ENERGIE ALTERNATIVE

Pulire il biogas

Per alimentare i potenti motori a ciclo Otto che azionano i generatori di energia elettrica, il biogas proveniente dai digestori anaerobici deve essere purificato.

di Jacopo Bacenetti, Marco Negri

Oltre al metano (che è la componente “utile”), il biogas contiene anidride carbonica, acqua sotto forma di vapore e piccole quantità di altri gas, potenzialmente nocivi se bruciati nei motori a combustione interna. In particolare, nel biogas da sfruttare per la cogenerazione di energia elettrica e termica il contenuto in vapore, acido solfidrico (H2S) e xiloxani deve essere necessariamente abbattuto, a causa della loro spiccata azione corrosiva, tale da ridurre la vita utile del motore endotermico, che in questi casi viene tipicamente stimata in 80000 h. Diversamente, si andrebbe incontro ad un aumento dei costi di manutenzione e dannosi “fermi motore”: basti pensare che, per impianti da 1 MW a cui è riconosciuta la tariffa omnicomprensiva, il blocco dell’operatività comporta un mancato ricavo di circa 280 euro/h! La scelta e il dimensionamento dei dispositivi per il trattamento del biogas dipendono dalla quantità da trattare, ma soprattutto dalle caratteristiche del combustibile tal quale, che sono sostanzialmente legate alla biomassa di partenza.

La portata di biogas

La quantità di biogas prodotta dipende dall’attività biologica dei microrganismi e varia in funzione del tipo di biomassa introdotta, ma soprattutto dalle condizioni di processo. Tenendo conto che l’accumulo del gas nelle cupole gasometriche poste sopra i digestori (o nel gasometro) è in grado di garantire il funzionamento del generatore per 4-8 ore, l’alimentazione deve mirare a una produzione di biogas praticamente costante, e quantitativamente simile a quella consumata dal motore. A differenza di quanto avviene nella fase di fermentazione anaerobica, dove la produttività può variare considerevolmente, il cosiddetto “consumo di targa” di biogas da parte del generatore è pressoché costante nel tempo, essendo proporzionale al potere calorifico del combustibile e al rendimento elettrico dell’impianto. Assicurare quindi portate il più possibile costanti è uno dei principali obiettivi da perseguire in fase di produzione, poiché questo di fatto è il presupposto principale per massimizzare la produzione di energia elettrica. In realtà, se la produzione di biogas è superiore al consumo di targa alla saturazione del volume stoccabile nell’accumulo (cupola o gasometro) il biogas deve essere forzatamente bruciato in torcia, e quindi viene perso. Allora, si può puntare alla generazione di quantità leggermente inferiori, ma in tal caso il motore non opererà a piena potenza, producendo meno elettricità e soprattutto con un rendimento inferiore a quello nominale. Se invece il biogas prodotto è notevolmente inferiore a quello necessario, conviene spegnere il motore e inviare il prodotto all’accumulo, che in ogni caso ha lo scopo di mediare i picchi di produzione e ridurre quindi i cosiddetti “periodi di torcia”, così come il funzionamento a carico ridotto del generatore.

La deumidificazione

Il biogas si produce solitamente a temperature >40°C, con un contenuto di vapore d’acqua tra 35 e 100 g/m³N, in relazione al punto di saturazione. A causa delle elevate pressioni di iniezione all’interno della camera di combustione, questo vapore condenserebbe, favorendo rapide corrosioni. Un’efficace deumidificazione migliora anche il potere calorifico del biogas e la sua combustione; peraltro, il raffreddamento del biogas ad un livello inferiore alla temperatura di condensazione del vapore comporta anche un’efficace eliminazione dell’H2S. Spingere la deumidificazione fin quasi a0°Cpurifica il biogas efficacemente, in modo da non inquinare l’olio di lubrificazione; tuttavia, nella prassi è sufficiente arrivare a5°C, in modo  da ridurre il contenuto di umidità fino a 5 g/m³N. In pratica, il deumidificatore è uno scambiatore di calore  seguito da un circuito frigorifero nel quale il fluido di raffreddamento scorre grazie ad una pompa dedicata. È ovviamente sempre presente un dispositivo di scarico della condensa. Completano l’apparato la necessaria alimentazione elettrica e una linea di allontanamento della condensa.

