Impianti Biogas e Impianti Biomasse: produrre energia in modo economico e nel rispetto dell’ambiente

Un impianto di cogenerazione alimentato a biogas produce energia elettrica e termica a partire da materiali organici di natura vegetale, da reflui animali, da rifiuti organici (FORSU) e dalla depurazione delle acque.

Un impianto a biogas ha dunque un duplice vantaggio:

  • da un lato produce energia in maniera più efficiente della tradizionale produzione separata di energia e calore
  • dall’altro offre un modo per sfruttare economicamente materiali considerati “di scarto”

Cos’è il biogas e cosa si intende per biomasse

Il biogas è un gas naturale costituito principalmente da metano e anidride carbonica, risultato dalla fermentazione anaerobica di biomasse di varia origine.

Il DLgs 387/03, art. 2, comma 1, lettera a definisce le BIOMASSE come “la parte biodegradabile dei prodotti residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze animali e vegetali) e dalla silvicoltura e da industrie connesse, nonchè la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.

Le principali tipologie di biomassa utilizzabili per la produzione di energia sono:

  • legna ottenuta dalle operazioni di cura e potatura dei boschi
  • residui dell’attività agricola (paglia, potature)
  • residui delle attività agroindustriali (scarti di frutta e verdura, noccioli)
  • reflui industriali, reflui civili, deiezioni animali, frazione organica dei rifiuti solidi organici (FORSU)
impianto-biogas-forsu

Foto impianto biomassa Intergen

Cos’è la cogenerazione

La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e calore.

La produzione di energia elettrica, a partire da un motore “primo” (ad esempio un motore a scoppio) alimentato da una forma di combustibile, genera infatti sempre anche calore, che normalmente viene disperso nell’ambiente.
Con la cogenerazione questo calore viene recuperato e convertito a sua volta in energia: energia termica, per mezzo di scambiatori di calore.

Si aumenta quindi l’efficienza dell’impianto di produzione di energia e si ottiene un triplice risparmio:

  • energetico, poiché con la stessa quantità di combustibile si genera sia elettricità che calore
  • economico, grazie al minor uso di combustibile (a confronto con la produzione separata di calore ed energia elettrica)
  • ambientale (minori emissioni).

Maggiori dettagli sulla cogenerazione sono descritti in questo articolo. Se sei interessato alla trigenerazione (produzione combinata di energia elettrica, termica e frigorifera) leggi questo articolo.

Tipi di trattamento delle biomasse allo scopo di produrre energia

Immagine 3D biogas impianti

Dalle biomasse si può generare energia principalmente attraverso due procedimenti:

  • BIOCHIMICO, sfruttando la degradazione della sostanza organica da parte di enzimi, funghi e microorganismi che si formano nella biomassa in particolari condizioni. Si parla di
    • DIGESTIONE ANAEROBICA
    • DIGESTIONE AEROBICA
  • TERMOCHIMICO, attraverso cioè l’uso del calore, con procedimenti di
    • COMBUSTIONE
    • GASSIFICAZIONE
    • PIROLISI

Come funziona un impianto biogas

schema-impianto-biogas

Schema funzionamento impianti biomassa

Il funzionamento dettagliato di un impianto di cogenerazione a biogas varia naturalmente a seconda della sua tipologia. Le tipologie di impianti sono numerose e dipendono in primo luogo dal tipo di biomassa utilizzata.

In generale gli impianti a biogas utilizzano la digestione anaerobica per la produzione del biogas a partire dalle biomasse: grazie a enzimi e batteri specializzati, in un ambiente umido e privo di ossigeno (il DIGESTORE), la biomassa fermenta producendo biogas, costituito principalmente da metano e anidride carbonica.
Si parla di digestione A SECCO quando la biomassa ha un contenuto solido minimo del 30%.
Si definisce invece digestione A UMIDO se la biomassa ha un contenuto un contenuto solido del 10-15%.

