Impianti per la produzione di biogas

DIGESTORE CLASSICO

Il classico e collaudatissimo digestore a vasca cilindrica è già utilizzato da alcuni decenni in migliaia di installazioni in tutto il mondo. La filosofia di realizzazione si basa sull’estrema semplicità e robustezza dei suoi componenti che ne garantiscono un’alta affidabilità con una grande varietà di substrati. Le vasche sono costruite in cemento armato naturalmente resistente alla corrosione ed ulteriormente impermeabilizzato contro sostanze aggressive. Il generoso spessore di isolante che lo avvolge garantisce consumi termici contenuti ed un’alta stabilità della temperatura interna di processo; questa è assicurata da uno scambiatore di calore interno alla vasca, che, sfruttando parte del calore prodotto dal cogeneratore, permette ai digestori di rimanere in temperatura anche nei periodi più freddi dell’inverno. In funzione delle matrici biologiche da trattare, sono disponibili differenti tipologie di agitatori ad alta efficienza, che garantiscono la corretta miscelazione del substrato in ogni condizione, impedendo la formazione di schiume e depositi sul fondo. Il digestore è fornito di un sistema interno di desolforazione biologica del biogas (posizionato alla base del gasometro), che elimina la maggior parte dello zolfo e permette di prevenire la formazione di acido solforico, aumentando l’affidabilità dell’impianto nonché il tempo di servizio di cogeneratore e linea del gas.

RECUPERO DEL CALORE

Il recupero di calore dal cogeneratore si mette in atto utilizzando i più recenti ed affidabili mezzi tecnici ed ingegneristici. In genere la potenza termica recuperabile da un cogeneratore è prossima alla sua potenza elettrica. Il calore può essere recuperato essenzialmente da due “fonti”:

- fluidi di raffreddamento del motore (circa il 60% del totale recuperabile);

- gas di scarico (circa il 40% del totale recuperabile).

Di norma il calore ricavato del motore è sufficiente per mantenere in temperatura i digestori anche in inverno. Recuperando il calore contenuto nei gas di scarico è possibile completare il recupero energetico dalla combustione del biogas, raggiungendo un rendimento globale dell’impianto superiore all’80% (con punte dell’88%). Poiché in molti cai il riscaldamento dei digestori è completamente soddisfatto dal recupero di energia termica dai fluidi di raffreddamento, il calore recuperato dai fumi può essere reso disponibile per altri scopi come, ad esempio, l'integrazione del calore necessario alle caldere di un caseificio oppure per l'essiccamento del foraggio.

CARATTERISTICHE DEI GASOMETRI

I gasometri sono realizzati con materiali collaudati ed affidabili per permettere al biogas di essere accumulato per un periodo tecnico sufficiente ad assicurare un funzionamento continuo del cogeneratore. Il gasometro è fissato alla struttura portante del digestore con agganci a tenuta di gas verificata ed è realizzato con materiali in grado di resistere alle più severe condizioni atmosferiche. Il gasometro è indispensabile anche per rimediare in maniera semplice ed efficiente agli inevitabili sbalzi di produzione del biogas; a tal proposito, la soluzione tencica più efficiente è quella a doppia membrana: la membrana più interna permette l’accumulo del biogas, mentre l’intercapedine creata tra membrana interna e membrana esterna (grazie all’insufflazione di aria da parte di un’apposita soffiante) agisce sia per mantenere in forma il gasometro, sia per garantire una minima sovrappressione al biogas sottostante e poterlo così inviare al cogeneratore senza ulteriori spese di pompaggio.

RICEZIONE DELLE BIOMASSE

Affinché un impianto per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica funzioni correttamente, è necessario dotarlo di indispensabili apparati per la ricezione, stoccaggio, preparazione ed alimentazione accurata delle biomasse. Trattare con cura ed attenzione le materie prime a disposizione è di fondamentale importanza per raggiungere i più alti livelli di efficienza del processo e quindi i migliori risultati economici. Il sistema per la preparazione delle biomasse in alimentazione all’impianto, prevede diversi dispositivi appositamente studiati per conseguire il miglior risultato possibile per ogni tipologia di materiale:

- stoccaggio per materiali solidi- stoccaggio per materiali liquidi;

- sistema di carico automatico per materiali solidi;

- pretrattamento della biomassa in ingresso.

