Il variegato universo del gas: metano ma anche no a cavallo tra fossile e rinnovabile

gasPrendo ancora una volta spunto, oggi, da un altro grandissimo articolo divulgativo, uscito nell’ultimo numero del trimestrale “La rivista dei combustibili”, edita dalla SSI Stazione Sperimentale dei Combustibili, organizzazione con la quale mi sono più volte complimentato per la straordinaria opera di studio e ricerca nell’ambito dei combustibili, ma oramai in senso più ampio, dei vettori energetici, e di cui proprio alcuni giorni fa avevo preso un interessante spunto per un post, a mio avviso molto interessante (vedi post Kyoto, il COP18 ed il metabolismo energetico di base dei paesi industrializzati”). Una organizzazione che, operando prevalentemente nei combustibili fossili, ha esteso progressivamente il suo ambito ai biocombustibili ed ad zone di sovrapposizione tra fossili e rinnovabili, con una area molto estesa e composita come quella del gas, che, nel futuro modello energetico che si vanno delineando è destinata ad interpretare, quasi completamente insieme alla biomasse, il ruolo di combustibile a fianco delle rinnovabili, in un nuovo contesto completamente decarbonizzato e depetrolizzato. Un autentico viaggio nel mondo del “gas”, troppo spesso semplificato a “metano”, è quello che ci fanno fare nel loro interessante articolo, Paola Comotti e Silvia Bertagna di SSI (link sito Stazione Sperimentale dei Combustibili). scaricabile in calce al post, e di cui cercherò di evidenziare gli aspetti principali. Nel lessico comune quando si parla di “metano” ci si associa ad concetti e contesti abbastanza generici che abbracciano gran parte dell’universo dei prodotti energetici oggi utilizzabili, dando luogo a fraintendimenti o ad errate interpretazioni. Differente è infatti il colloquio tra due chimici puri, per i quali il metano corrisponde ad una specifica molecola organica CH4, costituita da un atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno, o, in altri termini, un insieme di molecole costituito al 100 % da molecole, rispetto al dialogo tra due cittadini, alle prese con le bollette di utenza, nella quali l’oggetto di riferimento è in realtà non già lo stesso metano, ma il gas naturale (GN), di cui il metano è il componente principale, presente in Italia in miscela distribuita di gas naturale con una percentuale variabile tra l’85% e il 99%. Il discorso sul gas si è in questi ultimi anni ulteriormente allargato, proprio grazie ad uno degli ambiti più importanti delle rinnovabili, quello delle agri-energie e specificatamente con il boom degli impianti a biogas, virtuosissima pratica che permette alle aziende agricole, anche di piccole dimensioni, di aumentare l’economicità di gestione, valorizzando la parte di scarti residuali di lavorazione, non ha prevalente base lignea, di divenire una grande fonte di introito come energia elettrica o come vettore biogas da immettere nelle rete con questa opzione però ancora non normata nel nostro paese. Anche in questo caso, un dialogo sul tema biogas e/o biometano, vengono spesso utilizzati sinonimi, non corretti come “metano puro”, dove in realtà la percentuale di metano si presenta in percentuali variabili tra il 50 e il 75% circa nel caso del biogas salendo al 95 e il 98% se si parla di biometano. E’ abbastanza evidente quindi la varietà tecnologica del quartetto di gas, metano, gas naturale, biogas, biometano, possedendo ognuno un proprio “quid” con caratteristiche chimico fisiche e commerciali, trovando in quanto tale riscontro, solo in definizioni facenti riferimento alla normativa ed alla legislazione sia già pubblicata che in via di pubblicazione come quella sul biometano di cui accennavo prima. Ma vediamo di fare una sintetica carrellata del quartetto”, rimandando all’articolo di Paola Comotti e Silvia Bertagna, tutti gli approfondimenti del caso.

ch4

Metano: Definizione stringete strettamente mutuata dalla chimica, per la quale, su qualsiasi testo didattico di chimica organica si individuano i concetti-base associati al metano che è un idrocarburo della famiglia degli alcali, costituito dalla la piu semplice molecola (CH4) composta esclusivamente da carbonio e idrogeno in forma di legame strutturale tetraedrica (angolo 109,5°) perfettamente simmetrico, in cui la polarita dei singoli legami carbonio-idrogeno viene annullata.