Il processo cogenerazione a biogas è descritto di seguito.

Preparazione del materiale

La biomassa viene stoccata in vasche, serbatoi o silos, e viene pretrattata e sterilizzata per rimuovere agenti patogeni.

A seconda del tipo di biomassa utilizzata possono essere utilizzate diverse tipologie di pre-trattamento

  • MECCANICO, ovvero frantumazione della biomassa, in modo da impedire che possa danneggiare l’impianto e in modo da aumentare la superficie attaccabile da parte dei batteri
  • PRE-RISCALDAMENTO, come nel caso di biomasse grasse, che devono raggiungere un determinato grado di fluidità
  • TERMICO

Fermentazione o digestione anaerobica

Il materiale viene trasferito attraverso pompe e tubazioni apposite nei digestori, dove viene continuamente miscelato con miscelatori ad elica o idraulici.

I digestori non sono altro che vasche chiuse ermeticamente e riscaldate per favorire la gassificazione.

I gas si accumulano nella parte alta dei digestori, da dove poi verranno prelevati per la fase successiva.

Il gas prodotto in questo processo è composto per il 50-70% da metano e per il 30-50% da anidride carbonica.

Stoccaggio e trattamento del biogas per eliminare le impurità

Lo stoccaggio può avvenire nei digestori stessi o in un serbatoio esterno.

Per quanto riguarda il trattamento del biogas, i procedimenti adottati sono in genere:

  • FILTRAZIONE attraverso ghiaia e sabbia
  • DESOLFORAZIONE, per evitare che l’acido solfidrico presente corroda l’unità di cogenerazione.
  • RIMOZIONE della componente di CO2
  • RAFFREDDAMENTO e DEUMIDIFICAZIONE, necessaria per evitare che l’umidità danneggi il cogeneratore
  • ABBATTIMENTO EMISSIONI INQUINANTI – Nox, CO, COT

Cogenerazione

Una volta disponibile, il biogas viene convogliato nel cogeneratore, costituito da un motore endotermico (a combustione interna) che lo utilizza per la produzione di energia elettrica e calore.

Nell’impianto a biogas è presente anche un bruciatore di gas di emergenza permanente, che permetta in caso di necessità di evitare l’emissione diretta in atmosfera del biogas in eccesso.

L’energia elettrica generata può essere in parte ceduta alla rete elettrica di distribuzione e in parte utilizzata per l’alimentazione stessa dell’impianto.
L’energia termica allo stesso modo può essere usata in parte per riscaldare utenze e per processi industriali, e in parte per il digestore (in cui la biomassa deve essere tenuta ad una temperatura costante).

Trattamento e stoccaggio dei materiali residui della digestione anaerobica in apposite vasche

La gestione di un impianto di cogenerazione a biogas è complessa e delicata ed è per questo che all’impianto vero e proprio si accompagna sempre un sistema automatizzato di monitoraggio e controllo costituito da:

  • sensori di temperatura
  • indicatori di livello di biomassa nel digestore
  • contatori di energia elettrica prodotta e del gas
  • oltre a un sistema informatico per permetta di controllare efficienza dell’impianto.

I vantaggi di un impianto biogas

Un impianto di cogenerazione a biogas può generare numerosi vantaggi:

  • un vantaggio economico dovuto al risparmio caratteristico della produzione stessa di energia elettrica da biomasse, dato che consente di ridurre l’uso di combustibile fossile e permette di sfruttare economicamente un materiale normalmente non utilizzato o scarsamente remunerativo
  • una riduzione delle problematiche di stoccaggio e smaltimento dei rifiuti biologici
  • una riduzione dell’impatto ambientale sia della produzione di energia che della produzione dei rifiuti biologici

E’ però da considerare che si tratta di impianti ad elevata complessità che necessitano di un’accurata fase di analisi e progettazione che tenga conto di diverse esigenze, tra le quali:

  • massimizzare la resa economica
  • la quantità e la distanza di provenienza delle biomasse
  • minimizzare i costi di installazione e l’occupazione del suolo
  • garantire un’adeguata viabilità dei mezzi all’interno e all’esterno dell’impianto
  • garantire il rispetto delle normative sulla sicurezza e la tutela dei lavoratori
  • facilitare la manutenibilità
  • minimizzare l’impatto ambientale, visivo e le emissioni odorigene, considerando anche attività o abitazioni nelle vicinanze

Normativa di riferimento per gli impianti di cogenerazione a biogas

I principali riferimenti normativi del settore sono:

  • la Direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’energia da fonti rinnovabili
  • il Decreto legislativo 387 del 29 dicembre 2003, che semplifica le procedure di autorizzazione per gli impianti FER (energia da fonti rinnovabili).
  • il Decreto Ministeriale 10 Settembre 2010 che conferisce alle Regioni la potestà di individuare le aree idonee alla localizzazione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili conciliando le politiche di tutela dell’ambiente e del paesaggio con quelle di sviluppo e valorizzazione delle energie rinnovabili.
  • il Decreto legislativo 28 del 3 marzo 2011 definisce un nuovo sistema di incentivi per gli impianti da fonti rinnovabili, differenziato in base alla dimensione dell’impianto. Relativamente al biogas, il decreto prevede, tra le altre cose, che l’incentivo tenga conto della tracciabilità e della provenienza della materia prima e che sia finalizzato anche a promuovere l’uso efficiente di rifiuti e sottoprodotti.
  • Decreto Ministeriale 6 Luglio 2012, che definisce le modalità di incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti alimentati da fonti rinnovabili, a partire dal 2013, favorendo l’implementazione di determinate tipologie di impianti.

In base a quest’ultima normativa gli impianti a biogas vengono classificati in tre categorie, e a seconda della classe di appartenenza varia la regolamentazione sulle distanze da attività e centri abitati:

  • impianti di classe 1, gli impianti fino a 249 kW, che devono distare almeno 15 metri da confini, 50 metri da case sparse e 100 metri da nuclei abitati
  • impianti di classe 2, gli impianti di potenza tra 249 e 999, che devono essere dislocati ad almeno 20 metri da confini, 100 metri da case sparse e 200 metri da nuclei abitati
  • impianti di classe 3, gli impianti sopra 1.000 kW, che devono distare almeno 25 metri da confini, 150 metri da case sparse e 300 metri da nuclei abitati.

Incentivi

Gli impianti a biogas beneficiano degli incentivi previsti dal decreto DM 23 giugno 2016 per energie rinnovabili elettriche non fotovoltaiche, che stanzia 105 milioni per l’incentivazione degli impianti a biomasse e biogas di piccola, media e grande taglia.

Sono previsti due differenti meccanismi incentivanti:

  • una tariffa incentivante omnicomprensiva per gli impianti di potenza fino a 0,500 MW, calcolata sommando alla tariffa incentivante base gli eventuali premi a cui l’impianto ha diritto. Il corrispettivo erogato comprende anche la remunerazione dell’energia che viene ritirata dal GSE;
  • un incentivo per gli impianti di potenza superiore a 0,500 MW, calcolato come differenza tra la tariffa incentivante base – a cui vanno sommati eventuali premi a cui l’impianto ha diritto – e il prezzo zonale orario dell’energia. L’energia prodotta resta nella disponibilità del produttore.

Gli impianti di potenza fino a 0,500 MW possono optare per l’una o l’altra tipologia, con la facoltà di passare da un sistema all’altro non più di due volte nel corso dell’intero periodo di incentivazione.

Gli impianti di potenza superiore a 0,500 MW possono richiedere solo l’incentivo.

Gli incentivi vengono erogati, a partire dalla data di entrata in esercizio commerciale, per un periodo pari alla vita media utile convenzionale della specifica tipologia di impianto.