Biogas - Impianto:
Conversione Energetica
La produzione di biogas avviene alla pressione del digestore, vicina alla pressione atmosferica, e dunque lo stoccaggio ed il trasporto necessitano di compressione: per evitare questo costo il biogas viene generalmente impiegato sul sito di produzione dove può soddisfare anche gli autoconsumi dell’impianto (dal 15 al 25% dell’energia prodotta), può per il riscaldamento dei digestori ed, eventualmente, per coprire il fabbisogno di energia elettrica dell’impianto (cogenerazione di calore ed elettricità). L’autoconsumo varia con la stagione la stagione e con le operazioni: il riscaldamento è in genere durante il caricamento.
| OPERAZIONE | PERDITA DI ENERGIA |
| EMISSIONI IN TORCIA | 5% |
| RISCALDAMENTO | 5% |
| ENERGIA ELETTRICA DI PROCESSO | 10% |
Il biogas in eccesso può essere valorizzato con diverse
modalità, alcune delle quali particolarmente sviluppate. Di
seguito vengono riportate le principali possibilità di
utilizzo.
- Generazione di calore ( acqua calda, vapore o aria calda)
, per il riscaldamento, l’essiccazione e processi
industriali. Questa scelta richiede di avere un’utenza
vicina essendo impossibile il trasporto. Rendimento medio:
80-85%.
- Generazione di elettricità ( con motori a gas, con turbine
a gas o con turbine a vapore). Rendimento medio: 30-35%.
- cogenerazione di calore ed elettricità. Rendimento medio:
85%: 50% per calore e 35% per elettricità.
-
Esistono anche altre filiere emergenti, che non hanno ancora
raggiunto la maturità tecnologica o commerciale, come:
- produzione di biocarburanti;
- distribuzione in rete previo arricchimento
- generazione del freddo con macchine ad assorbimento
(industrie agro-
alimentari).
Rendimenti di conversione
| Energia elettrica | 30 – 35 % |
| Calore | 80 – 90 % |
| Gas distribuito | 85 % |
| Gas autotrazione | 80 % |
| Cogenerazione | 70 – 90 % |
L’utilizzo energetico del biogas oggi può essere fatto per
due vie
- motori
- combustione diretta
Motori
I motori possono essere a combustione interna od esterna
(Stirling). Quest’ultimo tipo non è commercialmente diffuso
e quindi soltanto i motori classici sono ampiamente usati.
Il classico motore a ciclo Otto associa rendimenti meccanici
elevati con maturità tecnologica e di mercato e facilità di
prelievo dle calore per la cogenerazione.
Il problema dei motori è la corrosione da parte dello zolfo
che richiede, per ridurre l’usura l’impiego di metallo
bianco al posto del rame.
Le polveri e l’umidità vengono agevolmente eliminati dal
biogas in entrata.
La pressione del gas in entrata è regolata da un riduttore
di pressione per il valore massimo, mentre il valore minimo,
al di sotto del quale si ha l’arresto del motore, dipende
dalla continuità di produzione e dalla capacità di accumulo.
Per ovviare al rischio di arresto del sistema, specialmente
se si vuole alimentare direttamente l’azienda soddisfacendo
anche le punte di consumo elevato, è sempre possibile
operare con il motore a benzina.
Carburazione
Il rapporto stechiometrico tra massa dell’ aria e massa del
combustibile, è quello che dà luogo alla cosiddetta
combustione stechiometrica.
La combustione stechiometrica è una reazione chimica in cui
i reagenti sono il carburante e l’aria e i prodotti sono
acqua e anidride carbonica.
Nel carburatore si forma la miscela aria-carburante che
brucia nel cilindro rilasciando energia termica che in parte
sarà trasformata in energia meccanica.
Dopo la combustione la miscela si trasforma in biossido di
carbonio (CO2 ), acqua (H2O ) e
talvolta del monossido di carbonio (CO).
