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Cosa é Biogas?

Energia rinnovabile da materiali residui


Il biogas è ricavato dallo sfruttamento di residui provenienti da allevamento (liquame, letame e avanzi di mangime), produzione alimentare (avanzi di frutta e verdura, resti della lavorazione di carne, pesce e latte, avanzi della fabbricazione della birra, avanzi di cibo, ecc.) e da acque reflue di depuratori industriali e comunali. Costruendo impianti di biogas, l'agricoltura offre un importante contributo alla distribuzione di energia prodotta da fonti rinnovabili e allo smaltimento dei rifiuti organici. Sottoprodotto della produzione di biogas sono i digestati, che possono essere a loro volta utilizzati come fertilizzante di alta qualità.

Da un punto di vista economico ed ecologico, l'applicazione del decreto sul riciclaggio e la gestione dei rifiuti vengono realizzati appieno con la costruzione di impianti rurali per il trattamento del biogas.


Componenti del biogas


Il biogas è prodotto dalla fermentazione anaerobica di sostanze organiche all'interno di un fermentatore a tenuta stagna. Questo fermentatore trasforma i materiali organici in biogas utilizzando un processo biologico complesso a circa 38-55 °C. Più della metà del gas risultante da questo processo è costituito da metano (CH4), mentre il resto è anidride carbonica (CO2).

Una centrale termoelettrica a blocco (CHP) con un generatore trasforma il gas metano in corrente e calore. Il biogas è completamente ecologico e non influisce sulla quantità delle emissioni di CO2. Il processo di produzione genera solamente la quantità di CO2 assorbita dalle piante tramite fotosintesi. In questo modo il ciclo ecologico si chiude.


Necessità del biogas


Il biogas è conosciuto da diverse centinaia di anni. Attorno al 1750 fu rilevata la presenza di metano nei gas delle paludi. I primi metodi di fermentazione continua furono invece messi in pratica dopo il 1900. All'inizio degli anni Settanta, in Europa, il biogas ritornò tuttavia attuale visto l'enorme aumento del costo dell'energia (crisi petrolifera). Dal 1980, la crescente importanza dell'ecologia e la sensibilizzazione delle coscienze hanno dato un ulteriore impulso al biogas.


Il biogas, cioè la fermentazione di residui organici, è un modo per risolvere i problemi ambientali:

 

  • Effetto serra
  • Distruzione dello strato di ozono
  • Graduale abbandono dell'energia nucleare
  • Durata limitata dei combustibili fossili convenzionali 

PROCESSO DI SVILUPPO

Tipi di fermentazione

Fermentazione aerobica: 

con aria o alimentazione di ossigeno
→ (prodotti finali CO2 e H2O)

 

Fermentazione anaerobica:

senza aria né alimentazione di ossigeno
→ (prodotto finale CH4 - biogas)

Procedimento per la formazione di biogas

  • Idrolisi (liquefazione)
    Decomposizione di sostanze organiche in acidi grassi volatili, acido acetico, acido butirrico, acido propionico (simile alla preparazione dell'insilamento)

  • Trasformazione di questi prodotti finali in metano CH4, anidride carbonica CO2 e acqua H2O.

 

Il processo di fermentazione è realizzato da batteri che vivono in una coltura mista all'interno del fermentatore.

Importanti fattori di influenza per la produzione di biogas

Temperatura Psicrofilo 15 - 30 °C

→ lunga permanenza, basso rendimento di gas, processo di fermentazione non sensibile

Mesofilo 30 - 45 °C

→ media permanenza, buon rendimento di gas, processo di fermentazione stabile

Termofilo 45 - 60 °C   

→ breve permanenza, buon rendimento di gas
→ Processo di fermentazione instabile
→ Effetto disinfettante

Tempo di permanenza

Vi è una stretta correlazione tra la temperatura di digestione e il tempo di permanenza nel fermentatore. Con le temperature nell'intervallo termofilo il tempo di permanenza può essere ridotto a 25 giorni. Il tempo di permanenza ottimale per il processo è di 40-60 giorni.

Contenuto di sostanze solide

Il valore ideale è compreso tra il 4% e il 12% di sostanza secca organica (SSO).

Con una SSO inferiore al 4%, il contenuto di energia del substrato digestato è troppo basso.

Con una SSO superiore al 12%, il substrato digestato non può più essere pompato oppure ha solo limitate capacità di flusso.

