (upgrading a membrane) o di tipo chimica (upgrading con soluzioni assorbenti). Al contrario, l’upgrading biologico determina una conversione dell’anidride carbonica, riducendo difatti le emissioni in atmosfera.
L’elemento chiave del processo di biometanazione è la presenza degli Archea metanogeni del tipo idrogenotrofi. A tal proposito, esistono diverse modalità con cui incrementare la popolazione di metanogeni, tra questi per esempio si può citare la bioagumentation. Questa pratica consiste nell’arricchimento endogeno dei microrganismi afferenti ad una particolare popolazione attraverso colture miste (più efficaci) o pure (di più difficile gestione).
Fonti
- Muñoz R., Meier L., Diaz I., Jeison D., (2015). A review on the state-of-the-art of physical/chemical and biological technologies for biogas upgrading. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 14, 727-759
- Kougias P.G., Treu L., Benavente D.P., Boe K., Campanaro S., Angelidaki, I., (2017). Ex-situ biogas upgrading and enhancement in different reactor systems. Bioresource Technology, 225, 429-437.
- Angelidaki I., Treu L., Tsapekos P., Luo G., Campanaro S., Wenzel H., Kougias P.G., (2018). Biogas upgrading and utilization: Current status and perspectives. Biotechnology advances, 36(2), 452-466.
- Rosato M.A., 2021. Luci sul bioupgrading del biogas. Agronotizie
- Glasgow COP26 – 26^ Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici
- Parigi COP 21 – 21^ Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici
