Biogas: cos'è e come funziona, vantaggi e differenze con il biometano

Ogni volta che dei rifiuti organici si decompongono in assenza di ossigeno, la natura produce spontaneamente un gas ricco di energia. È un processo che avviene da millenni nelle paludi, nelle discariche, nel fondo degli oceani e l'uomo ha imparato a replicarlo in modo controllato, a raccogliere questo gas e a trasformarlo in elettricità, calore o carburante. Quello che otteniamo si chiama biogas, ed è una delle fonti di energia rinnovabile più versatili e sottovalutate del panorama energetico attuale.

In Italia il settore del biogas ha conosciuto una crescita significativa negli ultimi vent'anni trainata inizialmente dagli incentivi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili e poi da un interesse crescente verso il biometano come vettore energetico per i trasporti e la rete del gas naturale.

Per capire davvero cos'è il biogas, bisogna partire dal processo che lo genera: la digestione anaerobica. Si tratta di una serie di reazioni biochimiche che avvengono in assenza di ossigeno, coordinate da comunità di microorganismi specializzati che lavorano in sequenza per degradare la materia organica e produrre gas.

Il processo si articola in quattro fasi distinte:

• l'idrolisi, batteri specifici scompongono le molecole organiche complesse come carboidrati, proteine e lipidi in molecole più semplici: zuccheri, aminoacidi e acidi grassi;
• acidogenesi, altri batteri fermentano questi composti semplici producendo acidi grassi volatili, alcoli, anidride carbonica e idrogeno;
• acetogenesi, i prodotti della fermentazione vengono ulteriormente trasformati in acido acetico, CO₂ e H₂;
• metanogenesi, i microorganismi metanogeni convertono questi composti in metano e anidride carbonica: il biogas è pronto.

La composizione tipica del biogas grezzo è variabile ma si aggira mediamente intorno al 50-70% di metano (CH₄), al 30-45% di anidride carbonica (CO₂), con piccole percentuali di azoto, vapore acqueo, idrogeno solforato (H₂S) e tracce di altri gas.

È proprio questa composizione mista, e in particolare la presenza di CO₂ e H₂S, a distinguerlo dal gas naturale e a richiedere trattamenti specifici prima di determinati utilizzi.

Il processo di digestione anaerobica avviene all'interno di impianti chiamati digestori o biodigestori, strutture ermetiche in cui vengono introdotte le biomasse di partenza, dette substrati.

I substrati possono essere di origine molto diversa:

• reflui zootecnici come liquame bovino e suino
• scarti dell'industria agroalimentare
• fanghi di depurazione delle acque reflue urbane
• frazione organica dei rifiuti solidi urbani raccolta in modo differenziato
• colture energetiche dedicate come il mais insilato
• combinazioni di più substrati in quello che tecnicamente si chiama co-digestione.

I parametri operativi del digestore sono critici per la resa del processo. La temperatura è uno dei più importanti: i digestori mesofili lavorano a circa 35-40 °C e sono i più diffusi per la loro robustezza operativa, mentre i digestori termofili operano a 50-55 °C e garantiscono rese superiori ma richiedono maggiore controllo e stabilità.

Il tempo di ritenzione idraulica, ovvero il tempo medio che il substrato trascorre nel digestore, varia tipicamente tra i 20 e i 40 giorni a seconda del substrato e della tecnologia utilizzata. Il pH deve mantenersi in un range tra 6,8 e 7,5 per non inibire i batteri metanogeni.

Il biogas prodotto viene raccolto nella cupola del digestore e convogliato verso i sistemi di utilizzo. Il digestato, ovvero il materiale solido e liquido residuo dopo la digestione, non è uno scarto ma un sottoprodotto di valore: è un ammendante organico ricco di azoto, fosforo e potassio, utilizzabile in agricoltura come fertilizzante in sostituzione dei concimi chimici di sintesi. Questa caratteristica è fondamentale per la logica di economia circolare che distingue il biogas da molte altre fonti energetiche.

I vantaggi biogas sono molteplici e si distribuiscono su più livelli: ambientale, economico e agronomico. È una delle poche fonti energetiche rinnovabili che offre benefici simultanei lungo tutta la filiera, dalla gestione dei rifiuti alla produzione di energia fino alla fertilità del suolo agricolo.