La desolforazione

La maggior parte dei costruttori di motori raccomanda un’alimentazione di biogas avente una concentrazione di H2S inferiore a 90 ppm; infatti anche quantità limitate di idrogeno solforato possono provocare la veloce corrosione delle parti metalliche interne del motore, un rapido degrado dell’olio di lubrificazione e al limite l’incollaggio degli anelli di tenuta dei pistoni. Inoltre, durante la combustione l’H2S presente può produrre delle dannose emissioni di anidride solforosa. Poiché il biogas ”grezzo” contiene generalmente tra 150 e 3000 ppm di idrogeno solforato, è necessaria un’importante azione di depurazione, che viene effettuata con processi a umido o a secco. Nel primo caso, si adotta la cosiddetta torre di lavaggio (lo scrubber, vedi box), installata prima della deumidificazione, che agisce grazie ad opportuni reagenti chimici e a un solvente liquido, miscelati in un fluido gassoso. Ma il metodo più semplice per eliminare l’H2S è il lavaggio con acqua, proprio sfruttando la sua elevata solubilità in tali condizioni; se si aggiunge però NaOH in soluzione, la depurazione è ancora più efficiente. Pur con il vantaggio della semplicità, il costo dei reattivi e del trattamento dell’acqua di lavaggio riduce la convenienza del trattamento a umido. Viceversa, la desolforazione a secco consiste nel far transitare il biogas attraverso una sostanza adsorbente, ad esempio a base di ossidi di ferro o di carbone attivo. Un’ulteriore possibilità prevede l’impiego di un biofiltro, cioè un substrato nel quale risiede il Tiobacillus, un batterio in grado di rimuovere l’H2S; in questo caso l’efficienza di depurazione dipende da porosità, temperatura, pH, umidità e dalla concentrazione di H2S nella fase gassosa. Per favorire l’attività di questi microrganismi è necessario pompare, seppur in modeste quantità, dell’aria (cioè ossigeno) nell’impianto; essendo la digestione di tipo anaerobico (che avviene quindi in assenza di ossigeno) ciò riduce la produzione di metano e ne comporta un parziale consumo da parte dei batteri che lo sfruttano come fonte di carbonio.

 

Le caratteristiche di alcuni modelli di deumidificatori sul mercato.

 

Il principale parametro del deumidificatore per un suo corretto dimensionamento è la portata, che non deve essere inferiore al consumo di targa del motore endotermico. Indicativamente, si possono considerare valori a partire da 100-110 m³/h per CHP da 100 kW fino a 470-500 m³/h se la potenza aumenta a 1 MW. Altri parametri importanti di dimensionamento sono la potenza elettrica impegnata, l’ingombro e la massa del dispositivo, e il salto termico che è in grado di assicurare. La condensazione genera quantità d’acqua non trascurabili, per le quali è necessario prevedere un accumulo o un impiego successivo (ad esempio come matrice diluente all’interno del digestore): si parte da circa 5 l/h per flussi di biogas di 100 m³/h e salti termici di30°C, fino a 40 l/h circa per produzioni di 750 m³/h e una differenza di temperatura tra entrata e uscita di 37°C.

 

Lo scopo principale della torre di lavaggio è rendere possibile un intimo contatto tra il biogas ed il liquido di lavaggio. La Ecoplants di Parma costruisce a questo scopo un impianto che prevede più reattori in serie preassemblati, collocati sopra un serbatoio di base che contiene il liquido di lavaggio. Nel dettaglio, il primo reattore (denominato “jet Venturi”) crea la miscela tra le due fasi con un rapporto tra liquido di lavaggio/biogas molto elevato, in modo da permettere l’efficace adsorbimento delle piccole quantità di H2S presenti nel gas. Il liquido di lavaggio è ricircolato tramite un’elettropompa e viene immesso nel serbatoio ad alta velocità per favorire una miscelazione spinta. In virtù della sua superiore massa volumica, il liquido si deposita alla base del contenitore, mentre il biogas perviene ad una secondo reattore, dove in lenta risalita viene a contatto con una soluzione alcalina; la sua bassa velocità di movimento permette elevati tempi di contatto. Infine, il prodotto attraversa un ulteriore reattore dotato di separatore di gocce (demister) che previene la perdita di parte del liquido di lavaggio. Il funzionamento dell’intero impianto è continuo, con un costante rinnovo del liquido di lavaggio. I diversi modelli prodotti da Ecoplants possono trattare portate di biogas da 30 a 2200 m³/h. Ad esempio, il modello DU5, adatto fino a 500 m³/h, consuma 1000 l/h di acqua, mentre le pompe di cui è dotato richiedono 2,4 kW di potenza.

 

 

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