La digestione dei rifiuti urbani nelle discariche

Il biogas si forma spontaneamente nelle discariche. Le discariche di rifiuti urbani ne sono quindi grandi produttori, visto che normalmente il 30-40% del rifiuto è appunto materiale organico.

Il biogas viene quindi prodotto principalmente tramite la digestione anaerobica dei rifiuti prodotti dall’uomo; ad oggi ne vengono prodotti circa 1,5 kg al giorno pro capite⁴⁰.

La raccolta differenziata, divenuta obbligatoria, consente di recuperare le materie prime contenute nei rifiuti (vetro, plastica, metalli, carta), e di separarle dalla frazione organica.

Le discariche sono enormi fosse, rese impermeabili con teli di plastica in modo da evitare l’inquinamento delle falde acquifere, riempite di rifiuti urbani e ricoperte di terra. Il materiale organico fermenta grazie all’azione di microrganismi anaerobici producendo il biogas, il quale deve quindi poter essere opportunamente estratto per poterne utilizzare il potere calorifico ai fini della generazione di energia elettrica.

Un impianto di produzione di biogas da discarica prevede un sistema di pozzi che aspirano il gas situato in profondità verso la superficie della discarica; il gas viene poi filtrato per eliminare eventuali materiali solidi trascinati ed inviato a dei motori, in genere motori alternativi a combustione interna (come quelli delle autovetture); tali motori sono collegati ad un alternatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica e che, attraverso il trasformatore di tensione, immette l’energia in rete. In genere si tratta di impianti di piccola taglia (sempre inferiore a 5MW, quasi sempre compresa tra 500kW e 1 MW) i cui motogeneratori possono facilmente essere sostituiti con altri di minor potenza man mano che la produzione di biogas va scemando. Inoltre, dato che l’effettiva producibilità di una discarica è soggetta a sensibili variazioni nel breve periodo, è anche possibile utilizzare più moduli che lavorano in parallelo disinserendone o aggiungendone alcuni a seconda delle esigenze.

I costi di investimento sono relativamente ridotti: i macchinari utilizzati sono di concezione automobilistica e sono ormai prodotti in serie da costruttori specializzati; il collegamento elettrico per taglie piccole può essere realizzato sulla rete di bassa tensione, più facilmente accessibile. I tempi di realizzazione sono di qualche mese e la manutenzione può essere eseguita da meccanici con esperienza automobilistica.

L’ordine dell’investimento è di 800 ÷ 1.000 €/kW di potenza installata.

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87 7.4.2 La digestione dei reflui zootecnici

Un’altra fonte importante di biogas è costituita dalla digestione anaerobica dei reflui zootecnici in appositi reattori chiamati digestori. Questa è appunto la metodologia di produzione di biogas dell’impianto che verrà analizzato nei prossimi Capitoli.

Un impianto di questo tipo è generalmente costituito da due serbatoi di biomassa: nel primo sono presenti i reflui zootecnici (substrato), e nel secondo i residui agricoli (co-substrato).

Entrambi, tramite un sistema di pompaggio e di adduzione, vanno ad alimentare il digestore dove i batteri provvedono a trasformare la materia organica in biogas. Può esserci la presenza di un secondo reattore (chiamato post-digestore) in serie con il primo, che elabora una certa quantità di biomassa producendo ulteriore biogas. Questo viene poi convogliato in un motore alternativo a combustione interna per la produzione di energia elettrica (per usi locali o immessa in rete) e di calore utilizzabile in parte per riscaldare il reattore, in parte per uso locale. Uno schema semplificato del sistema è in Figura 7.4.2.1.

Figura 7.4.2.1 - Digestori posti in serie assicurano le migliori produzioni di biogas in impianti tipo super-flow.

Oltre all’assenza di ossigeno, le condizioni ideali per l’azione dei batteri all’interno del digestore sono le seguenti:

• elevato tasso di umidità, almeno del 50%;

• temperatura di 30÷40°C (tempo di digestione: 25÷40 giorni); • pH = 7,5, e rapporto C/N tra 20 e 40.;

• granulometria ridotta (che aumenta, a pari volume, la superficie attaccabile dai batteri).