Miscele meno ricche di combustibile o con maggior quantità
d’aria vengono dette magre: esse possono essere
bruciate e l’aria in eccesso la si ritrova non modificata
nei prodotti della combustione.
Miscele meno ricche di aria o con maggior quantità di
combustibile vengono dette grasse: possono essere
bruciate, ma c’è insufficiente ossigeno per ossidare
totalmente il carbonio e l’idrogeno del combustibile in
anidride carbonica ed acqua per cui ai normali gas di
scarico si aggiungono frazioni di monossido di carbonio ed
idrogeno.
Il rapporto stechiometrico può essere mantenuto con la sonda
lambda che rileva l’ossigeno nei gas di scarico regolando
l’aria in funzione della taratura.
Sia con miscele magre che grasse si ha una perdita di
rendimento termico come illustrato nel grafico seguente:
Da un punto di vista operativo si preferisce mantenere un
leggero eccesso d’aria per impedire il ritorno di fiamma da
parte del combustibile avido di ossigeno.
L’aria è costituita in volume dal 21% di ossigeno (O2),
dal 79% di gas inerti (azoto,argon ed anidride carbonica).
Il potere calorifico del biogas e della miscela dipende
dalla percentuale dei suoi componenti combustibile.
| Gas | PCI (KCal/m3) | Ossigeno stechiometrico (m3/m3) | Domanda d’aria (m3/m3) |
| Monossido di carbonio | 3026 | 0,5 | 2,38 |
| Idrogeno | 2575 | 0,5 | 2,38 |
| Metano | 8566 | 2 | 9,52 |
Da cui:
PCIM=
3026xVCO+2575xVH2+8566xVCH4)/(1+2,38xVCO+2,38xVH2+9,52xVCH4
Dove
PCIM = Potere calorifico inferiore della miscela
VGAS = Frazione volumetrica dei componenti del
biogas
La miscela stechiometrica di benzina ed aria ha un potere
calorifico di circa 910 Kcal/m3, mentre la
miscela di biogas ed aria ha un potere calorifico di circa
820 Kcal/m3 con una perdita di potenza del 10%.
Per ovviare a questa perdita di potenza si possono mettere
in atto alcuni interventi finalizzati ad aumentare il
rendimento termico e quindi la potenza del motore:
a) Aumento del rapporto di compressione
b) Aumento della miscela introdotta
Rapporto di compressione
Il rapporto di compressione è il rapporto tra il volume
percorso dal pistone nel cilindro ed il volume della camera
di scoppio. Il rapporto può essere maggiorato abbassando la
testa e quindi diminuendo il volume della camera di scoppio
ovvero può essere diminuito alzando la testa con
l’inserimento di uno spessore.
Poiché il biogas ha un elevato numero di ottano è in grado
di essere utilizzato in cilindri con un rapporto di
compressione fino ad 10-11 con il relativo aumento di
rendimento termico.
Nel grafico seguente sono mostrate le variazioni di
rendimento termico in funzione della variazione dei rapporti
di compressione.
Sovralimentazione
La quantità di miscela che riesce ad essere aspirata nel
cilindro dipende dalla geometria dei condotti e dei cilindri
oltre che dalla velocità del pistone. Normalmente
l’efficienza volumetrica è compresa tra 0,7 e 0,9 ammesso
che la miscela si trovi a pressione atmosferica alla flangia
del carburatore. Se la depressione deve anche richiamare il
combustibile dall’accumulo l’efficienza può scendere
ulteriormente.
Nella fattispecie del motore a biogas, poiché il
carburatore/miscelatore è a valle di un accumulo in
sovrapressione, il combustibile si presenta al collettore di
entrata con una pressione positiva e quindi l’efficienza
volumetria è superiore ad uno verificandosi una sorta di
sovralimentazione.
