Digestione anaerobica e produzione di biogas

Che cos’è il biogas una delle fonti alternative più utilizzate per la produzione di energia rinnovabile; il risultato della digestione anaerobica di varie sostanze organiche ad opera di numerosi batteri; l'energia racchiusa nei legami chimici è poi rilasciata e immagazzinata principalmente in metano(CH4) il quale, assieme all'anidride carbonica (CO2) è il principale costituente del biogas; altre sostanze presenti in minor percentuale sono CO, N, H, H2S; possiede un alto potere calorifico e può essere convertito in elettricità e calore.

Il residuo della fermentazione è il digestato, un materiale liquido, completamente inodore e ad altissimo valore agronomico, con caratteristiche migliorative rispetto al materiale di partenza.  Il biogas è indicato dall'U.E. tra le fonti energetiche rinnovabili non fossili che possono garantire non solo autonomia energetica, ma anche la riduzione graduale dell'attuale stato di inquinamento dell'aria e quindi dell'effetto serra. 

Che cos’è il biometano un gas derivato dal biogas che ha subito un processo di upgrading (raffinazione e purificazione) portando la concentrazione di metano CH4 a superare il 98%.  al pari del gas naturale (metano fossile) il Biometano può: • contribuire alla riduzione emissione gas serra; • essere utilizzato come biocombustibile per veicoli a motore; • immesso nella rete di distribuzione nazionale; • trasportato e stoccato per la successiva produzione di energia anche in luoghi molto distanti dal sito produttivo.

I plus del Biometano: • fonte rinnovabile programmabile; • riduzione della dipendenza dalle importazioni; • sviluppo dell’economia locale; • sostenibilità ambientale; • un circuito chiuso; • massima flessibilità. 

Il biometano è un ulteriore opportunità di sviluppo per tutti i produttori di biogas, con un alto grado di efficienza. Potenziale relativo alla produzione di biometano: sarebbe possibile arrivare a coprire nel medio termine il 10% del consumo nazionale di gas, attraverso la produzione di 7-8 miliardi di metri cubi all’anno di biometano agricolo. Considerato che  l’Italia importa 70 miliardi di metri cubi di gas naturale l’anno il biometano è fondamentale per ridurre la dipendenza energetica italiana.

Come funziona un impianto? All'interno di un apposito contenitore, il fermentatore, vengono convogliate varie sostanze naturali. Letame Liquame Pollina Siero lattiero-caseario Scarti vegetali Sottoprodotti agricoli Colture quali silo mais, frumento, sorgo, granella, in combinazione con liquami e letami, sono ottime materie prime. Inoltre possono essere utilizzati anche scarti dell'industria agroalimentare.

Nel fermentatore, in assenza di ossigeno e a temperatura controllata, un grande numero di batteri degrada la sostanza organica. Il risultato di questa degradazione è triplice:  biogas, calore e digestato (fertilizzante liquido naturale) Il biogas viene convertito in energia elettrica grazie a un cogeneratore e ceduto alla rete nazionale. Una parte è convertita in ulteriore calore. Il calore, oltre che per il processo di fermentazione stesso, è utilizzato per il riscaldamento di alcuni locali dell'azienda, come stalle e uffici (o addirittura per un processo industriale). Il digestato viene utilizzato come fertilizzante naturale nelle coltivazioni aziendali, la cui qualità è di gran lunga superiore al letame

Il biogas fa dell’azienda agricola un cerchio veramente perfetto Da sempre agricoltura e allevamento hanno utilizzato i sottoprodotti agricoli integrandoli nel ciclo produttivo, prevalentemente sotto forma di concime, ma non solo. Purtroppo tale integrazione non è mai stata pienamente efficiente, fino a diventare un costo anziché un valore.

