Gli impianti di biogas sono ormai parte integrante del panorama energetico moderno. Essi trasformano i residui organici in energia utilizzabile e danno un importante contributo alla transizione energetica. Ma come funziona esattamente un impianto di biogas? Quali componenti sono necessari? Questo articolo illustra il funzionamento dell’impianto di biogas in modo esaustivo e concreto, dal substrato iniziale fino alla produzione di energia elettrica e termica.
Come funziona un impianto di biogas – Il principio di base
Un impianto di biogas sfrutta un processo biologico naturale: la fermentazione anaerobica. In questo processo, i microrganismi decompongono i materiali organici in assenza di ossigeno. Il risultato è il biogas, composto principalmente da metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂). Questo biogas viene poi utilizzato per la produzione di energia – solitamente in un impianto di cogenerazione (BHKW), che produce contemporaneamente elettricità e calore.
Il principio di base è quindi estremamente semplice: materiale organico in entrata, biogas in uscita, energia da utilizzare. Tuttavia, dietro questa formula semplice si nasconde una complessa interazione tra biologia, ingegneria dei processi e ingegneria impiantistica, che funziona solo se i vari elementi interagiscono in modo ottimale.
I componenti principali di un impianto di biogas
Per comprendere il funzionamento di un impianto di biogas, è importante conoscere i singoli componenti e le loro funzioni. Un tipico impianto di biogas è costituito dai seguenti componenti principali:
Vasca di pretrattamento o area di raccolta dei substrati
È qui che ha inizio il processo. Nella fossa di pretrattamento vengono raccolti e preparati tutti i materiali di alimentazione organici, detti anche substrati. Tra questi figurano liquame, letame, insilato di mais, erba, rifiuti organici o residui organici provenienti dall’industria alimentare. I substrati vengono spesso triturati, miscelati e portati alla giusta consistenza, affinché possano successivamente fermentare in modo ottimale.
Fermentatore (digestore principale)
Il fermentatore è il cuore di ogni impianto di biogas. In questo serbatoio a tenuta ermetica avviene la fermentazione vera e propria. Qui milioni di microrganismi operano in condizioni prive di ossigeno (anaerobiche) e decompongono le sostanze organiche. Da questo processo si genera il prezioso biogas.
Il fermentatore viene riscaldato a una temperatura costante compresa tra circa 35 e 42 °C (mesofilo) o tra 50 e 55 °C (termofilo), poiché i batteri operano in modo ottimale solo in questo intervallo di temperatura. Gli agitatori garantiscono una miscelazione omogenea, in modo da evitare la formazione di strati galleggianti o sedimentati e assicurare una fermentazione uniforme in tutte le zone.
Post-fermentatore
Dopo il fermentatore, il substrato parzialmente fermentato viene spesso convogliato in un post-fermentatore. Qui la fermentazione prosegue in condizioni simili, sebbene con minore intensità. Il post-fermentatore aumenta la resa di gas e garantisce una qualità più stabile del residuo di fermentazione.
Serbatoio di stoccaggio del gas
Il biogas prodotto deve essere stoccato temporaneamente, poiché la produzione e il consumo non avvengono sempre contemporaneamente. Spesso il serbatoio di stoccaggio del gas è montato direttamente sul fermentatore o sul post-fermentatore sotto forma di copertura flessibile. Questa copertura in pellicola si solleva e si abbassa a seconda della quantità di gas.
Centrale di cogenerazione (CCG)
Nell’impianto di cogenerazione il biogas viene bruciato e trasformato, in un motore a gas o in una turbina a gas, in energia meccanica che aziona un generatore. Quest’ultimo produce energia elettrica. Contemporaneamente si genera calore residuo, che può essere utilizzato per il riscaldamento del fermentatore, di edifici residenziali o di serre. Questo principio di cogenerazione rende gli impianti a biogas particolarmente efficienti.
Deposito dei residui di fermentazione
Ciò che rimane dopo la fermentazione sono i residui di fermentazione. Essi contengono ancora tutte le sostanze nutritive quali azoto, fosforo e potassio e sono utilizzabili come fertilizzante di alta qualità per l’agricoltura. Il deposito dei residui di fermentazione raccoglie questi residui fino a quando non possono essere sparsi sui campi.
