Metanazione biologica

La metanazione biologica rappresenta una tecnologia promettente per la produzione di metano rinnovabile attraverso la conversione di anidride carbonica e idrogeno per via microbica. Inserita nel contesto Power-to-Gas, questa tecnologia consente di valorizzare l’energia elettrica rinnovabile in eccesso, trasformandola in metano sintetico, un vettore energetico che può essere facilmente stoccato e distribuito tramite l'infrastruttura del gas naturale. Rispetto alla metanazione catalitica, il processo biologico si distingue per le condizioni operative più blande e per la maggiore tolleranza alle impurità nei gas in ingresso, come il solfuro di idrogeno, grazie alla robustezza della comunità microbica. Tuttavia, per garantirne l’efficacia, è fondamentale comprendere a fondo come le condizioni operative influenzino la resa, la purezza del gas prodotto e la stabilità del processo. Nel corso delle attività sperimentali è stato impiegato un sistema costituito da due reattori a letto percolante (Trickle Bed Reactors), progettati per testare diverse condizioni operative e valutarne l’impatto sulla produzione di metano tramite metanazione biologica. I due reattori differiscono principalmente per il regime di pressione di esercizio: uno funzionante a pressione atmosferica, mentre l’altro è in grado di operare a pressioni elevate (fino a 6 bar). Questa configurazione ha permesso di confrontare direttamente l’efficienza, la stabilità e la flessibilità operativa dei due sistemi. In particolare, è stato analizzato il comportamento del processo in seguito a variazioni nei parametri operativi fondamentali, tra cui:

• temperatura (range 50–60 °C);
• pH (tra 6,5 e 8);
• ricircolo della fase liquida (velocità e modalità);
• alimentazione dei nutrienti (tipologia e dosaggio);
• modalità di immissione dei gas (posizione, frequenza, portata);
• gestione dei cicli di accensione/spegnimento (durata, recupero, variazioni termiche).

Questi parametri sono stati studiati sia per identificare le condizioni operative ottimali, sia per testare la flessibilità del sistema in scenari realistici, come l’intermittenza dell’alimentazione energetica tipica delle fonti rinnovabili. L’analisi ha permesso di evidenziare le potenzialità della metanazione biologica non solo in termini di efficienza, ma anche di adattabilità e robustezza, fornendo indicazioni utili per lo sviluppo di sistemi scalabili e sostenibili su scala industriale. La sperimentazione ha dimostrato che l’aumento della pressione migliora l’efficienza della metanazione biologica, portando a tassi di conversione prossimi al 100% e a un’elevata produttività di metano, grazie a una maggiore solubilità dei gas e a un migliore trasferimento di massa. Tuttavia, queste condizioni richiedono una gestione più complessa e presentano criticità operative, come sovrapressioni e intasamenti. Al contrario, condizioni operative più semplici e a pressione atmosferica hanno garantito una maggiore stabilità e continuità del processo, con una produzione costante nel tempo, seppur a livelli di efficienza inferiori. Il sistema ha mostrato una buona resilienza in condizioni dinamiche, riuscendo a recuperare rapidamente la produttività anche dopo spegnimenti prolungati, soprattutto se la temperatura veniva mantenuta intorno a 55°C. Anche il controllo del pH, la velocità di ricircolo e la configurazione dell’immissione dei gas si sono rivelati fattori determinanti per garantire l’efficienza e la stabilità del processo. Queste evidenze aprono la strada all’applicazione industriale della metanazione biologica come tecnologia efficiente, flessibile e sostenibile, con l’obiettivo di aumentare l’efficienza del processo e migliorare la qualità del gas prodotto.

La metanazione biologica trova applicazione in diversi ambiti strategici. Può essere impiegata per processi di upgrading del biogas, convertendo CO₂ e H₂ in metano adatto all’immissione in rete o all’uso energetico. Integrata con la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili, permette inoltre lo stoccaggio dell’energia in eccesso sotto forma di gas, contribuendo alla stabilità della rete elettrica. Infine, consente di ridurre le emissioni climalteranti e di produrre carburanti sintetici sostenibili, promuovendo un approccio circolare alla transizione energetica. I principali utilizzatori della metanazione biologica includono:

• Impianti di trattamento rifiuti, per upgrading del biogas prodotto;
• Produttori di energia rinnovabile, per accumulare elettricità sotto forma di metano;
• Industrie chimiche, che possono impiegare il CH₄ come materia prima;
• Settore dei trasporti, interessato a carburanti sintetici a basse emissioni.