Biogas pulito - misurabile universalmente
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I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno sviluppato un nuovo metodo analitico che rileva anche le più piccole quantità di impurità critiche nel biogas. Anche i piccoli impianti di biogas possono utilizzare il metodo senza grandi investimenti, favorendo così la transizione energetica.
Il mercato del biogas è in crescita: secondo l'Ufficio federale dell'energia, l'anno scorso la Svizzera ha immesso nella rete del gas naturale 471 gigawattora di questa fonte energetica, circa il doppio rispetto a dieci anni fa. Questo aumenta anche la necessità di poter misurare in modo rapido e affidabile le impurità nel biogas, poiché il gas verde è soggetto a rigidi criteri di qualità.
I ricercatori del Centro per le Scienze Energetiche e Ambientali del PSI hanno ora una soluzione a questo problema. Per la prima volta hanno sviluppato un metodo analitico che rileva contemporaneamente le due impurità più critiche del biogas: i composti dello zolfo e i silossani. Il metodo è stato presentato nella rivista Progress in Energy.
Produzione su scala nazionale
Oltre 160 impianti di biogas in Svizzera producono la preziosa miscela di gas da rifiuti, liquami e letame; inoltre, ci sono centinaia di impianti di trattamento delle acque reflue che fermentano i fanghi di depurazione in torri di digestione per produrre gas di depurazione con una composizione simile, una sottospecie di biogas.
Il gas verde è composto per il 50-75% da metano e per almeno un quarto da anidride carbonica. La separazione dell'anidride carbonica produce biometano, che può essere immesso nella rete del gas naturale. Tuttavia, il biogas - e quindi anche il biometano - può contenere molte impurità in pochi milionesimi di punto percentuale. "Nonostante la loro minuscola concentrazione, queste causano enormi problemi", spiega Ayush Agarwal, che ha analizzato il biogas nella sua tesi di dottorato al PSI ed è il primo autore dello studio.
I composti organici dello zolfo, ad esempio, sono le temute sostanze di disturbo: Si formano quando i batteri scompongono le proteine che contengono atomi di zolfo. I silossani, invece, sono composti contenenti silicio che rendono i gel doccia, ad esempio, piacevoli sulla pelle. I silossani vengono anche scaricati nello scarico insieme al gel doccia e finiscono nell'impianto di trattamento delle acque reflue e, infine, nel biogas.
Veleno puro per le celle a combustibile
Se il biometano viene bruciato per generare energia, ad esempio nelle caldaie a gas, i silossani reagiscono in modo estremamente indesiderato: Formano biossido di silicio, un componente della sabbia e uno dei composti più stabili sulla terra. "Questo intasa i sistemi di combustione, che richiedono più energia per riscaldare la stessa quantità di acqua", spiega Agarwal. È come un bollitore intasato dal calcare.
Sia i silossani che i composti organici dello zolfo hanno impedito finora l'utilizzo del biometano in una cella a combustibile. Le celle a combustibile producono elettricità da gas ricchi di energia, ma i composti di zolfo sono veleno puro per loro. Pertanto, attualmente non è possibile far funzionare le celle a combustibile con il biometano. Le impurità interferiscono anche con la trasformazione del biogas in biometano che può essere immesso nella rete. In breve: "Anche in tracce, i silossani e i composti organici dello zolfo sono dannosi".
Misure per migliorare
In Svizzera, come nel resto d'Europa, si applicano limiti severi ai composti di zolfo e ai silossani presenti nel biogas - un prerequisito per l'immissione del biometano nella rete pubblica del gas e per la gestione degli impianti di biogas come fornitore di carburante.
Gli impianti di biogas più grandi sono dotati di sistemi di purificazione per rimuovere le sostanze indesiderate dal gas. Gli operatori utilizzano apparecchiature analitiche per misurare la composizione del biogas e possono così verificare il buon funzionamento dei sistemi di purificazione. Una buona analisi è quindi un prerequisito per il funzionamento dell'intero sistema di biogas: "Si può migliorare qualcosa solo se la si può misurare bene", riassume Agarwal.
Nell'ambito della sua tesi di dottorato presso il Centro per le Scienze dell'Energia e dell'Ambiente del PSI, lo scienziato ha sviluppato un metodo analitico robusto che rileva simultaneamente silossani e composti organici dello zolfo, fino a tracce di quindici miliardesimi, il che significa che ci sono esattamente quindici molecole dell'impurità per ogni miliardo di molecole: una quantità davvero minima.
Una spinta per la transizione energetica
I ricercatori del PSI hanno anche sviluppato una soluzione pratica per i piccoli impianti di biogas che non dispongono di analizzatori in loco. I campioni di biogas possono essere prelevati con un dispositivo mobile che scioglie i gas in un liquido. È dimostrato che anche piccole quantità di impurità rimangono nel liquido per almeno 28 giorni, un tempo sufficiente per inviare i campioni a un laboratorio di analisi per la misurazione.
L'applicabilità universale del metodo di analisi rende possibile il suo utilizzo su tutto il territorio nazionale, promuovendo così l'uso del biogas. "Questo è un buon esempio di come al PSI conduciamo una ricerca applicata che fornisce soluzioni concrete alle sfide attuali", afferma Christian Ludwig, anch'egli ricercatore presso il Centro per le scienze energetiche e ambientali e coautore dello studio.
Come funziona il metodo
Un dispositivo di gascromatografia separa innanzitutto i componenti del biogas. Questi vengono poi analizzati uno per uno con un metodo chiamato "spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente". In questo processo, i componenti del campione vengono vaporizzati, scomposti nei loro componenti atomici e convertiti in particelle cariche. Lo spettrometro di massa registra quindi gli isotopi dei singoli elementi e li quantifica.
Il trucco sta nel fatto che il dispositivo registra solo elementi molto specifici, precedentemente selezionati, ignorando tutti gli altri. In questo modo è possibile rilevare lo zolfo e il silicio, anche in quantità minime, oltre a una serie di altri composti presenti nel biogas. "A nostra conoscenza, questo è il primo metodo di questo tipo in grado di determinare simultaneamente i composti di zolfo e silicio", afferma Agarwal.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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