Questa particolarità dovrebbe riassorbire gran parte del
derating del 10% evidenziato all’inizio anche se l’aumento
di pressione riscaldando il gas lo fa espandere consumando
una parte del beneficio.
Miscelazione
Nelle fasi di avviamento e riscaldamento il motore deve
essere alimentato a benzina con la possibilità, manuale, di
convertire l’alimentazione a biogas.
La miscela di aria e biogas viene introdotta attraverso il
condotto di aspirazione con un miscelatore completamente
automatico dove l’aria è richiamata dal passaggio del gas
attraverso un dispositivo Venturi registrabile.
La giusta quantità di aria, è stabilita dalla sonda lambda
che, dopo avere rilevato la percentuale di ossigeno nei
fumi, regola l’afflusso di aria per raggiungere il
prefissato rapporto stechiometrico. Nella figura seguente è
rappresentata uno schema del miscelatore
Regolazione di potenza
Per le ragioni esposte prima un motore alimentato a biogas
deve marciare a regime con un numero di giri controllato. E’
necessaria una regolazione di marcia che opera sulla valvola
della miscela riducendo o aumentando la quantità di miscela
per mantenere costante i giri del motore.
Emissioni
Operando con un eccesso d’aria la combustione è sicuramente
completa e quindi diminuisce la presenza di CO e di
eventuali idrocarburi incombusti ed avendosi una diminuzione
di temperatura si riduce anche la formazione di NOx.
Per evitare però un calo di efficienza termica si rimane
appena oltre il rapporto stechiometrico e quindi nei fumi
c’e’ una presenza misurabile di NOx e CO incombusto. Per
ridurre queste emissioni si può migliorare il moto
turbolento della miscela in modo che i due componenti siano
omogeneamente distribuiti, oppure installare una marmitta
catalitica trivalente.
Bilancio termico
Del potere calorifico introdotto solo una parte viene resa
disponibile all’albero come energia meccanica. La seguente
tabella mostra una distribuzione delle perdite:
| PERDITE | SOLO ENERGIA MECCANICA | COGENERAZIONE |
| Raffreddamento cilindri (acqua) | 15% | 12% |
| Raffreddamento stantuffi e lubrificante | 5% | 3% |
| Scarico | 30% | 25% |
| Resistenze passive (attriti) | 7% | 4% |
| Organi ausiliari (pompe e vari organi rotanti) | 8% | 6% |
| RENDIMENTI | ||
| Energia meccanica disponibile | 35% | 35% |
| Energia termica disponibile | 0% | 50% |
| Resa totale del sistema | 25% | 85% |
Risulta evidente che il recupero di calore da:
a) scarichi
b) raffreddamento
c) olio
fa incrementare drasticamente l’efficienza del sistema anche
con apparati di trasferimento del calore non sofisticati.
E’ possibile utilizzare anche un motore diesel, in
configurazione dual fuel, dove viene mantenuta
l’alimentazione a gasolio per meno del 5% in modo che si
possa accendere la miscela gas aria. In questo caso c’è un
consumo ridotto ma continuo di gasolio. Questa soluzione può
essere competitiva per utilizzare generatori commerciali di
piccola taglia.
L’aspetto più delicato dell’utilizzo dei motori è la
necessità di una manutenzione frequente e relativamente
dispendiosa.
Combustione diretta
La combustione diretta può avere tre applicazioni pratiche
a) nei bruciatori
b) nelle macchine ad assorbimento
c) nelle turbine a ciclo Brayton
Con i bruciatori si possono riscaldare ambienti, serre ed
essiccatoi sia con terminali ad acqua che ad aria.
Con le macchine ad assorbimento è possibile generare sia
caldo che freddo con un impiego che non è stagionale ma può
coprire tutto l’arco dell’anno.
La turbina a gas è una macchina cogeneratrice, che rispetto
al motore ha una manutenzione molto ridotta ma un rendimenti
elettrico, inferiore di circa il 10% rispetto ai motori
alternativi.