Il biogas prodotto possiede tipicamente la seguente composizione volumetrica: • CH₄ = 50÷80%;

• CO₂ = 20÷50%; • N₂, H₂, NH₃, H₂S<1%.

L’H₂S (acido solfidrico) è corrosivo per il metalli per cui, affinché sia utilizzabile nel motore, il suo contenuto va drasticamente ridotto. A tal fine si addiziona una certa quantità d’aria (valutabile attorno al 2÷6% in volume) nella parte alta del digestore dove i batteri trasformano il 95% dell’acido presente in idrogeno e zolfo.

Università degli Studi di Padova – Dipartimento di Ingegneria Elettrica Marco Tarabotti

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Tabella 7.4.2.1 - Resa di biomassa da rifiuti animali. Biomassa Resa di biogas [m³/t] Resa media [m³/t]

Bovina 9÷51 25

Suina 7÷61 27

Avicola 24÷88 51

Fonte: A. Bartolazzi, Le energie rinnovabili, HOELPI, 2005, Cap. 6. p.203. All’interno di entrambi i serbatoi, un propulsore ad elica provvede a mescolare continuamente la biomassa presente, allo scopo di portare in superficie la biomassa del sottostrato altrimenti non metabolizzabile dai batteri. Il sistema di pompaggio è realizzato normalmente da pompe centrifughe, mentre le tubazioni devono essere di un certo diametro per evitare il bloccaggio a causa della scarsa fluidità del materiale. Per sistemi pressurizzati il diametro minimo è di 100 mm, mentre per quelli non pressurizzati è di 200mm.

Va sottolineato che l’unica tecnologia oggi consolidata del sistema di conversione del biogas prodotto dall’impianto per tale applicazione, è quella de motore a combustione interna, a ciclo Diesel o Otto. I motori Diesel possono attualmente essere distinti in:

• motori Diesel trasformati a gas tramite modifica di teste, pistoni, bronzine ed altro; • motori a gas “nativi”, progettati specificamente per funzionare a gas metano o biogas; • soluzioni dual-fuel, ovvero motori Diesel parzialmente alimentati a gas metano o biogas.

I motori dual-fuel, fanno si che sia possibile utilizzare una miscela dei due carburanti in modo tale da risolvere sia il problema di un’efficiente lubrificazione del motore, sia quello del basso potere calorifico del biogas (in quanto contiene il 20÷50 % di CO₂).

Un motore di questa tipologia viene avviato a gasolio, e poi viene gradualmente aggiunto biogas fino a ridurre il tenore di gasolio al 10÷20 % del volume. Lo svantaggio di tale soluzione è che le emissioni di CO sono 10 volte superiori rispetto a quelle che si avrebbero utilizzando solo biogas, soluzione possibile utilizzando motori appositamente progettati. Il rendimento globale di conversione del biogas nel motore è dell’80÷90 % con un rendimento elettrico di circa il 40% e termico del 40÷50 %.

Tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni, i motori a ciclo Otto funzionano a gas naturale o a biogas, mentre i motori a ciclo Diesel, bruciano soprattutto gasolio, biodiesel ed olio vegetale.

89 7.5 Le biomasse in Italia

Per fornire un’immagine della situazione del nostro Paese in maniera più specifica rispetto a quella vista nel Capitolo 3, si prende di seguito come riferimento un documento redatto dal GSE nel febbraio 2011⁴¹, con dati relativi fino all’anno 2009.

Il documento, a cura dell’Ufficio Statistiche, intende fornire un quadro dell’utilizzo delle biomasse, comprensive della parte biodegradabile dei rifiuti, nella produzione di energia elettrica.

Le biomasse sono state analizzate secondo la classificazione: biomasse solide, rifiuti biodegradabili, biogas e bioliquidi.