Nuova procedura di calcolo e verifica della potenza elettrica di impianti di biogas

Nel presente articolo la descrizione di una nuova metodologia per la progettazione di impianti biogas collegando la potenza elettrica dell’impianto, direttamente con il digestato prodotto e con i terreni realmente a disposizione per il suo spandimento.

Si è considerato un impianto di biogas di potenza elettrica pari a 100 kW, alimentato con matrice di origine zootecnica (IMPIANTO A). Le variabili di dimensionamento (produzione di energia; matrice biologica prodotta nell’azienda e utilizzata nel digestore; digestato prodotto dall’impianto e utilizzato in azienda, ecc.) sono state analizzate con un foglio di calcolo costruito ad hoc.

Contrariamente alla prassi comunemente utilizzata nella progettazione di questi impianti, è stata correlata la potenza elettrica (P*) dell’impianto, direttamente con il digestato prodotto e con i terreni realmente a disposizione per il suo spandimento, tramite una formulazione matematica originale.

Sono stati valutati in seguito altri impianti di biogas. Gli impianti risultati incongrui si ripercuotono verosimilmente sull’ambiente per inquinamento della falda acquifera, per eccessivo carico di N, per produzione di CO₂, per CH4 per metonogenesi spontanea dei liquami in attesa di essere digeriti, per incongruenza tra gestione agronomica e impiantistica dell’impianto. Il digestato prodotto era e rimane un problema soprattutto in termini di smaltimento. E che per taglie di potenza intorno a 100 kW l’impianto è gestibile anche se la matrice di ingresso è costituita da solo liquame zootecnico (considerata come la più problematica da gestire).

Impianti di biogas e calcolo della produzione di energia

L’energia prodotta da un impianto a biogas è proporzionale alla dimensione del digestore. Più è grande, più contiene matrice e più metano si produce, secondo l’equazione:

P_impianto = M_digestore* f_biomassa * f_%CH4 * f_CH4 [1]

Dove M la quantità di matrice di carico nel volume V del digestore e f sono fattori di conversione: fbiomassa = quantità di biogas prodotto dalla matrice M; f%CH4  = percentuale di CH4 nel biogas prodotto; fCH4 = fattore di conversione in kWe della quantità di CH4 prodotto dall’impianto. Altre variabili di progettazione sono la temperatura del digestore, il pH, la qualità e quantità della digestione anaerobica del materiale (liquami, residui vegetali, rifiuti urbani) a carico di determinati batteri che si succedono in sequenza nell’azione digestiva. In letteratura si trovano facilmente tabelle di dettaglio che correlano la composizione della matrice ai fattori di conversione di cui si accennava sopra.

Digestato e normativa sullo spandimento

Molte aziende agrozootecniche, piccole medie e grandi, si sono dotate di impianto di biogas soprattutto perché rappresenta una valida soluzione all’annosa faccenda dell’utilizzo del liquame tal quale prodotto dagli allevamenti. Il prodotto del digestore (il digestato) è infatti utilizzato come ottimo concime organico.

La Normativa sugli impianti di produzione di biogas, li considera ecosostenibili perché la CO2 prodotta è in effetti neutra (non di origine fossile), perché riduce la quantità di alcuni gas ad effetto termico (serra) come CH4 e NH2, perché produce elettricità in cogenerazione, perché smaltisce il prodotto della digestione (digestato) in modo sostenibile (con carico di N minore del liquame refluo tal quale).

Per quanto riguarda il digestato, la Normativa sullo spandimento dei reflui, impone una limitazione alla quantità di liquame spandibile data dal titolo di azoto di origine zootecnica presente in esso. Addirittura nei terreni ricadenti in zone dette vulnerabili ai nitrati (ZVN) la quantità spandibile è la metà di quella che può essere distribuita in zone non ZVN: rispettivamente 170 kg/Ha e 340 kg/Ha. Il digestato prodotto da un impianto rappresenta un vero e proprio problema che coinvolge direttamente la potenza dell’impianto, ovvero la quantità di matrice impiegata per alimentare il digestore.

Gestione agronomica dell’impianto di biogas

Infatti non sempre la produzione del digestato è conforme con la gestione agronomica dell’azienda e ciò si ripercuote anche sulla sostenibilità ecologica dello stesso. Infatti, generalmente, gli impianti non prevedono vasche di stoccaggio dei reflui coperte e nemmeno di quella del digestato liquido. Se lo fossero, il solo sistema di copertura delle vasche comporterebbe la cattura di parte di metano che è ancora in produzione nel digestato liquido e soprattutto nel refluo.

Appare evidente che la produzione di energia da questo tipo di impianti è stata alterata dall’incentivazione della stessa. Diversi studi hanno evidenziato come la mera costruzione di impianti di biogas per la sola produzione di energia da carichi al digestore di materiali diversi e non propriamente aziendali, ha alterato la loro razionalità tecnica e la valutazione reale del loro impatto ambientale.

L’emissione di CO₂, la possibilità di inquinamento idrico delle falde acquifere nei terreni, l’emissione spontanea di CH4 dalle aree di stoccaggio dei liquami, la garanzia di una stretta relazione tra tempistiche agronomiche e impiantistiche, sono tutti fattori che influenzano direttamente l’impatto ambientale di un impianto di biogas.

Calcolo della quantità di digestato distribuibile e potenza dell’impianto

L’impianto di biogas preso come studio è installato presso una nota azienda agrozootecnica ricadente nella zona di lavoro professionale dell’Autore, Calabria Citra, provincia di Cosenza, denominato IMPIANTO A.

Di questo impianto sono state identificate molte variabili progettuali, riportate in un form (IVG) costruito appositamente per schedulare i dati di input e poterli utilizzare facilmente per l’analisi di dimensionamento secondo le Normative vigenti in merito alla produzione di energia e parametri di ecosostenibilità. Successivamente alcuni di questi dati, quelli riguardanti la gestione agronomica dell’impianto, sono elaborati da un foglio di calcolo a parte (DIGICALC) che infine restituisce la quantità di digestato distribuibile (in base ai valori inseriti delle variabili interessate). Questa quantità è stata messa in relazione alla potenza dell’impianto.

Generalmente la progettazione può seguire due strade: o tenendo in considerazione la quantità di biomassa a disposizione nell’azienda e determinando il volume del digestore, o considerare il volume del digestore e considerare in seguito la giusta quantità di matrice per riempirlo (Fig.1). In entrambi i casi, come prodotti secondari della progettazione, vengono considerati il digestato prodotto e la quantità dei terreni disponibili per produzione biomasse e spandimento.

Figura 1

Calcolo della potenza P* dell’impianto

I dati inseriti come elementi di valutazione nel foglio IVG e il dato finale elaborato nel foglio DIGICALC contribuiscono ad elaborare un indice numerico che è stato chiamato INDICE DI VALUTAZIONE GLOBALE (IVG) dell’impianto di biogas esaminato. Infine questo indice concorre alla determinazione della CONGRUITA’: sia della produzione del digestato e dei terreni aziendali disponibili sui quali spandere in base alla coltura praticata e sia di quella sostenibile. La NON CONGRUITA’ dell’impianto è successivamente stata risolta con l’applicazione di un’algoritmo matematico che permette di determinare la corretta quantità di matrice di ingresso e quindi direttamente la giusta potenza che l’impianto deve avere affinché il digestato prodotto sia correttamente smaltito sui terreni di proprietà aziendale (Fig.2)

Figura 2

Lo studio prende in considerazione la possibilità di ribaltare il concetto di progettazione, partendo dalla produzione di digestato occorrente alla congruità della gestione agronomica dei terreni. 

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