Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare
Prima di iniziare a parlare degli aspetti motoristici che ruotano attorno alla combustione del gas naturale e del biogas, si è ritenuto opportuno completare la carrellata introduttiva circa i gas stessi e la loro produzione. Vengono infine proposti alcuni casi di impianti di particolare interesse tecnico e tecnologico presenti in diversi paesi del mondo (attenzione, in seguito potrebbero essere aggiunti a questo articolo ulteriori casi).
Ciclo di produzione del biogas
Semplificando all’ennesima potenza, al fine di rendere comprensibile il tema soprattutto ai non addetti al settore, si può schematicamente e sinteticamente affermare che il ciclo di produzione di biogas ha bisogno, ovviamente, di materia prima da cui partire per dar luogo agli opportuni processi di trasformazione che forniranno in uscita gas metano, anidride carbonica, agenti contaminanti da filtrare e, ove possibile, fertilizzante ricco di carbonio. La materia prima necessaria può provenire principalmente dal contenuto trasportato dalle acque reflue delle reti fognarie dei centri abitati (appositamente trattate nei depuratori), può venire dalla frazione organica dei rifiuti solidi urbani (sia da quelli appena raccolti, che non raggiungeranno quindi le discariche, che da quelli ormai già presenti nelle discariche stesse) e può provenire da liquami zootecnici prodotti negli allevamenti. Sebbene esistano anche altri metodi quelli appena citati sono da considerarsi al momento i più concreti e proficui.
Una volta ottenuta la materia prima da trasformare (stiamo parlando in ogni caso di materia prima di recupero, gratuita e rinnovabile) questa va trattata dividendo la parte solida da quella liquida. La parte solida verrà digerita in assenza di ossigeno (digestione anaerobica o fermentazione metanica) mentre la parte liquida potrà essere stoccata in appositi silos e riutilizzata nell’impianto oppure essere filtrata ed essere scaricata lungo le reti fognarie o impiegata per l’irrigazione o in processi industriali.
Inserita la biomassa nei digestori, assieme ad appositi nutrienti e le corrette flore batteriche, attivato il riscaldamento ed il mescolamento del preparato e create le condizioni ideali per l’ambiente di reazione, si ottengono (dopo circa 20 giorni per le basse velocità di crescita e di reazione dei microrganismi anaerobi) principalmente biogas pronto all’uso (in misura variabile dal 30 all’85% della materia organica introdotta) e fertilizzante.
La digestione anaerobica è un processo naturale complesso di biodegradazione di sostanze organiche in assenza di ossigeno (anaerobiosi) all’interno di digestori di dimensioni proporzionali al volume di sostanze da trasformare in biogas. La trasformazione avviene a carico di gruppi batterici specifici lungo 3 fasi che hanno luogo in successione: idrolisi, fermentazione e metanogenesi.
Durante l’idrolisi batteri denominati “idrolitici” demoliscono i composti organici complessi (carboidrati, proteine e grassi) formando sostanze più semplici.
La fase di fermentazione trasforma poi le sostanze semplici, precedentemente ottenute, in acidi organici prima (reazione di acidogenesi) e in acetato, anidride carbonica e idrogeno poi (processo di acetogenesi).
Infine l’ultimo stadio, detto metanogenesi, prevede che batteri chiamati “metanigeni” trasformino le sostanze ottenute dalla fermentazione principalmente in metano ed anidride carbonica.
Uso del biogas
Una volta ottenuto il biogas può alimentare direttamente gli impianti delle abitazioni e delle aziende (riscaldamento ambiente, riscaldamento acqua calda sanitaria, fornelli cucina, sistemi di rifornimento indipendenti di veicoli a metano, ecc.) delle zone limitrofe al sito di produzione. Generalmente viene iniettato nelle condotte del gas naturale in percentuale, variabile da nazione a nazione, non inferiore al 10%, tuttavia vi sono casi in cui se ne fa un uso primario e totalmente indipendente dal gas naturale, ad esempio per il rifornimento di veicoli pubblici a biogas (vedi casi come quello di Linköping o di Norrköping in Svezia) o per la produzione di energia elettrica e riscaldamento da sfruttare in aziende agricole, allevamenti, piccoli centri abitati. Il biogas può quindi essere impiegato miscelato o puro per raggiungere apposite reti così com’è. Può altresì essere impiegato come carburante per motori a combustione interna (motori a ciclo Otto, turbine a gas) dotati di appositi generatori per la sola produzione di energia elettrica, oppure può alimentare sistemi di cogenerazione o microcogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e riscaldamento.
Quindi per ricapitolare il biogas può:
essere utilizzato miscelato fornendolo in percentuale tramite le normali reti del gas,
essere utilizzato puro fornendolo tramite apposite reti parallele del gas,
essere utilizzato per combustione diretta in caldaia al fine di produrre sola energia termica,
essere utilizzato per alimentare un motore ciclo Otto per produrre energia elettrica,
essere utilizzato per alimentare una turbina a gas per produrre energia elettrica,
essere utilizzato per alimentare un sistema di cogenerazione o microcogenerazione,
essere stoccato per alimentare mezzi pubblici, aziendali, agricoli, ecc..
Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas
A livello generale lo schema logico del ciclo è sempre il medesimo, ciò che cambia sono i batteri impiegati, i sistemi di filtraggio, i parametri costruttivi e di funzionamento dei digestori e, ovviamente, la fonte primaria dalla quale parte il ciclo. Migliore sarà la qualità dei reagenti e migliori saranno i prodotti ottenuti e quindi la composizione del biogas.
