Impianti biogas: produzione flessibile di energia rinnovabile da biomasse

La tecnologia del biogas utilizza processi naturali rispettosi dell'ambiente

Oggettivamente, il biogas è considerato un sottoprodotto infiammabile della fermentazione anaerobica della materia organica. Il biogas è uno degli elementi più flessibili nel mix di energie rinnovabili. Può essere immagazzinato sotto forma di calore, elettricità o biometano, in modo che l'energia possa essere utilizzata quando è necessaria. Questa flessibilità rende il biogas un complemento ideale per l'energia solare o eolica, che hanno un'efficienza molto variabile e sono difficili da regolare.

Vogelsang fornisce componenti affidabili per la produzione efficiente di biogas. Dalla tecnologia di pompaggio ai sistemi di triturazione, dalla disintegrazione ai sistemi di alimentazione di materiale solido, offriamo un portafoglio completo di tecnologie per il biogas, che coprono l'intero processo di fermentazione. Per questo motivo ci consideriamo dei partner di grande esperienza nel settore. Insieme ai nostri clienti, sviluppiamo continuamente la nostra tecnologia, adattandola ai continui cambiamenti delle condizioni di lavoro e approvvigionamento per fornire le soluzioni migliori per la produzione efficiente di biogas. Un aspetto importante è l'analisi personalizzata di ogni singolo impianto di biogas. Questo è l'unico modo per realizzare appieno il potenziale di ottimizzazione.

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Situazione internazionale del settore del biogas

Oggi solo in Italia ci sono circa 2.000 impianti a biogas, che forniscono energia elettrica rinnovabile e biometano alla popolazione: in tutta Europa ce ne sono oltre 17.000. La dimensione media di un impianto di biogas varia da paese a paese e in base al tipo di biomasse utilizzate. Ciò significa che in alcuni paesi sono particolarmente incoraggiati impianti biogas di piccole dimensioni. In Italia, ad esempio, si tratta di impianti fino a un massimo di 500 kWel che riciclano quasi esclusivamente rifiuti agricoli. D'altra parte, ci sono anche grandi impianti che generano diversi megawatt (MW). I materiali in ingresso sono materiali rinnovabili, nonché rifiuti organici domestici e scarti industriali o alimentari.

Applicazioni nel settore del biogas

Un impianto biogas viene progettato in modo da creare le condizioni ottimali per la produzione di biogas: la biomassa viene conservata in grandi contenitori sigillati (i digestori) dove fermenta in assenza di luce e ossigeno. Questa fermentazione anaerobica si svolge in quattro fasi, durante le quali ogni batterio specializzato converte la biomassa passo passo, producendo il biogas. Le fasi del processo di digestione sono le seguenti:

  • Primo passo: idrolisi (digestione dei materiali grezzi)
  • Secondo passo: acidogenesi (acidificazione)
  • Terzo passo: acetogenesi (formazione di acido acetico)
  • Quarto passo: metanogenesi (formazione di metano)

Il biogas è costituito principalmente da metano e anidride carbonica, ma anche da numerosi altri gas come l'idrogeno solforato, l'azoto, l'ossigeno e l'ammoniaca. Al termine del processo di fermentazione, rimane il residuo di fermentazione, il "digestato", che può essere utilizzato in agricoltura come fertilizzante. Questo completa il ciclo naturale del il biogas che è altamente sostenibile.

Biogas: la mucca in cemento

Considerando le fasi del processo sopra descritte, c'è una grande somiglianza con il sistema digestivo di una mucca: ecco perché un impianto di biogas viene chiamato anche "mucca di cemento". Sia nell'impianto biogas sia nel sistema digestivo dei ruminanti, i batteri convertono la biomassa in energia. Il processo, nei moderni impianti di biogas, noto come "preparazione del substrato", è l'equivalente della masticazione della mucca. L'idrolisi avviene nel primo stomaco della mucca (rumine). L'acidificazione e la formazione di acido acetico avviene poi nell'omaso e nell'abomaso, mentre l'energia viene generata (cioè assorbita nel corpo della mucca) nell'intestino tenue e crasso, oltre che nell'appendice. Un'altra somiglianza importante è nel materiale solido in ingresso (substrato). Come le loro mucche, molti agricoltori alimentano i loro impianti biogas con materiali rinnovabili come l'insilato di mais e l'insilato d'erba.