Gas naturale: per la corretta definizione ci viene incontro la normativa tecnicagas_naturale nell’ambito della Norma UNI EN ISO 14532, meglio nota anche come “Vocabolario del Gas Naturale” e dove si evince che il gas naturale “non e” sinonimo di metano, bensi è definito come ”una miscela complessa di idrocarburi, composta principalmente da metano, ma che generalmente include, quantità sensibilmente minori di etano, propano e idrocarburi superiori e alcuni gas non combustibili come ad esempio azoto e anidride carbonica”. Relativamente poi alla definizione delle caratteristiche che il gas naturale deve avere per la immissione in rete, è stata specificatamente emanata in Italia una regola tecnica del gas combustibile, nell’ambito del D.M 19/2/2007, dove vengono indicati i valori di accettabilità nel gas naturale di altri componenti come anidride carbonica, solfuro di idrogeno, zolfo totale, zolfo da mercaptani, ossigeno e azoto. La stessa regola tecnica impone inoltre il rispetto dei valori di accettabilità delle proprietà chimico-fisiche quali il potere calorifico superiore, l’indice di Wobbe, la densità relativa, il punto di rugiada degli idrocarburi e il punto di rugiada dell’acqua per quanto riguarda la miscela di idrocarburi che fa parte del gas naturale e cioè metano, etano, propano, iso-butano, esano e superiori. Oltre a tutto ciò poi, il gas naturale immessi bile in rete deve essere “tecnicamente libero” da componenti non espressamente citati nella regola tecnica. Di fondamentale importanza, in questo contesto, il rispetto dell’indice di Wobbe, inteso come il principale indicatore dell’interscambiabilità dei gas carburanti come il gas naturale, il GPL e quindi come parametro di raffrontabilità, definito come il rapporto tra il Potere Calorifico Superiore del Gas per unità di volume e la radice quadrata della sua densità relativa nelle stesse condizioni di riferimento. Un parametro di fondamentale importanza per il corretto funzionamento in sicurezza degli apparecchi utilizzatori di gas che devono rispondere ai requisiti imposti dalla norma UNI EN 437 riguardante i gas di prova, le pressioni di prova e le categorie di apparecchi relativamente all’utilizzo di gas combustibili che costituisce un documento di riferimento per le norme specifiche relative agli apparecchi che rientrano nello scopo della Direttiva del Consiglio Europeo sulla omogeneizzazione delle legislazioni degli Stati Membri relativamente agli apparecchi a gas.

Biogas: come dicevamo una delle nuove dimensioni del gaa, il biogas è costituito da una miscela di gas provenienti dalla degradazione biologica attraverso un processo di digestione anaerobica da parte di specifici batteri di substrati organici di origine diversa come:

biogas_schema

La definizione di biogas, c’è la fornisce in questo caso la norma tecnica UNI 10458:2011, definito come “miscela gassosa prodotta nel corso del processo di digestione anaerobica costituita in prevalenza da metano (>50% v/v), anidride carbonica e, in piccole quantità, da impurezze quali idrogeno, azoto, ossigeno, acido solfidrico, mercaptani, ammoniaca e acqua”. Quello della digestione anaerobica è un processo biochimico composto da una concatenazione di fasi successive
idrolisi,
• acidogenesi,
• aceto genesi
• metanogenesi)
tutte fasi ottimizzate tra loro, nei processi impieganti appositi reattori, attraverso il controllo dei parametri di processo che influenzano la velocità delle reazioni biochimiche coinvolte, in primis la temperatura. E’ proprio su questa base che si classificano le varie tipologie impiantistiche per la produzione di biogas da parte dei batteri anaerobi coinvolti che può avvenire a tre diversi livelli di temperatura, corrispondenti ad altrettanti livelli temporali di maturazione del biogas:

  • Impianti psicrofili (5-25°C) con lunghi tempi di maturazione del biogas anche fino a 90 giorni;
  • Impianti mesofili (32-42°C) con tempi di maturazione media del biogas
  • Impianti termofili (50-57°C) con tempi rapidi di maturazione del biogas amche < 30 giorni. 

