Il biogas rappresenta un fluido ad elevato valore energetico, utilizzabile (Figura 1a) come combustibile in sistemi di cogenerazione (produzione di energia elettrica e termica), oppure per l’uso diretto nelle reti di distribuzione del gas naturale (Figura 1b) o negli autoveicoli: da un 1 Nm3 di biogas è possibile ricavare sino a 2 kWe di energia elettrica, da 2 a 3 kWt di calore e circa 0.6 Nm3 di metano.
I sistemi di cogenerazione, rispetto ai tradizionali sistemi di produzione di energia elettrica, riducono le perdite energetiche provvedendo al recupero del calore residuo contenuto nei gas di scarico, nell’olio lubrificante dei motori, nell’acqua di raffreddamento. L’energia termica recuperata viene utilizzata, di norma, per l’esercizio dell’impianto (assicurando nel digestore le eventuali previste condizioni di mesofilia o di termofilia) e per il riscaldamento degli ambienti di lavoro durante i periodi invernali.

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Figura 1 – Modalità di utilizzo del biogas

 

Lo sfruttamento del biogas è possibile a condizione di prevederne, a seconda degli usi, la depurazione, il raffinamento ed il condizionamento.
In particolare, la depurazione è finalizzata alla riduzione della sua umidità (il biogas grezzo ha tenori prossimi alla saturazione) ed alla rimozione degli elementi presenti in tracce (H2S, composti alogenati, ammoniaca, composti organici volatili, etc.) possibili cause di danni sia ai macchinari utilizzati per la combustione che all’ambiente.
Il raffinamento, quando previsto, si attua a valle della depurazione, con l’obiettivo di eliminare la CO2 dalla miscela, ed ottenere un gas (biometano) caratterizzato da tenori di CH4 comparabili a quelli del gas naturale (96%-99%).
Con il condizionamento, infine, il biometano viene arricchito di composti odorigeni, utili a consentirne la rivelabilità nei casi di sue fuoriuscite accidentali dai serbatoi di stoccaggio e dalle tubazioni di trasporto.
Per la conversione del biogas in energia e calore, i sistemi più utilizzati sono: motori volumetrici a combustione interna (Figura 2a); turbine a gas (Figura 2b); microturbine a gas (Figura 2c); celle a combustibile (Figura 2d). I primi tre sistemi sfruttano il processo di conversione termochimica del biogas, mentre l’ultimo quello di conversione elettrochimica, che assicura un miglioramento significativo tanto in termini di rendimento energetico quanto di riduzione dell’inquinamento atmosferico.

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(c)	(d)

Figura 2 - Sistemi energetici di utilizzazione del biogas

 

I motori a combustione interna rappresentano il sistema più diffuso per lo sfruttamento energetico del biogas, grazie alla vasta disponibilità di modelli diversi ed alle buone prestazioni in termini di rendimento. Il loro principale problema è costituito dalla fragilità nei confronti delle impurità presenti nel biogas, che, interagendo con le parti meccaniche del motore e miscelandosi con gli oli lubrificanti, possono danneggiare i cilindri ed i pistoni. Inoltre, i gas di scarico di tali motori sono caratterizzati da elevati tenori di ossidi di azoto (NOx) e monossido di carbonio (CO), per cui si rende indispensabile provvedere al loro trattamento prima dell’emissione in atmosfera.
Le turbine a gas, invece, permettono di contenere di gran lunga la formazione e le susseguenti emissioni di NOx e CO, ma hanno, se confrontate con i motori a combustione interna, costi maggiori (più del doppio) e rendimenti inferiori. Inoltre il mercato offre solo modelli con potenza non inferiore a 1 MW, rendendo la soluzione poco flessibile nei casi di una produzione discontinua di biogas e durante le operazioni di manutenzione. Elemento critico delle turbine a gas è rappresentato dal compressore, che operando con pressioni dell’ordine di 15-20 bar favorisce l’aggressività nei confronti delle apparecchiature delle sostanze che eventualmente residuano nel biogas a valle dei trattamenti.
Le microturbine a gas si basano sul medesimo principio di funzionamento delle turbine, dalle quali si differenziano per: la disponibilità di modelli di piccola potenza (30-100 kW), in grado di assicurare una considerevole elasticità all’impianto; le più basse temperature di esercizio, con conseguente minore formazione di NOx; la più ridotta pressione del gas nella camera di combustione, che comporta una minore frequenza dei guasti delle parti meccaniche; l’assenza di olii lubrificanti. Nei confronti dei motori a combustione interna, le microturbine sono non convenienti dal punto di vista dei rendimenti di conversione energetica e dei costi di acquisto, mentre sono vantaggiose per quanto riguarda i costi di esercizio, soprattutto con riferimento alla minore durata dell’intervallo intercorrente tra due successivi interventi di manutenzione (8000 ore contro circa 700 ore).
In generale, le celle a combustibile sono sistemi di conversione elettrochimica di un gas combustibile che, messo a contatto, per mezzo di un elettrolita, con un gas ossidante (abitualmente O2 dell’aria) libera elettroni, senza dar luogo alla formazione di NOX. Esse, ancora poco competitive per effetto dell’elevato costo, sono classificate in base al tipo di elettrolita e alla temperature di esercizio (da 80°C fino a 1000°C). Nel caso del biogas, destano maggiore interesse le celle a combustibile a carbonati fusi (con potenze minime di 300 kW), che consentono di accettare anidride carbonica sia sull’anodo che sul catodo e presentano rendimenti di conversione che sfiorano il 50%.