Gli elementi di un impianto di biogas

I componenti fondamentali di ogni impianto di biogas sono i seguenti::

  • Alimentazione del substrato / sistemi di alimentazione
  • Vasca del digestore
  • Agitatori per la miscelazione nei digestori
  • Stoccaggio del gas
  • Stoccaggio dei residui di fermentazione (digestato)
  • Il biogas è generalmente utilizzato per alimentare un'unità di cogenerazione oppure viene ulteriormente depurato in un processo di upgrading e quindi trasformato in biometano che può esser stoccato oppure immesso in rete

Un'unità di cogenerazione è un motore a gas accoppiato ad un generatore che genera elettricità dal biogas. I miscelatori sono necessari, perché solo loro possono creare le condizioni ottimali per la produzione di biogas mantenendo le biomasse nel digestore miscelate in modo uniforme. L'obiettivo dell'alimentazione di metariale solido è introdurre la biomassa solida nel digestore. Idealmente, questo viene fatto con un basso consumo energetico e un funzionamento affidabile, indipendentemente dal tipo di biomassa.

Il materiale solido che può essere utilizzato in un impianto di biogas dipende da diversi fattori. Fondamentalmente, il contenuto organico dovrebbe essere molto denso, poiché solo questo può essere convertito in biogas. Il tempo di ritenzione deve essere adeguato alla tipologia di materiale solido utilizzato. Come tempo di ritenzione si fa riferimento al tempo medio che la biomassa trascorre nel digestore, dall'ingresso fino alla sua fuoriuscita. Se questo periodo è troppo breve, i batteri non hanno abbastanza tempo per decomporre la maggior parte del materiale solido come necessario. Di conseguenza, l'energia contenuta nelle biomasse non viene completamente utilizzata. Da un punto di vista tecnologico, questo non è un problema, ma ha un impatto sull'efficienza economica dell'impianto di biogas. Anche dei materiali in ingresso ad alto potenziale energetico non forniscono automaticamente una maggiore resa di gas. È inoltre necessario considerare i costi del materiale di input e l'energia effettiva che esso può fornire. Infine, per le biomasse selezionate deve essere formalizzata un'autorizzazione ufficiale.

Fermentazione umida e fermentazione a secco - i due metodi di fermentazione

Gli impianti biogas sono spesso classificati in base a diversi aspetti. Ad esempio, si distingue tra fermentazione umida e fermentazione a secco. Durante la fermentazione umida, il materiale solido viene mescolato con un liquido. La sospensione organica che ne risulta è solitamente scorrevole e viene movimentata mediante delle pompe. Durante la fermentazione a secco, la biomassa palabile viene inserita in una pre-vasca e poi irrorata con un liquido di ricircolo. Il percolato che fuoriesce dal fondo viene raccolto e di nuovo versato sulla parte superiore della biomassa. Questo facilita il processo di fermentazione e quindi consente la produzione di biogas. Quest'ultimo tipo di impianto non è molto diffuso e viene utilizzato principalmente per la fermentazione di rifiuti organici come gli sfalci di potatura o la Forsu.

Impianti di biogas e biometano: ciò che conta è il risultato

Un'altra distinzione è rappresentata dagli impianti a biogas rispetto agli impianti a biometano. Entrambi gli impianti producono biogas. Negli impianti a biogas (il tipo più comune attualmente in Italia), questo biogas viene trasformato direttamente in elettricità e calore da un'unità di cogenerazione. Gli impianti a biometano purificano il biogas in modo da ottenere un gas naturale che sia costituito quasi completamente da metano (in base alle norme specifiche per la distribuzione). Questo biometano può quindi essere immesso direttamente nella rete del gas naturale, dove può essere trasportato e utilizzato dove l'energia è necessaria.

Impianti di trattamento dei rifiuti: uso sensibile dei rifiuti organici

Una classificazione comune si basa sul tipo di biomassa utilizzata. Si fa distinzione tra impianti di cofermentazione o impianti di trattamento dei rifiuti e impianti a biomasse rinnovabili (agricole). Il termine "impianto di cofermentazione" risale agli albori del boom del biogas in Germania. Gli agricoltori costruirono sistemi in cui generare e utilizzare l'energia presente nei liquami sotto forma di biogas. Si sono presto resi conto che avrebbero potuto produrre molto più biogas se avessero aggiunto anche altri cofermenti al liquame, residui di foraggio, cereali o materiale organico di scarto. Da qui il termine impianto di cofermentazione per gli impianti biogas che fermentano residui industriali e materiali di scarto, nonché scarti agricoli come liquame e letame. Con il passare del tempo e la definizione di chiare normative per il settore, la percentuale di questi impianti biogas di origine agricola, che fermentano materiali misti di scarto, è diminuita drasticamente. Sono stati invece costruiti impianti industriali per la gestione dei rifiuti urbani, commerciali e industriali. Durante questo sviluppo, il termine "impianto di trattamento rifiuti" è stato usato anche per indicare gli impianti biogas dove vengono fatti fermentare i rifiuti organici.