Sostanze fermentabili

a) Fertilizzanti derivanti dal liquame bovino utilizzato in agricoltura

  • Letame solido bovino
  • Liquame suino
  • Letame solido suino
  • Liquame


b) Residui agricoli da sfalci d'erba

  • Foglie di barbabietola
  • Insilato


c) Residui derivanti dall'industria agroalimentare e dalla fabbricazione della birra

  • Avanzi di frutta
  • Avanzi di verdura
  • Panello di colza
  • Residui di cereali
  • Borlanda (da patate, birra, ecc.)
  • Melassa


d) Residui del macello comunale (avanzi di rumine, grasso separato per flottazione)

  • Separatore di grasso
  • Rifiuti alimentari
  • Grandi rifiuti di cucina
  • Acque reflue domestiche


In linea di massima, durante il processo di approvazione è necessario verificare la presenza di misure di disinfezione per determinate aree appartenenti a quest'ultimo gruppo.

Produzione di biogas dalla fermentazione anaerobica di vari substrati

Substrato Litri di gas / kg di SSO
Liquame bovino 300 - 400
Liquame suino 400 - 700
Pollina (diluita) 400 - 700
Rifiuti domestici organici 450
Rifiuti alimentari 1.000
Avanzi di verdura 600
Sfalci d'erba 600
Grasso dal separatore di grasso 1.000

PROCEDURA

Prevasca

La prevasca funge da buffer intermedio e serbatoio di raccolta per il fertilizzante liquido. La grandezza della prevasca deve essere sufficiente per almeno 2 - 3 giorni di accumulo di liquame e substrato. Le riserve sono un vantaggio. Nella prevasca possono già depositarsi alcune sostanze solide grossolane come ad es. sassi (che non devono entrare nel fermentatore).

 

L'incorporazione di piccole quantità di sostanze solide e il caricamento del fermentatore vengono effettuati mediante una robusta pompa. Di solito per la miscelazione e l'eliminazione degli strati galleggianti nella prevasca è disponibile anche un agitatore. In casi particolari è possibile rinunciare alla prevasca e introdurre il liquame direttamente nel fermentatore.

Prevasca con fase dell'idrolisi

Negli impianti con idrolisi, il materiale scomposto dall'estrusore viene introdotto nella prima prevasca tramite una coclea di immersione. La prima prevasca rappresenta la cosiddetta fase dell'idrolisi e la prima fase della fermentazione bifase. Nella prevasca dell'idrolisi, l'azione dei microrganismi genera un processo bifase (idrolisi e acidogenesi) che prevede innanzitutto la scissione delle molecole. In questo modo si ottengono i prodotti della scissione: idrogeno, anidride carbonica, alcoli e acidi grassi. Il materiale così scomposto può quindi essere trattato nel fermentatore in modo facile e veloce. Dalla fase dell'idrolisi il substrato viene pompato nel fermentatore più volte al giorno.

 

Per mantenere una temperatura costante, la prevasca dell'idrolisi viene riscaldata con calore proveniente dal cogeneratore e isolata esternamente con Styrodur.

Dosatore di accettazione / Biofeeder

A seconda della biomassa di partenza, per il pretrattamento si può utilizzare un dosatore di accettazione con estrusore a valle (BIOaccelerators) oppure un Biofeeder con reattore a impulsi a valle (BIOacceleratorr).

 

Il dosatore di accettazione è costituito da un contenitore aperto provvisto di trasportatore a raschiamento integrato e rulli di fresatura. Dal dosatore di accettazione, il materiale passa per i rulli di fresatura e i nastri trasportatori per raggiungere infine il BIOaccelerators. Dal Biofeeder il materiale viene immesso nel BIOacceleratorr per mezzo di un sistema a coclea (eccezione: serie Farmer).

 

Il Biofeeder comprende inoltre un contenitore aperto che trasporta il materiale tramite il cosiddetto "Walking Floor". Dal Biofeeder il materiale passa nel BIOacceleratorr attraverso i rulli di fresatura.