Come funziona un impianto di biogas: una spiegazione semplice – passo dopo passo
Per una migliore comprensione, il funzionamento di un impianto di biogas può essere suddiviso nelle seguenti fasi:
Fase 1: Ricezione e preparazione del substrato
Le materie prime organiche vengono consegnate, raccolte nella fossa di pre-trattamento e, se necessario, triturate o miscelate. Una composizione omogenea del substrato è fondamentale per garantire un processo di fermentazione stabile.
Fase 2: Alimentazione del fermentatore
Il substrato preparato viene immesso nel fermentatore in modo continuo o a intervalli regolari. Gli impianti moderni utilizzano a tal fine una tecnica di alimentazione automatizzata che consente un dosaggio preciso.
Fase 3: Fermentazione anaerobica
Nel fermentatore ha inizio la produzione vera e propria di biogas. Diversi ceppi batterici agiscono in sinergia in più fasi (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi) per degradare gradualmente le complesse molecole organiche. Il risultato finale è il biogas con un contenuto di metano pari a circa il 50 – 70 %.
Fase 4: Stoccaggio del gas
Il biogas prodotto sale verso l’alto e viene raccolto nel serbatoio di stoccaggio. Da qui può essere prelevato in base alle esigenze.
Fase 5: Produzione di energia
Il biogas viene convogliato all’impianto di cogenerazione e lì bruciato. Il generatore produce energia elettrica, che viene immessa nella rete o utilizzata in loco. Il calore residuo riscalda il fermentatore e può essere impiegato per altri scopi.
Fase 6: Valorizzazione del residuo di fermentazione
Il materiale fermentato viene espulso sotto forma di residuo di fermentazione, raccolto nel deposito dei residui e successivamente distribuito come concime in agricoltura. In questo modo si chiude il ciclo.
Come funziona biologicamente un impianto di biogas – Il processo di fermentazione in dettaglio
Il funzionamento biologico di un impianto di biogas si basa su un processo di degradazione microbica in più fasi. Ciascuna fase è affidata a gruppi di batteri specializzati:
Fase 1: idrolisi
Nella prima fase, i batteri idrolitici scompongono i polimeri organici complessi, quali carboidrati, proteine e grassi, in elementi costitutivi più piccoli: zuccheri, aminoacidi e acidi grassi. Questa fase è particolarmente importante nel caso di substrati ricchi di struttura, quali la paglia o l’insilato di mais.
Fase 2: acidogenesi (acidificazione)
I monomeri così formati vengono ulteriormente degradati dai batteri acidogeni. In questo processo si formano acidi grassi a catena corta (come l’acido acetico, l’acido propionico e l’acido butirrico), alcoli, idrogeno e anidride carbonica. Questa fase procede in modo relativamente rapido e, in caso di alimentazione sbilanciata, può portare a un’eccessiva acidificazione del fermentatore.
Fase 3: Acetogenesi
I batteri acetogeni trasformano gli acidi e gli alcoli in acido acetico, idrogeno e CO₂. Queste sostanze costituiscono i precursori diretti della formazione di metano. L’acetogenesi è un processo delicato che si svolge in modo efficiente solo in presenza di basse concentrazioni di idrogeno.
Fase 4: metanogenesi
Nell’ultima fase, gli archei metanogeni (non batteri!) producono il metano vero e proprio. Essi utilizzano o l’acido acetico (metanogenesi acetoclastica) oppure l’idrogeno e la CO₂ (metanogenesi idrogenotrofica). Questi microrganismi sono altamente specializzati, crescono lentamente e sono sensibili alle variazioni di temperatura, alle fluttuazioni del pH o alle sostanze tossiche.
Solo quando tutte e quattro le fasi procedono in equilibrio, l’impianto di biogas produce in modo continuo e stabile biogas di alta qualità.
Funzionamento dell’impianto di biogas: quali fattori influenzano le prestazioni?
L’efficienza e la resa in gas di un impianto di biogas dipendono da diversi fattori:
Qualità e composizione del substrato
Non tutti i substrati forniscono la stessa quantità di gas. I substrati ad alto contenuto energetico, come l’insilato di mais o i grassi, presentano un elevato potenziale di metano, mentre i materiali ricchi di fibra, come la paglia, sono più difficili da decomporre. Una miscela equilibrata – il cosiddetto «substratmix» – è fondamentale per garantire un equilibrio biologico stabile.