Il primo e più immediato vantaggio è la riduzione delle emissioni di gas serra. La materia organica che non viene valorizzata in un digestore anaerobico si decompone comunque, ma in modo incontrollato: nelle discariche, nei lagoni di stoccaggio del liquame, nei cumuli di rifiuti organici. Questa decomposizione rilascia metano direttamente in atmosfera, un gas con un potenziale di riscaldamento globale circa 28-34 volte superiore alla CO₂ su un orizzonte di 100 anni, secondo le stime dell'IPCC. Catturare questo metano e bruciarlo in un motore o in una caldaia trasforma una potente emissione climalterante in CO₂, gas certamente non neutro ma molto meno impattante.

Il secondo vantaggio riguarda la gestione dei rifiuti organici. Il biogas offre una soluzione energeticamente vantaggiosa per substrati che altrimenti richiederebbero costosi sistemi di smaltimento: fanghi di depurazione, scarti alimentari, effluenti zootecnici. Trasformarli in energia e fertilizzante invece di smaltirli significa risparmiare sui costi di gestione dei rifiuti e ridurre l'impatto ambientale complessivo.

Il terzo vantaggio è la programmabilità della produzione energetica. A differenza del solare fotovoltaico o dell'eolico, che producono energia in modo intermittente e dipendente dalle condizioni atmosferiche, un impianto di biogas può produrre energia in modo continuo e controllabile, 24 ore su 24 per tutti i giorni dell'anno. Questa caratteristica lo rende particolarmente prezioso per la stabilità della rete elettrica e lo distingue nettamente dalle altre fonti rinnovabili non programmabili.

Sul piano agronomico, il digestato prodotto dalla digestione anaerobica è un fertilizzante organico di qualità, in cui l'azoto è presente in forma ammoniacale, più prontamente disponibile per le piante rispetto all'azoto organico del substrato di partenza. L'utilizzo del digestato in sostituzione dei concimi chimici consente di ridurre i costi di fertilizzazione e di reintegrare sostanza organica nel suolo, migliorandone la struttura e la capacità di ritenzione idrica nel lungo periodo.

Il rapporto tra biogas e biometano è quello tra una materia prima e il prodotto finito: il biometano si ottiene dal biogas attraverso un processo di purificazione e upgrading che porta il contenuto di metano dal 50-70% tipico del biogas grezzo fino al 95-99% richiesto per l'immissione nella rete del gas naturale o per l'utilizzo come biocarburante.

Il processo di upgrading rimuove principalmente l'anidride carbonica, che non ha potere calorifico e abbassa la qualità energetica del gas, e l'idrogeno solforato, che è corrosivo per le apparecchiature e tossico.

Le tecnologie più diffuse per questo scopo sono il water scrubbing, che usa acqua in pressione per assorbire preferenzialmente la CO₂, il pressure swing adsorption (PSA) che utilizza materiali adsorbenti selettivi, e le membrane selettive che lasciano passare il metano bloccando la CO₂. Ogni tecnologia ha vantaggi specifici in termini di resa, costi operativi e purezza del prodotto finale.

Il biometano ottenuto, una volta raggiunta la specifica di qualità definita dalla norma UNI EN 16723, è chimicamente praticamente indistinguibile dal gas naturale fossile e può essere immesso direttamente nella rete di distribuzione esistente, utilizzato come biocarburante per autotrazione nei veicoli a metano o, in prospettiva futura, miscelato con idrogeno per applicazioni di power-to-gas.

Dal punto di vista normativo italiano, il Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico del 2 marzo 2018 ha definito il quadro degli incentivi per la produzione di biometano, distinguendo tra immissione in rete e utilizzo nel settore dei trasporti e prevedendo meccanismi di incentivazione differenziati a seconda del substrato utilizzato e della destinazione del prodotto.

Questa distinzione ha orientato significativamente gli investimenti nel settore verso la produzione di biometano a partire da rifiuti organici e scarti agricoli, penalizzando le colture energetiche dedicate in favore dei substrati di scarto.

La scelta tra valorizzare il biogas direttamente come energia elettrica e termica in cogenerazione oppure effettuare l'upgrading a biometano dipende da diversi fattori: la taglia dell'impianto, la vicinanza alla rete del gas, i prezzi di mercato e il quadro incentivante disponibile. Gli impianti di piccola taglia trovano generalmente più conveniente la cogenerazione locale, mentre quelli di taglia medio-grande possono fare un'analisi costi-benefici più articolata che includa l'upgrading a biometano come opzione competitiva, soprattutto in presenza di una rete di distribuzione del gas accessibile nelle vicinanze dell'impianto.