STOCCAGGI

Ogni biomassa (dagli effluenti zootecnici, alle colture energetiche, ai sottoprodotti agroindustriali, ecc.) possiede un proprio grado di conservabilità. A seconda delle biomasse disponibili, si propongono sistemi specifici per lo stoccaggio e la ricezione delle materie prime che, oltre a permettere una gestione più agevole dell’impianto, consentono di minimizzare le perdite di sostanza organica della biomassa e quindi di massimizzare le rese produttive di biogas. tra questi si citano:

- trincee per la formazione e conservazione dei materiali solidi insilabili, con e senza sistema di ricezione ed evacuazione dei percolati

- serbatoi coperti per la ricezione e conservazione delle sostanze liquide, sia interrati che fuori terra

- platee e strutture di contenimento per materiali palabili semisolidi quali gli scarti agroindustriali velocemente deperibili, i letami ed il separato solido del digestato.

La tipologia di stoccaggio da adottare è studiata caso per caso a seconda delle biomasse a disposizione e secondo criteri di buon senso ed economicità.

SISTEMA DI CARICO PER MATERIALI SOLIDI

Le biomasse solide sono normalmente caratterizzate da un contenuto di sostanze organiche circa dieci volte superiore alle biomasse liquide; è pertanto fondamentale gestire accuratamente tali sostanze al fine di alimentare correttamente l’impianto, per rispettare la produttività prevista dal progetto e non per creare deleteri squilibri nella biologia dell’impianto. A tal fine sono utilizzati dei “carri dosatori”, ovvero oggetti costituiti essenzialmente da un container o una vasca che funge da tramoggia, in grado di contenere la biomassa necessaria all’impianto per 1-2 giorni. La tramoggia è posizionata su celle di carico, che permettono di conoscere in tempo reale l’effettivo quantitativo di biomasse caricate. Appositi dispositivi installati sul carro dosatore (come coclee e convogliatori) permettono alla biomassa solida di essere trasferita dalla tramoggia ai sistemi di pretrattamento ed omogeneizzazione secondo un programma di alimentazione specifico completamente automatizzato. Questi sistemi sono progettati per minimizzare le inclusioni di aria nella biomassa solida, che significherebbe introdurre ossigeno nell’ambiente anaerobico: una eventualità da evitare.

SISTEMA DI PRETRATTAMENTO E OMOGENEIZZAZIONE

Con pretrattamento della biomassa si intendono quei procedimenti applicabili alla biomassa fresca al fine di migliorarne l’appetibilità per la flora microbica e quindi le rese di produzione di metano. Pretrattare la biomassa porta una serie di vantaggi indiscutibili:

- migliore degradabilità complessiva della sostanza organica (comporta la possibilità di produrre più biogas con meno biomassa)

- maggiore velocità di degradazione (possibilità di costruire digestori più piccoli e quindi meno energivori)

- diminuzione dell’usura complessiva dell’impianto ed in particolare di pompe ed agitatori;

- diminuzione dei fenomeni di sedimentazione o galleggiamento della biomassa nel reattore.

Ogni combinazione di biomasse possiede un sistema appropriato di pretrattamento in grado di aumentarne la produttività, quali:

-pretrattamenti meccanici (macinazione, estrusione); sono pretrattamenti che agiscono sulla biomassa meccanicamente provocando principalmente uno sfibramento della biomassa accompagnato dalla riduzione della pezzatura. Utilizzati da decenni, aumentano la velocità di degradazione aumentando l’area disponibile all’attacco dei batteri.

- pretrattamenti termici (steam explosion, pressure coking); sfruttano l’azione combinata di temperatura e pressione per rompere i legami cellulari della biomassa e quindi aumentare sia l’estrazione che la solubilità dei composti organici. 

