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Il biogas è un’energia rinnovabile derivante da materiale organico (ad esempio, residui vegetali e rifiuti di origine animale) che viene normalmente chiamata “biomassa”. Il biogas è diventato essenziale per l’approvvigionamento energetico attuale e futuro. Il biogas continua a sostituire e ridurre la dipendenza da combustibili fossili quali carbone, olio e gas naturale. Si prevede che il mercato del biogas continui a svilupparsi così come dimostrato qui di seguito:
La digestione anaerobica è il processo che si verifica quando i batteri decompongono materiale organico in assenza di ossigeno. Il gas generato dalla digestione di residui vegetali e rifiuti di origine animale è chiamato “biogas”. Il biogas è composto principalmente da metano e anidride carbonica. Nel gas sono presenti anche quantità ridotte di solfuro di idrogeno e ammoniaca, oltre a tracce di idrogeno, azoto e monossido di carbonio. Il biogas grezzo, non trattato, contiene anche particelle solide e particelle di sporco, e spesso è saturo di vapore acqueo.
Attualmente, la maggior parte dei processi di digestione produce biogas saturo di vapore acqueo in cui sono presenti, in quantità variabile, altre impurità. Tali impurità possono essere causa di corrosione, depositi e danni alle apparecchiature; pertanto, devono essere eliminate dal biogas prima che venga utilizzato per la produzione di energia.
I componenti gassosi che è necessario eliminare (o ridurre) sono, oltre al vapore acqueo, il solfuro di idrogeno, i composti alogeni (cloruri e fluoruri), l’ammoniaca, i silossani e i composti organici volatili (COV). Il biogas contiene anche particelle di sporco e polvere, che occorre rimuovere nel corso del processo di trattamento del biogas grezzo.
Il metodo più comune di utilizzo del biogas per la produzione di energia consiste nella combustione in un motore o in una turbina a gas, che genera una combinazione di calore ed energia elettrica (CHP). Per l’impiego come fonte combustibile efficiente, il biogas grezzo deve essere liberato dalla maggior parte delle impurità.
ottimizzando la generazione combinata di energia elettrica e termica, sfruttando al massimo l’energia rinnovabile disponibile, riducendo il consumo di energia e mantenendo bassi i costi operativi.
Generalmente, si ritiene che una riduzione del contenuto di acqua rappresenti un vantaggio per il sistema CHP; ad ogni modo, i metodi tradizionali (come ad esempio i separatori di condensa e le tubazioni interrate) non garantiscono bassi punti di rugiada, riducendo così il vantaggio che normalmente si ottiene dalla rimozione di acqua. Affinché le tubazioni interrate, da sole, siano sufficienti a garantire un raffreddamento efficace, occorre che siano molto lunghe: una soluzione spesso poco pratica, costosa e complessa in termini di riparazioni e manutenzione.
Per il raffreddamento del biogas, vengono spesso utilizzati anche refrigeratori analoghi a quelli per il condizionamento dell’aria; tuttavia, questi sistemi non sono concepiti per produrre acqua a bassa temperatura. Il risultato prodotto è un punto di rugiada del gas più elevato o un funzionamento ben al di fuori dei limiti di progetto, con conseguenti consumi di energia più elevati e durata inferiore.
Pertanto, è fondamentale utilizzare un sistema di raffreddamento (ad esempio, uno di quelli della gamma Parker BioEnergy) appositamente pensato per la creazione di bassi punti di rugiada e il funzionamento in condizioni ambientali particolarmente aggressive, quali sono quelle delle applicazioni con biogas.
Il biogas prodotto in digestori anaerobici e discariche contiene schiume, particelle solide in sospensione, grassi, particolato e altri contaminanti che devono essere rimossi dal gas per filtrazione prima di raggiungere eventuali apparecchiature o tubazioni a valle. La mancata rimozione di tali impurità può causare malfunzionamenti dei dispositivi e dei processi a valle.
I filtri Parker a bassa pressione per biogas sono progettati in modo tale da trattenere in modo efficace le particelle assicurando, al tempo stesso, una ridotta caduta di pressione, il tutto allo scopo di produrre biogas puliti e pronti all’uso riducendo al minimo i costi di manutenzione. I prefiltri aumentano la sicurezza del processo proteggendo i refrigeratori per multitubo dalla contaminazione di sporco e particelle. Utilizzati come postfiltri, sono in grado di rimuovere le particelle dal flusso del gas salvaguardando il motore a valle.
Lo scambiatore di calore Parker ad alta efficienza per multitubo, resistente al biogas, raffredda i gas caldi saturi di umidità per forzarne la condensazione. Questo prodotto Parker può essere usato in discariche, impianti di depurazione e impianti di produzione di biogas.
Separazione ad alta efficienza con differenziale di pressione ridotto. Il separatore d’acqua Parker BioEnergy rimuove l’acqua condensata dal biogas per fornire gas secco alle apparecchiature a vale (soffianti, tubazioni e motore CHP).
Il refrigeratore Parker Hyperchill BioEnergy garantisce prestazioni ad alta efficienza in ambienti particolarmente aggressivi quali discariche e impianti di depurazione. Il trattamento protettivo speciale del condensatore e delle tubazioni in rame assicura un’elevata affidabilità operativa.