Il biogas così ottenuto è costituito da metano (in percentuali comprese tra 50 e 75%), anidride carbonica (25-45%), vapor d’acqua (2-7%) e altri gas denominati componenti minori, come l’H2S (idrogeno solforato), presenti in percentuali molto basse.
Le principali tipologie di digestione anaerobica sono:

Biometano: l’ultimo arrivato come classificazione è infine il biometano, viene definito nelBiometano D.Lsg 28/11, in Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili che lo ha definito come “gas ottenuto a partire da fonti rinnovabili avente caratteristiche e condizioni di utilizzo corrispondenti a quelle del gas metano e idoneo alla immissione nella rete del gas naturale”. Un tassello mancante per l’Italia è il decreto che consentirà di utilizzarlo nell’autotrazione o di immetterlo nella rete nazionale del gas il biometano prodotto negli impianti, mentre in alcuni Paesi Europei il biometano e già utilizzato come combustibile per autotrazione o immesso in rete. Una considerazione importante per il biometano riguarda i limiti di accettabilità dei componenti minori presenti nel biometano, differenti e non omogenei tra i vari Stati Membri. Per questo la Comunita Europea ha deciso di uniformare la qualità del biometano in Europa emanato il Mandato M 475 (vedi interessante presentazione CIB) in base al quale il CEN (European Committee for Standardizationhttps://www.cen.eu/cen/pages/default.aspx), attraverso la costituzione del Project Committee CEN/TC 408Biomethane for use in transport and injection into the natural gas grid” ha in corso la definizione delle caratteristiche del biometano da usare per autotrazione e da immettere in rete di gas naturale, orientato a soddisfare i requisiti di sicurezza previsti dalla Direttiva 2009/73/CE per la quale il biometano deve rispettare quanto già richiesto al gas naturale ed inoltre, proprio per quei composti minori non presenti nel gas naturale, rientrare nei limiti di accettabilità che verranno definiti dal CEN TC 408. Molti i composti minori potenzialmente più frequentemente presenti ci sono NH3, F, Cl, HCl, CO, CO2, HCN, O2, H2S, H2, COS, mercaptani, composti siliconici, idrocarburi superiori. Ulteriore compito del Comitato CEN/TC 408 sarà la definizione dei metodi analitici necessari per il controllo del rispetto di tali limiti. Tutto questo in un contesto in cui gli Stati Membri sono sottoposti alla “regola dello standstill”, che prevede che gli stessi non possano emanare norme nazionali su questo argomento. Fondamentali quindi, per la piena consacrazione del biometano per sia l’autotrazione che per la rete nazionale le tecnologie di purificazione, orientate alla rimozione delle citate componenti minori, oggi ricche di diversi approcci tecnologici orientati alla deidratazione o deumidificazione, alla desolforazione, alla rimozione dell’acido solfidrico (H2S), alla eliminazione di polveri, dei mercaptani, dell’ammoniaca e altre componenti, rimozione di quantità residue di ossigeno e azoto, possibili oggi con diverse opzioni tecnologiche come:

  • Adsorbimento a pressione oscillante;
  • Lavaggio ad acqua in pressione;
  • Lavaggio chimico o con solventi;
  • Utilizzo di membrane.

Al confine tra fossile e rinnovabile

Un autentico universo quindi oramai quello che si muove intorno al termine metano, sempre uguale a se stesso quando considerato come “molecola”, vista la struttura chimico-fisica costante; con il gas naturale, anche se spesso impropriamente chiamato “metano”, che è in realtà una miscela di gas combustibile di origine fossile a differenza del biogas e del biometano che sono combustibili ottenuti dalla degradazione, in tempi recenti, di materiale di origine biologica. Per inciso si può ricordare che un combustibile fossile può essere distinto da uno biologico di origine recente ad esempio tramite lawibby datazione mediante 14C. Un metodo davvero interessante quello del carbonio-14, o del radiocarbonio, un metodo di datazione radiometrica basato sulla misura delle abbondanze relative degli isotopi del carbonio, ideato e messo a punto tra il 1945 e il 1955 dal chimico statunitense Willard Frank Libby (foto a destra), e che gli valse il Premio Nobel nel 1960. Un metodo che permette di datare materiali di origine organica (ossa, legno, fibre tessili, semi, carboni di legno, …) con una datazione assoluta, vale a dire in anni calendariali, utilizzabile per materiali di età compresa tra i 50.000 e i 100 anni, di derivazione da applicazioni archeologiche per datare i reperti costituiti da materia organica, contenenti atomi di carbonio.

Una analisi, quella dell’universo gas che “non finisce qui”, come diceva il grande Corrado Mantoni presentando “La Corrida”, dal momento che dietro l’angolo vi è già una ulteriore nuova dimensione, quella degli “Idrati di metano“, che proprio in questi giorni ha affrontato un amico blogger (vedi post “Idrati di metano” da “Il post.it”)

MethaneHydrates_1a_small

fonte: Global Carbon Project

Sauro Secci

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