I cicli più diffusi di produzione di biogas vedono pertanto:
l’impiego di acque reflue civili, agricole o industriali – digestione anaerobica
l’impiego di liquami zootecnici – digestione anaerobica
l’impiego di frazioni organiche di rifiuti urbani (FORSU) – digestione anaerobica
l’impiego di effluenti zootecnici assieme a scarti organici – codigestione anaerobica
Biogas da acque reflue civili
Il caso di Didcot nell’Oxfordshire in Inghilterra
Grazie agli incentivi messi a disposizione dal governo inglese per la produzione di biogas da fonti totalmente rinnovabili, tre società (Thames Water, British Gas, Scotia Gas Networks) si sono alleate per realizzare un intelligente progetto che vede lo sfruttamento delle acque reflue domestiche come reagente iniziale per la produzione di gas metano da fornire a circa 200 abitazioni presenti nella contea di Didcot. Dalle acque reflue viene recuperata la parte solida che va ad alimentare dei digestori altamente specializzati. Un processo di assimilazione anaerobica permette di ottenere biogas il quale è sottoposto ad un processo di depurazione conforme ai più elevati standard normativi che lo rendono sicuro ed immediatamente utilizzabile lungo le reti di distribuzione domestica.
Il processo schematizzato nella figura sotto è così riassunto:
1. Produzione di acque reflue tramite gabinetti, lavandini, lavatrici, lavastoviglie.
2. Separazione del refluo in parte solida e acqua.
3. Trattamento di pulizia dell’acqua.
4. La parte solida viene inviata ai digestori e riscaldata, il riscaldamento attiva il naturale processo di digestione anaerobica dove appositi batteri demoliscono le sostanze organiche offrendo come risultato biomassa utilizzabile come fertilizzante e biogas ad alto contenuto di metano (dal 50% all’80%).
5. Il biogas viene incanalato in un apposito impianto di pulizia e depurazione.
6. Il biometano ricavato viene inviato alle abitazioni tramite la normale rete del gas.
Ciclo di produzione del biogas da acque reflue domestiche – Il caso Didcot nell’Oxfordshire in Inghilterra.
Biogas da frazione organica dei rifiuti urbani e liquami zootecnici
Il caso della Michigan State University
L’Univesrsità dello stato del Michigan ha realizzato un impianto di cogenerazione (denominato SCAD ovvero South Campus Anaerobic Digester) che sfrutta un digestore anaerobico per la sua alimentazione. L’impianto è dotato di un silos completo di digestore anaerobico misto il quale utilizza circa 17.000 tonnellate all’anno di rifiuti organici (frazioni organiche, scarti alimentari, grassi e oli di scarto di ristoranti e sale di ristorazione universitarie) provenienti dall’MSU e dalla città di Lansing (capitale dello stato del Michigan), nonché il letame proveniente dall’allevamento di cui dispone il campus. Ciò permette di produrre qualcosa come 2.800.000 kWh di energia elettrica all’anno.
L’elettricità prodotta dall’impianto viene utilizzata per alimentare diversi edifici del campus. Le materie prime vengono depositate in due silos uno dei quali progettato appositamente per il letame e l’altro idoneo per diversi altri materiali (derrate alimentari, frazioni organiche, ecc.), successivamente vengono pompate in un silos di miscelazione dove i diversi materiali di partenza vengono omogeneizzati. Il preparato ottenuto, prima di raggiungere il digestore anaerobico, passa attraverso uno scambiatore di calore dove raggiunge la temperatura di 37,8°C.
Il digestore è un serbatoio fuori terra, realizzato in acciaio, il cui volume utile è pari a circa 1700 metri cubi. È progettato per un tempo di ritenzione idraulica di 25 giorni. Una membrana flessibile e apposite guarnizioni assicurano l’ermeticità del serbatoio impedendo sia l’ingresso dell’aria che la fuoriuscita di odori sgradevoli. Due miscelatori a immersione mantengono costantemente il preparato ben miscelato.
Il biogas prodotto dal digestore viene utilizzato per alimentare un cogeneratore da 450 kW che invia energia elettrica agli edifici del campus e impiega parte del calore prodotto per mantenere in temperatura lo scambiatore di calore dell’impianto e parte per riscaldare gli edifici stessi del campus. Il biogas in eccesso viene bruciato con apposite torce per evitare che il metano raggiunga l’atmosfera ove risulta 21 volte più dannoso per l’ozono rispetto all’anidride carbonica.
Una volta terminata la digestione, la miscela di solidi e liquidi rimanenti, denominata “digestato”, viene pompata verso un separatore solido-liquido. I solidi vengono decomposti ed una parte viene impiegata stagionalmente come fertilizzate ricco di carbonio. I liquidi invece raggiungono un serbatoio di stoccaggio specializzato il cui volume è leggermente superiore a 9000 metri cubi. Anche qui apposite tenute evitano la fuoriuscita di odori fastidiosi.
Viene quindi prodotta energia rinnovabile, si riduce l’impiego delle discariche e degli impianti di depurazione delle reti fognarie, si produce fertilizzante e sostanze nutritive per la terra.
Ciclo di produzione del biogas da liquami zootecnici e frazione organica dei rifiuti
urbani – Il caso della Michigan State University
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Copia e incolla sul tuo browser il link al video che descrive l’impianto di produzione di biogas a partire dalle acque reflue civili, realizzato a Didcot nella contea di Oxfordshire in Inghilterra:
https://www.youtube.com/watch?v=O51iwIpeWEg
Copia e incolla sul tuo browser il link al video che descrive l’impianto di produzione di biogas a partire da liquami zootecnici e da frazione organica dei rifiuti urbani realizzato dalla Michigan State University:
http://ipf.msu.edu/construction/projects/anaerobic-digester.html