Misurazione della portata nella conversione di biogas: Bronkhorst e l'università di Groninga
Qual è il ruolo della misurazione della portata nella conversione di biogas in gas verde? Scopriamolo grazie alla collaborazione tra Bronkhorst e l’Università di Groninga.
I Paesi Bassi stanno affrontando l’importante sfida della transizione verso una società sostenibile, con emissioni di anidride carbonica molto più basse e senza gas naturale di origine fossile proveniente dalla provincia di Groninga (NL). Il solare e l’eolico giocheranno un ruolo ancora più importante nella produzione di energia elettrica e nella relativa elettrificazione della società. L’Università di Scienze Applicate Hanze di Groninga sta conducendo una ricerca, e gli strumenti di portata di Bronkhorst vi stanno contribuendo.
Il ruolo del biogas nella transizione energetica
In questa transizione energetica, il “gas verde” – il biogas potenziato per la rete del gas naturale olandese – ha un ruolo importante. Un prerequisito è che sia disponibile in quantità sufficiente. Ne parliamo con Gert Hofstede, docente-ricercatore presso l’Università di Scienze Applicate Hanze di Groninga, che si occupa della questione. Il ruolo svolto dagli strumenti di misurazione della portata nella conversione del biogas in gas verde è importante, anzi, fondamentale.
Il biogas è una miscela composta principalmente da metano (CH4, 50-60%) e anidride carbonica (CO2, 40-50%) ed è prodotto dalla fermentazione (“decomposizione anaerobica”) di biomassa organica, come l’erba dei bordi delle strade o gli scarti di verdure, frutta e giardinaggio. Il biogas è considerato una fonte di energia rinnovabile perché è prodotto da rifiuti organici, ma contiene troppa anidride carbonica per un uso pratico, ad esempio per essere aggiunto alla rete del gas naturale. Il processo di trasformazione del biogas in gas verde avviene principalmente rimuovendo l’anidride carbonica in esso presente, ma può anche essere effettuato convertendo l’anidride carbonica in eccesso in metano. Chiediamo a Gert come sia possibile farlo.
Il biogas diventa gas verde
“La mia ricerca di dottorato riguarda la scomposizione della biomassa nel modo più efficiente possibile, per trasformarla poi in bioenergia. C’è un’abbondanza di biomassa, ma non possiamo fare nulla con gran parte di essa. Il mio lavoro consiste nel ricavare bioenergia da questi “avanzi”. Il biogas ha una qualità “scadente” e noi vogliamo trasformarlo in gas verde. A tal fine, abbiamo messo in atto un “trucco” costruendo un bioreattore al quale aggiungiamo idrogeno verde. Nel reattore ci sono microrganismi specializzati che convertono H2 e CO2 in metano (4H2+CO2à CH4 +H2O). Così, di colpo, si ottiene molto più metano (quasi il doppio) dalla stessa quantità di biomassa. Naturalmente, l’idrogeno “verde” – generato dall’elettrolisi dell’acqua con l’elettricità del sole o del vento – è il migliore. Ma… qual è un modo pratico per aggiungere idrogeno al bioreattore, in modo da sapere esattamente quanto se ne sta aggiungendo?”
“Migliorare il biogas significa passare da una percentuale di metano di appena il 60% a oltre l’88-90%, dopodiché la qualità è compatibile con il gas naturale olandese a basso potere calorifico e può essere immesso nella rete del gas naturale. Se si “getta” l’idrogeno direttamente da una bombola di gas con una valvola a pressione nel liquido contenente i microrganismi, non si ha idea della quantità immessa. Inoltre, l’idrogeno non si scioglie bene nell’acqua a 40°C con i residui di melma e non raggiunge i microrganismi in modo corretto, quindi non funziona.”
Aggiunta di idrogeno
Gert prosegue: “Alla fine, per il reattore da laboratorio, abbiamo trovato una soluzione intelligente che consisteva nell’inserire un tubo di silicio nel reattore e nell’utilizzare un regolatore di portata per aggiungere idrogeno. Il tubo è stato riempito di idrogeno che si è diffuso attraverso la parete del tubo, aggiungendo bollicine molto piccole, appena visibili, ma efficaci. Agitando il reattore, i microrganismi hanno potuto raggiungere l’idrogeno disponibile. Il risultato è stato ottimo su piccola scala, ma per aumentarne la dimensione sarebbero stati necessari chilometri di tubo. È il momento del passo successivo: il reattore a gocciolamento”.
“In un reattore a gocciolamento, i microrganismi sono immobilizzati: sono intrappolati su un supporto poroso con una superficie molto ampia, lungo il quale vengono trasportati i componenti liquidi o gassosi. I microrganismi che utilizziamo sono costituiti da molte specie diverse e, a seconda del rapporto idrogeno/anidride carbonica, agevoliamo solo quelli che possono produrre CH4 da CO2 e H2. In teoria, per produrre metano ci vorrebbero quattro molecole di idrogeno per una molecola di anidride carbonica, ma in pratica serve un po’ meno idrogeno, perché l’anidride carbonica viene utilizzata anche per far crescere i microrganismi. Pertanto, la proporzione è molto importante”.
Regolatori di portata massica per l'idrogeno
“Abbiamo iniziato con un regolatore di portata massica calibrato per un rapporto idrogeno/anidride carbonica di 80/20 in percentuale di volume. Ben presto ci siamo accorti che così facendo introducevamo troppo idrogeno, favorendo i microrganismi sbagliati, a scapito della produzione di metano. Quindi, abbiamo pensato: dobbiamo essere in grado di aggiungere i due gas, idrogeno e anidride carbonica, separatamente, consentendoci di immettere qualsiasi percentuale desiderata. Abbiamo perciò acquistato due regolatori di portata massica (della serie EL-FLOW Select), uno per l’idrogeno e l’altro per l’anidride carbonica”.
Gert sta ora utilizzando anche un terzo regolatore di portata, per aggiungere ad esempio azoto. In questo modo si abbassa la pressione parziale dell’idrogeno, il che sembra migliorare la stabilità del processo. La sua ricerca è ora in un’ulteriore fase di espansione, che prevede di portare i reattori da lui costruiti da scala di laboratorio a scala dimostrativa e anche più grande.
Regolatore di portata massica nel processo di bioreattore
Il servizio di Bronkhorst
“Abbiamo iniziato con un regolatore di portata massica calibrato per un rapporto idrogeno/anidride carbonica di 80/20 in percentuale di volume. Ben presto ci siamo accorti che così facendo introducevamo troppo idrogeno, favorendo i microrganismi sbagliati, a scapito della produzione di metano. Quindi, abbiamo pensato: dobbiamo essere in grado di aggiungere i due gas, idrogeno e anidride carbonica, separatamente, consentendoci di immettere qualsiasi percentuale desiderata. Abbiamo perciò acquistato due regolatori di portata massica (della serie EL-FLOW Select), uno per l’idrogeno e l’altro per l’anidride carbonica”.
Gert sta ora utilizzando anche un terzo regolatore di portata, per aggiungere ad esempio azoto. In questo modo si abbassa la pressione parziale dell’idrogeno, il che sembra migliorare la stabilità del processo. La sua ricerca è ora in un’ulteriore fase di espansione, che prevede di portare i reattori da lui costruiti da scala di laboratorio a scala dimostrativa e anche più grande.
Grazie a Gert, al team di ricerca dell’Università Hanze di Groninga e a Bronkhorst per averci dimostrato l’importanza della misurazione della portata nella conversione di biogas in gas verde.