Temperatura
La temperatura di processo influenza direttamente l’attività dei microrganismi. Gli impianti mesofili (35 – 42 °C) sono molto diffusi e robusti. Gli impianti termofili (50 – 55 °C) raggiungono tassi di degradazione più elevati e igienizzano meglio il substrato, ma richiedono maggiore energia termica e sono più soggetti a malfunzionamenti.
Tempo di permanenza
Il tempo di permanenza indica per quanto tempo il substrato rimane nel fermentatore. I valori tipici sono compresi tra 30 e 100 giorni. Maggiore è il tempo di permanenza, più completa è la fermentazione – ma anche più grande dovrà essere il fermentatore.
Tecnica di agitazione
Una buona miscelazione impedisce la formazione di strati galleggianti e di fondo, garantisce una distribuzione uniforme della temperatura e migliora il contatto tra i batteri e il substrato. I moderni agitatori a pale, come il Varibull, funzionano in modo efficiente dal punto di vista energetico e delicato.
Valore del pH e oligoelementi
Il valore ottimale del pH per la formazione di metano è compreso tra 6,5 e 8,0. Inoltre, i microrganismi necessitano di oligoelementi quali ferro, nichel, cobalto o selenio. Una carenza può ridurre notevolmente la produzione di gas.
Impianti di biogas nella pratica: diversi tipi di impianti
A seconda della destinazione d’uso, del substrato e dell’ubicazione, vengono impiegati diversi tipi di impianti:
Impianti di biogas agricoli
Questi impianti sono gestiti prevalentemente da agricoltori e trattano soprattutto liquame, letame e materie prime rinnovabili come il mais o l’erba. Producono energia elettrica e calore per il proprio fabbisogno o immettono energia nella rete. I residui di fermentazione vengono sparsi sui propri terreni come concime.
Impianti di biogas industriali
In questi impianti vengono trattati rifiuti organici provenienti dall’industria alimentare, scarti di macellazione o rifiuti organici raccolti nei contenitori per la raccolta differenziata. Questi impianti sono spesso più grandi e tecnicamente più complessi, poiché devono gestire substrati diversi e in parte problematici.
Impianti di trattamento del biogas
Nel processo di trattamento del biogas, il biogas grezzo viene purificato e portato alla qualità del gas naturale (biometano). A tal fine, la CO₂ viene separata e il contenuto di metano viene aumentato a oltre il 95%. Il biometano può essere immesso nella rete del gas naturale o utilizzato come carburante.
Piccoli impianti di biogas
Per le aziende agricole di piccole dimensioni o per modelli di approvvigionamento decentralizzati sono disponibili impianti di biogas compatti con potenza ridotta. Sono più semplici da gestire e economicamente vantaggiosi anche in presenza di quantità ridotte di substrato.
Vantaggi e svantaggi dell’impianto di biogas: funzionamento
Come ogni tecnologia, anche quella del biogas presenta punti di forza e limiti:
Vantaggi:
- Energia rinnovabile: il biogas è rispettoso del clima e può essere immagazzinato
- Economia circolare: i residui vengono valorizzati in modo sensato
- Fertilizzante: i residui di fermentazione costituiscono fertilizzanti organici di alta qualità
- Flessibilità: il biogas può essere prelevato all’occorrenza
- Valore aggiunto regionale: l’energia viene prodotta in loco
Sfide:
- Elevati costi di investimento: la costruzione di un impianto è costosa
- Complessità tecnica: biologia e tecnologia devono interagire in modo ottimale
- Fabbisogno di superficie: la coltivazione di colture energetiche entra in concorrenza con la produzione alimentare
- Emissioni di odori: in caso di gestione non corretta possono verificarsi odori sgradevoli
- Onere di manutenzione: sono necessari controlli e interventi di manutenzione regolari
Innovazioni tecniche: come gli impianti moderni funzionano in modo più efficiente
La tecnologia del biogas è in continua evoluzione. Componenti e processi moderni ne aumentano l’efficienza e la redditività:
Tecnica di alimentazione
Il dosaggio automatizzato dei solidi garantisce quantità precise di substrato e riduce il carico di lavoro. Sistemi come la serie Easyfeeder consentono un’alimentazione uniforme ed efficiente dal punto di vista energetico.
Agitatori
Gli agitatori a pale ad alta efficienza energetica, come il Varibull, consumano una quantità di energia elettrica notevolmente inferiore rispetto ai tradizionali agitatori a motore sommergibile, garantendo comunque una miscelazione ottimale.