- pretrattamenti chimici (trattamenti con acidi e basi); il principio di questi trattamenti è aggredire la biomassa a livello molecolare con sostanze acide o basiche. Lo scopo è di estrarre le sostanze organiche anche da composti fortemente recalcitranti come la lignina. A differenza dei sistemi precedenti, il pretrattamento chimico comporta un basso dispendio di energia, nonostante sia comunque necessario procurarsi i reagenti.

-pretrattamenti biologici (enzimatici, fungini); questi sistemi sfruttano l’alta affinità e selettività di particolari enzimi o microrganismi nell’attaccare le sostanze maggiormente difficili da degradare (come la cellulosa). Il trattamento avviene completamente a livello biologico, con alte efficienze e senza la necessità di ingenti contributi di energia termica o elettrica. 

- pretrattamenti innovativi (ultrasuoni, elettrocinesi); questi rappresentano gli ultimi ritrovati nel panorama dei sistemi di pretrattamento delle biomasse. Nonostante i fenomeni fisici che li caratterizzano siano scientificamente conosciuti da decenni, la loro applicazione al settore delle biomasse è relativamente recente. Sostanzialmente, questi dispositivi riescono a creare un campo di energia estremamente concentrato e localizzato che permette di attraversare la membrana cellulare dei costituenti della biomassa, consentendo così alle sostanze organiche ivi contenute di essere liberate nella soluzione di alimentazione. Grazie ai sistemi di pretrattamento è possibile, a seconda delle biomasse disponibili e dei sistemi adottati, conseguire un aumento della produzione di biogas da un minimo del 10% fino a quasi il 100% del valore di partenza.

COGENERATORE

Il cogeneratore permette di effettuare la combustione del biogas e di convertire il suo contenuto energetico in elettricità e calore. A seconda delle taglie e degli utilizzi, sono disponibili diverse tipologie di cogeneratori:

- motori a combustione interna con iniezione pilota;

- microturbine.

I cogeneratori a biogas sono apparati progettati per garantire un funzionamento di almeno 8000 ore all’anno (su un massimo di 8760 ore in un anno), il che significa che ogni componente è studiato per garantire la massima affidabilità. Ogni cogeneratore, oltre a possedere un quadro di comando dedicato, è interfacciato con il sistema di gestione automatizzato, che permette di gestire in tempo reale le condizioni di funzionamento.

TRATTAMENTO DEL BIOGAS

Affinché il cogeneratore possa esprimere tutto il suo potenziale senza logorarsi prima del tempo, è necessario trattare il biogas in uscita dai digestori al fine di rimuovere le sostanze più aggressive ed inquinanti, che a lungo andare accorcerebbero la vita dell’intero impianto.

- desolforazione: lo zolfo è uno dei componenti potenzialmente più aggressivi; in combinazione con l’acqua crea acido solfidrico, che è altamente aggressivo per ogni componente meccanico che vi entra in contatto. La tecnologia di desolforazione più utilizzata prevede la rimozione dello zolfo direttamente all’interno dei digestori, grazie a particolari microrganismi in grado di prelevarlo dal biogas per poi precipitarlo in forma innocua nel digestato. Questo permette di proteggere non solo il cogeneratore, ma anche e soprattutto l’intero impianto di ricezione e distribuzione del biogas!

- deumidificazione: la deumidificazione prevede l’estrazione di tutta l’acqua contenuta nel biogas. Se non rimossa, l’acqua ivi contenuta favorisce l’insorgere di incrostazioni ed elementi corrosivi, oltre a diminuire considerevolmente la conversione energetica del biogas ed aumentare le emissioni inquinanti;

- filtrazione: la filtrazione serve per rimuovere le fini particelle sospese aspirate con il biogas (materiale organico, grassi, fiocchi di schiuma) che, in determinate condizioni, potrebbero depositarsi negli organi meccanici della distribuzione e del cogeneratore peggiorandone il funzionamento. Minori particelle sospese nel biogas comporta anche minori emissioni inquinanti allo scarico del cogeneratore.