Analisi del processo

Fasi del processo

Parametri di stabilità del processo: Temperatura batteri psicrofili (10-25°C) batteri mesofili (20-40°C) batteri termofili (45-55°C) I processi mesofili e termofili sono i più efficienti L’intervallo di temperatura ottimale è di pochi gradi, basta poco per rallentare o bloccare il processo, è importante il sistema di riscaldamento e di isolamento del digestore

Acidi grassi volatili (AGV) Acidi grassi volatili (AGV). Acidi organici prodotti nel corso della degradazione della sostanza organica. La concentrazione di AGV è espressa come concentrazione di acido acetico nel volume di materiale (mg/L), dipende dalla quantità e qualità del materiale caricato nel digestore e dall’equilibrio tra batteri acidogeni e batteri metanigeni. Come parametro di stabilità non viene assunta la concentrazione assoluta ma le variazioni di concentrazione: incrementi repentini di concentrazione indicano che il processo volge verso la fase acidogenica piuttosto che metanogenica. In generale un incremento degli AGV è conseguente all’aumento del carico organico da trattare.

Alcalinità. La capacità del sistema di accettare protoni ed è espressa come concentrazione di carbonato di calcio. E’ determinata dalla coesistenza di ammoniaca, originata dalla degradazione proteica, e bicarbonato, derivato dalla dissoluzione dell’anidride carbonica (CO2) nel mezzo, che formano un sistema in grado di tamponare l’abbassamento del pH dovuto dall’accumulo degli acidi grassi volatili.

Concentrazione di ammoniaca Concentrazione di ammoniaca. L’ammoniaca è prodotta durante la degradazione delle proteine. Un’alta concentrazione può inibire i batteri acidogeni e metanigeni. Intervalli di concentrazione: • 200-1.500 mg/L: mai tossica; • 1.500-3.000 mg/L: inibente se il pH è sotto 7,4; • 3.000 mg/L: sempre inibente. La presenza di ammoniaca è importante per tamponare il sistema dentro al digestore e compensare l’accumulo di acidi grassi volatili mantenendo un pH stabile.

pH Il valore dipende dai parametri visti in precedenza: concentrazione di acidi grassi volatili, ammoniaca, alcalinità. In un digestore in fase stabile il valore di pH dovrebbe aggirarsi intorno a 6,5-8. Cadute del valore di pH sotto 6,5 indicano un accumulo di acidi grassi volatili (spesso a causa della sovralimentazione del digestore).

Caratteristiche chimiche delle biomasse Il contenuto di sostanza secca indica quanto è concentrato il materiale introdotto nel digestore. Per i sistemi Cstr (digestori completamente miscelati) il contenuto di sostanza secca all’interno del digestore deve essere inferiore al 10% Il contenuto di solidi volatili indica la quantità di sostanza organica contenuta nella biomassa e potenzialmente trasformabile in biogas. colture energetiche + del 90% della sostanza secca totale, materiali predigeriti (liquami zootecnici maturati e i fanghi di depurazione) 60 - 70%. Il carbonio rappresenta una parte di tutta la sostanza organica presente (approssimativamente il 50%).

Il contenuto di N in particolare il rapporto ottimale tra carbonio e azoto per la digestione anaerobica è indicato < 30. Un C/N > 30 rallenta il tasso di crescita microbica e tutte le reazioni di trasformazione del substrato in biogas. La richiesta di P e K è più limitata rispetto a quella di azoto, il range ottimale C/P (carbonio/fosforo) è indicato tra 120 e 150. Il rapporto C/K invece è indicato tra 45 e 100

Tempo di ritenzione idraulico HTR Hydraulic Retention Time E’ il tempo in giorni di permanenza del substrato all’interno del digestore Dipende dalla miscela organica in digestione e dalla temperatura Aumenta in modo direttamente proporzionale alla quantità di sostanza secca

Tecniche di digestione in base alla sostanza secca Digestione a umido (wet) sostanza secca inferiore al 10% Digestione a secco (dry) sostanza secca superiore al 20% Digestione a semisecco (emi-dry) sostanza secca introno al 12-18%