Vi sono quattro grandi vantaggi nella deumidificazione del biogas. Aumenta il contenuto di energia del gas; impedisce la corrosione di tubazioni e componenti del sistema; rimuove o riduce, seppur in parte, la concentrazione di gas specifici; è conforme alle indicazioni provenienti dai principali fornitori di motori a gas.
Di solito, il contenuto di vapore acqueo del biogas grezzo è molto elevato (tra 30 e 100 g d’acqua per m3 di gas), poiché costituisce tra il 4 e l’8% del totale del gas, riducendone peraltro il potere calorifico. Essiccando il biogas fino a un punto di rugiada di 5oC, si riduce il contenuto di umidità fino all’1%, aumentando così il contenuto di metano del 5% circa. In tal modo, aumenta a sua volta il potere calorifico del gas.
Quando la temperatura ambiente si riduce, il gas si raffredda causando la condensazione del vapore acqueo nelle tubazioni. La condensa può combinarsi con l’anidride carbonica (CO2), il solfuro di idrogeno (H2S), etc. dando vita a un composto acido che accelera la corrosione di macchinari, gorgogliatori di lavaggio, tubazioni, serbatoi di accumulo, sensori e strumenti. Combinandosi tra loro, l’acqua e il solfuro di idrogeno generano acido solfidrico e/o idrogeno ionizzato; la combinazione di acqua e anidride carbonica, invece, produce acido carbonico. La condensa a contenuto acido che ne risulta è altamente corrosiva e provoca la rapida diminuzione di alcalinità dell’olio motore. Essiccando il gas a un basso punto di rugiada, il vapore acqueo non si condensa, evitando così che vengano prodotti questi acidi corrosivi.
Una deumidificazione efficiente consente non solo di rimuovere il vapore acqueo, ma anche di ridurre la concentrazione di componenti quali il solfuro di idrogeno, i silossani, l’ammoniaca e i composti alogeni, che tendono a dissolversi nell’acqua condensata. La rimozione parziale o completa di questi contaminanti migliora l’efficienza dell’intero impianto e riduce sensibilmente i costi di manutenzione e i tempi di fermo dell’impianto stesso.
A differenza di benzina e gasolio, i combustibili gassosi non devono, di solito, rispettare rigorosi standard di qualità. Per questa ragione, i produttori di motori di cogenerazione rilasciano indicazioni tecniche tese a garantire che il gas combustibile abbia una qualità sufficiente ad evitare conseguenze negative sulle prestazioni e la durata dei motori.
Per quanto concerne il contenuto di acqua, i principali produttori di motori sono tutti concordi nell’affermare che la condensa d’acqua nelle tubazioni del gas combustibile o nel motore NON è in alcun modo accettabile.
L’installazione di un sistema di raffreddamento che consenta di essiccare il gas a un basso punto di rugiada garantisce che il vapore acqueo eviti di condensarsi nelle tubazioni del gas, rispondendo in tal modo alle indicazioni tecniche provenienti dai principali produttori di motori a gas.
In anni recenti si è riscontrato un notevole aumento nell’utilizzo di prodotti contenenti silossani, una quantità sostanziale dei quali passa attraverso i prodotti di rifiuto sia negli impianti di depurazione che nelle discariche. I silossani sono composti organosilicei presenti in molti prodotti per la cura personale, tra i quali shampoo, deodoranti, saponi e creme. I silossani sono chimicamente stabili, passano attraverso gli impianti di trattamento delle acque reflue e sono inevitabilmente presenti in quasi tutti i biogas.
Poiché il gas prodotto da questi siti viene utilizzato per alimentare unità di trasformazione del biogas in energia, si verifica un notevole aumento negli effetti della contaminazione da silossani, sotto forma di accumuli di biossido di silicio (quarzo/sabbia) sulle superfici di combustione all’interno dei motori di generazione, laddove il processo non sia sottoposto a trattamento. Oltre a subire danni ai propri componenti, i motori coinvolti funzionano in modo inefficiente producendo un eccesso di emissioni, in particolare di monossido di carbonio e monossido di azoto (NOx). L’immagine seguente mostra un accumulo di silossani sulle valvole e sul cielo di un pistone di un motore CHP.
Il risultato è un aumento dei costi di esercizio, una diminuzione dell’energia prodotta e un incremento di sostanze inquinanti.
Sono diverse le tecnologie disponibili sul mercato che consentono di rimuovere i silossani dal biogas. Le più diffuse sono quelle dei sistemi basati sull’adsorbimento, che utilizzano setti rigeneranti o non rigeneranti.
Per concentrazioni inferiori di silossani, si usa spesso il carbone attivo come setto di adsorbimento. Il carbone attivo è in grado, infatti, di rimuovere i silossani fino a livelli molto bassi; tuttavia, questo metodo presenta costi operativi elevati a causa della necessità di sostituire con frequenza e smaltire i setti utilizzati, che costituiscono un pericolo.
Per concentrazioni di silossani da medie a elevate, il maggior investimento che implica un sistema di rigenerazione è spesso giustificato. I sistemi di rigenerazione sono in grado di ridurre i silossani fino a livelli bassi mediante setti di adsorbimento che durano molto di più rispetto ai sistemi al carbone. I sistemi di rimozione di silossani (SRS) di Parker assicurano una durata del setto pari a 5 anni, durante i quali le concentrazioni di silossani rimangono sempre al di sotto di 10 mg/m3.