Fermentatore

Il fermentatore è il cuore dell'impianto. È qui infatti che avviene l'effettiva conversione della biomassa in biogas (fermentazione). L'azione di vari microrganismi decompone il substrato organico convertendolo in biogas ricco di metano. SI tratta della fermentazione monofase in ambiente mesofilo, ovvero un processo di conversione che avviene in un'unica vasca a una temperatura di 35 – 45 °C. Poiché i microrganismi non sono in grado di mantenere questo livello di temperatura, nel fermentatore è integrato un sistema di riscaldamento costituito da tubi fissati ad anello alla parete interna del fermentatore (in modo analogo a un radiatore). Come fonte di calore viene utilizzata una parte del calore rilasciato dal cogeneratore. Il fermentatore è alimentato in continuo durante il processo di flusso. In tal modo il substrato fresco viene alimentato più volte al giorno dalla prevasca e immesso quindi nel fermentatore tramite la coclea di immersione.

 

Per un rendimento di gas ottimale è indispensabile un agitatore meccanico adeguatamente dimensionato, in grado di capovolgere il substrato digestato. Le tecniche di agitazione idrauliche e pneumatiche non sono tra le prassi più diffuse. Quando si aggiungono determinati substrati, all'interno del fermentatore possono formarsi strati galleggianti e depositi. L'agitatore deve quindi essere regolabile in altezza.

 

Analogamente, il substrato viene prelevato più volte al giorno dal fermentatore e pompato nel post-fermentatore o nella vasca di stoccaggio. Si tratta di un processo collaudato, che garantisce una produzione di gas costante e un utilizzo efficiente del volume del fermentatore. Il fermentatore è in cemento armato e viene costruito in loco. Per ridurre la dispersione di calore viene isolato con Styrodur. La parte della vasca che emerge dal terreno è rivestita in legno o lamiera ondulata. La copertura del fermentatore è realizzata con un telo a sostentamento pneumatico. In questo modo, il telo di copertura funge esso stesso da serbatoio del gas.

Stazione di pompaggio

La stazione centrale di pompaggio provvede a distribuire i liquidi tra le vasche. La sala pompe con la stazione centrale è posizionata tra il fermentatore e il post-fermentatore. In generale è possibile pompare i liquidi da ognuna delle vasche verso qualsiasi altra vasca dell'impianto.

 

La sala pompe ospita inoltre la distribuzione del calore. La stazione di pompaggio può anche essere installata all'interno del container.

Trattamento del gas / Stoccaggio del gas

Nel biogas sono contenute parti di zolfo che intaccano e distruggono i metalli non ferrosi nell'area magazzino della centrale termoelettrica a blocco. È quindi necessario effettuare la desolforazione del biogas all'interno del fermentatore tramite

  • ossidazione con ferro
  • ingresso di aria del 2 -3% Vol tramite piccoli compressori o pompe per acquari.

 

Le condotte per il trasporto di gas al cogeneratore devono essere di dimensioni sufficientemente grandi (ca. 100 - 150 mm, a seconda della distanza). Nel terreno vengono utilizzati tubi in PVC o PE mentre nell'area di installazione aperta vengono utilizzati tubi in acciaio inox. Le condotte più lunghe posate nel terreno hanno il vantaggio che il gas viene raffreddato e quindi il vapore acqueo si condensa e viene separato. Minore è la temperatura del gas, maggiore sarà la sua qualità. Le condutture del gas devono essere posizionate in pendenza. 

 

Lo stoccaggio del gas avviene secondo il principio della bassa pressione, in contenitori con pellicola in PVC o PE che vengono saldati sul posto. Il volume di accumulo deve essere idoneo per 6 - 12 ore. In questo modo è possibile immagazzinare il gas durante la notte e coprire un maggiore fabbisogno energetico nell'arco della giornata.

 

Cogeneratore con trasformatore

Il cogeneratore è alimentato dal biogas proveniente dal fermentatore e, in misura minore, da quello proveniente dal post-fermentatore / dalla vasca di stoccaggio. L'energia elettrica prodotta nel cogeneratore viene immessa nella rete pubblica, mentre una piccola parte va a coprire il fabbisogno energetico dell'impianto stesso. Una parte dell'energia termica prodotta dall'impianto di raffreddamento del motore e dallo scambiatore termico del gas combusto viene utilizzata per riscaldare il fermentatore e il post-fermentatore. Il calore in eccesso viene utilizzato per asciugare il digestato. Se dall'impianto non viene eliminata una quantità di calore sufficiente, vengono utilizzati i raffreddatori di emergenza del cogeneratore per raffreddare il motore.




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