Tecnica di separazione
I separatori a coclea separano il residuo di fermentazione in una fase solida e una fase liquida. La fase liquida può essere distribuita in modo mirato come fertilizzante azotato, mentre i solidi vengono utilizzati come lettiera o per il compostaggio.
Scambiatori di calore
Gli scambiatori di calore per substrati sfruttano il calore residuo dell’impianto di cogenerazione per preriscaldare i substrati freddi. Ciò consente di risparmiare energia termica e aumenta l’efficienza complessiva dell’impianto.
Evaporazione del residuo di fermentazione
Gli impianti di evaporazione dei residui di fermentazione, come il Vapogant, consentono di rimuovere l’acqua in eccesso dai residui di fermentazione. Ciò riduce il volume di stoccaggio fino al 70% e rende i trasporti più economici.
Ottimizzazione dell’impianto di biogas: consigli per una maggiore resa di gas
I gestori possono migliorare le prestazioni del proprio impianto attraverso misure mirate:
- Gestione dei substrati: miscela equilibrata di diversi substrati con elevato potenziale di resa di gas
- Oligoelementi: controllo regolare e aggiunta se necessario
- Strategia di agitazione: tempi e intensità di agitazione adeguati a seconda del substrato
- Stabilità della temperatura: prevenzione delle fluttuazioni grazie a un sistema di riscaldamento ottimizzato
- Pretrattamento: trattamento meccanico o termico dei substrati difficilmente degradabili
- Igienizzazione: eliminazione sicura degli agenti patogeni nei materiali di origine animale
- Monitoraggio del processo: analisi periodica del valore del pH, della qualità dei gas e degli acidi organici
Sicurezza e tutela ambientale negli impianti di biogas
Il funzionamento sicuro di un impianto di biogas richiede particolare attenzione:
- Tenuta ai gas: tutte le condutture e i serbatoi devono essere assolutamente a tenuta stagna
- Protezione contro le esplosioni: il biogas è infiammabile, pertanto si applicano severi requisiti di protezione contro le esplosioni
- Arresto di emergenza: sistemi di sicurezza automatici in caso di malfunzionamenti
- Controllo delle emissioni: i sistemi chiusi impediscono le emissioni di metano
- Monitoraggio: controllo continuo di pressione, temperatura e valori dei gas
Gli impianti moderni soddisfano elevati standard ambientali e contribuiscono attivamente alla protezione del clima, poiché sostituiscono le fonti energetiche fossili ed evitano le emissioni di metano derivanti dallo stoccaggio all’aperto del liquame.
Redditività: conviene realizzare un impianto di biogas?
La redditività dipende da molti fattori:
- Tariffa di immissione in rete: incentivi statali ai sensi della Legge sulle energie rinnovabili (EEG)
- Costi dei substrati: i propri residui sono più economici delle colture energetiche acquistate
- Sfruttamento del calore: maggiore è lo sfruttamento del calore residuo, migliore è il bilancio complessivo
- Dimensioni dell’impianto: gli impianti di maggiori dimensioni sono spesso più redditizi
- Costi di esercizio: manutenzione, riparazioni, assicurazione e personale
Nonostante gli elevati investimenti iniziali, gli impianti di biogas possono risultare redditizi nel corso della loro vita utile di 20 – 25 anni, soprattutto se integrati in un progetto complessivo ben congegnato.
Conclusione: comprendere e sfruttare il funzionamento di un impianto di biogas
Un impianto di biogas è ben più di un semplice sistema tecnico: è un organismo vivente in cui biologia e tecnologia operano in sinergia. La comprensione del funzionamento di un impianto di biogas costituisce la base per un esercizio efficiente, sicuro ed economico.
D’inizio del substrato alla fermentazione anaerobica fino alla produzione di energia: ogni fase del processo deve essere ottimizzata. Componenti moderni quali agitatori efficienti, tecniche di immissione intelligenti e sistemi innovativi di trattamento dei residui di fermentazione contribuiscono a ottenere il massimo da ogni impianto.
Gli impianti di biogas danno un contributo fondamentale alla transizione energetica: producono energia elettrica in grado di coprire il carico di base, utilizzano risorse locali, chiudono i cicli dei nutrienti e riducono le emissioni di gas serra. Con il giusto know-how e la tecnologia adeguata, i gestori possono ottimizzare continuamente il proprio impianto e operare con successo sia dal punto di vista economico che ecologico.