Impianti a biomasse rinnovabili: cosa sono e cosa li rende diversi

Il termine impianto a biomasse rinnovabili deriva da un periodo in cui il governo ha deciso di promuovere la valorizzazione a scopi energetici di materiali rinnovabili, come le colture energetiche. Oltre a sottoprodotti agricoli, questi impianti di biogas possono utilizzare solo materie prime rinnovabili. I sottoprodotti agricoli sono di solito liquame e letame. Le tipiche biomasse rinnovabili (colture energetiche) sono:

  • Insilati di mais e d'erba,
  • Insilati di altre colture foraggere, integrali
  • Colture come barbabietole, purché non destinate alla produzione alimentare.

Questo tipo di impianto è molto diffuso in Germania. Sono soggetti a norme speciali e sovvenzioni contemplate dalla legge sulle energie rinnovabili (EEG). Per molte aziende agricole costituiscono una fonte integrativa di reddito ragionevolmente prevedibile e affidabile.

Se si considerano tutti questi punti, nell'impianto di biogas deve essere installata un'adeguata "tecnologia di tecnologia di alimentazione in grado di alimentare la biomassa a costi contenuti. I sottoprodotti liquidi provenienti dall'agricoltura, come il liquame, possono di solito essere pompati direttamente nel digestore tramite delle pompe. Poiché spesso si tratta di prodotti di scarto che comprendono sostanze estranee come pietre, parti metalliche e impurità (es. legno, nastri, ecc.), si consiglia l'utilizzo di trituratori e separatori di corpi estranei per ridurre il materiale a un livello gestibile.

Igiene e sicurezza

Quando si utilizzano materiali di input soggetti a norme sanitarie, è necessaria una pulizia profonda per garantire la distruzione di eventuali parassiti, virus o batteri contenuti nell biomasse, che possono rappresentare una minaccia per l'ambiente. Ciò vale in particolare per i substrati di origine animale, gli scarti di macellazione ed i residui alimentari. La procedura più comune consiste nel riscaldare il materiale in ingresso fino ad almeno 70°C per un'ora, per poi triturarlo fino a una dimensione massima di 12 mm. I sistemi collaudati per questo processo sono i trituratori combinati con pompe volumetriche. Le pompe volumetriche Vogelsang pompano rifiuti viscosi e abrasivi in modo sicuro, mentre una griglia a nido d'ape da 12 mm installata nel trituratore RotaCut assicura che tutti gli elementi siano ridotti alla dimensione prescritta. Delle opzioni speciali assicurano che nessun materiale in ingresso non trattato passi oltre il trituratore.

Processo di alimentazione per le biomasse non fluide

Gli impianti biogas sono alimentati principalmente con materiale solido non scorrevole. I processi di alimentazione possono essere suddivisi grossomodo in due categorie: alimentazione di materiale solido secco e alimentazione liquida del digestore. Per l'alimentazione di materiale solido secco, i materiali in ingresso vengono immessi direttamente nel digestore. Le coclee di alimentazione sono il metodo usato più comunemente: convogliano il materiale solido verso l'alto e sulla sospensione organica. Il vantaggio principale di questa tecnologia è costituito dai costi relativamente bassi. Tuttavia, il materiale solido deve essere mescolato dai miscelatori nel digestore, il che è possibile solo con consumi energetici molto elevati. Inoltre, questa tecnologia non è adatta a substrati a fibra lunga (ad es. erba, paglia o scarti agricoli come letame).

Per l'alimentazione liquida, la biomassa viene dapprima mescolata con una sospensione liquida, il digestato o il cosiddetto ricircolo dal digestore. Questo processo è chiamato anche "omogenizzazione". La miscela di input che ne risulta viene poi convogliata con delle pompe nella zona di fermentazione. I vantaggi di questa procedura sono che la biomassa arriva nel digestore in forma liquida e la miscelazione richiede un consumo energetico significativamente inferiore con il contenuto del digestore che si mescola facilmente con la sospensione organica. Se il materiale solido viene pre-trattato, la riduzione del fabbisogno energetico è accompagnata anche da una maggiore produzione di gas. Questo riduce anche il problema rappresentato dalla formazione di strati galleggianti.

In alternativa, esistono i sistemi di alimentazione liquida che, oltre ai materiali rinnovabili, possono anche alimentare altri scarti organici con proprietà estremamente diverse. Molti impianti biogas si affidano a tali sistemi. Questo perché, oltre ai classici substrati di materiali rinnovabili, in questo modo possono utilizzare anche colture come le patate o le barbabietole, oppure perché la biomassa utilizzata ha proprietà estremamente variabili (ad esempio, scarti alimentari o rifiuti organici domestici). Altri impianti biogas vengono alimentati in modo molto flessibile perché utilizzano la biomassa disponibile sul mercato alle condizioni più favorevoli. Sistemi come il PreMix sono progettati per questo tipo di impianti di biogas. Possono alimentare molti tipi diversi di biomasse in modo affidabile e omogenizzandole efficacemente prima di immetterle nel digestore, venendo così incontro alle esigenze di base per il funzionamento economico di questi impianti biogas.

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