PROBLEMATICHE RELATIVE ALL’UTILIZZO DEL BIOGAS

Motori alternativi a ciclo Otto, turbine e microturbine a gas sono motori a combustione interna, ovvero i gas combusti partecipano direttamente al ciclo termodinamico. È pertanto necessario che il biogas e i gas combusti non siano chimicamente e fisicamente aggressivi nei confronti delle componenti del sistema, ovvero non comportino fenomeni di corrosione, erosione, sporcamento e intasamento.

Come noto il biogas è una miscela di composti di cui i principali sono metano (variabile tra 35% e 70%), anidride carbonica e con un numeroso gruppo di composti (descritti nel paragrafo Capitolo 0) che si trovano nei reflui digeriti e vengono trasportati dal biogas, il cui contributo complessivo non supera il 2%. Questi composti presenti in tracce entrano nella reazione di combustione del biogas producendo nuovi composti, come acidi e particolato, che hanno effetti dannosi sia per gli organi meccanici dei motori e dei sistemi di combustione, che per l’ambiente.

Si mostrano ora gli effetti nocivi di alcuni di questi composti su motori alternativi a ciclo Otto, turbine e microturbine a gas.

Composti solforati

I composti solforati sono corrosivi in presenza di umidità. Poiché il biogas da digestione anaerobica viene estratto in condizioni prossime alla saturazione, l’umidità relativa è molto elevata così come la possibilità che si formino ossidi di zolfo durante la combustione.

Gli ossidi di zolfo e l’acido solfidrico (H2S) combinandosi con il vapore acqueo formano acido solforoso (H2SO3) e solforico (H2SO4) che risultano aggressivi nei confronti delle

materie plastiche (le fasce elastiche dei pistoni) e metalliche (le camicie dei cilindri) per la formazione di condense acide. La situazione risulta aggravata dalle tecniche di ricircolazione dei gas combusti usate per la riduzione delle emissioni di NOx. Le

condense acide influiscono negativamente anche sulla composizione degli olii lubrificanti, che richiedono ricambio con più frequenza.

I processi di combustione provocano l’ossidazione del 99% del H2S, dunque allo scarico

dei motori la presenza di idrogeno solforato è pressoché nulla.

Composti alogenati

Le alte temperature raggiunte provocano la trasformazione dei composti alogenati in acido cloridrico (HCl) e fluoridrico (HF) che, in quanto acidi, in presenza di umidità sono particolarmente aggressivi nei confronti delle componenti dei motori.

Inoltre, nelle zone della combustione dove la temperatura è inferiore, c’è la possibilità di formazione di diossine (PCDD) e furani (PCDF), che portano a modifiche chimiche dell’olio lubrificante, con le stesse conseguenze viste nel caso dei composti solforati. Per evitare l’insorgere di condense acide si può ricorrere ad additivi alcalini per gli oli lubrificanti; tuttavia questa operazione genera il problema secondario di depositi di ceneri, in quanto questi additivi non devono essere combustibili e quindi producono residui solidi.

Ammoniaca

L’ammoniaca è tra i più presenti tra i componenti in traccia del biogas da digestione anaerobica. L’ossidazione dell’ ammoniaca ha come effetto dominante la formazione di protossido di azoto (N2O) che in condizioni umide conduce ad acido nitroso (HNO2).

Nei gas di scarico la presenza di ammoniaca non è rilevante in quanto essa ossida totalmente durante la combustione.

Silossani

I silossani si trovano in prodotti quali deodoranti e shampoo; essi sono composti tipici dei fanghi di depurazione delle acque e quindi del biogas da digestione anaerobica. I silossani fanno parte di una famiglia di composti chimici conosciuti come organosilicati e contengono silicio, carbonio, idrogeno, e ossigeno. Quando i silossani vengono combusti formano Biossido di Silicio (SiO2), composto principale della comune sabbia. Il

Biossido di Silicio si accumula all’interno del cilindro, sulle superfici calde dei pistoni, sulle valvole e nei condotti di aspirazione, causando sporcamento ed incrostazioni. Tali depositi silicei sono abrasivi nei confronti delle parti in movimento e possono addirittura accumularsi nell’olio lubrificante, con successivi problemi di lubrificazione. Qualora i depositi si facessero troppo spessi, l’unica soluzione consisterebbe nel rimuoverli con lo smontaggio del motore e la pulizia manuale.

I silossani, tendendo a trasformarsi completamente durante l’ossidazione del combustibile, non sono di solito rilevabili nei gas di scarico; è tuttavia possibile rivelarne i depositi e la conseguente usura delle parti meccaniche da una maggiore presenza di ossidi di zolfo nei gas di scarico: essi infatti sono causati dalla combustione di quantità maggiori di olio lubrificante fuoriuscito.

A scopo illustrativo si riportano i dati di tolleranza di alcuni costruttori relativamente ai sopracitati composti dannosi. I dati sono riferiti agli anni: 2000 (Jenbacher), 1999 (Deutz), 1997 (Caterpillar), 2000 (Waukesha).

Tabella 6 Tolleranza dei motori alternativi rispetto ai composti in tracce del biogas. Dati di alcune marche di costruttori

Composto Jenbacher Deutz Caterpillar Waukesha

Zolfo totale Con catalizzatore: <2000 mg HsS/Nm3 CH4 Senza catalizzatore: <1150 mg HsS/Nm3 CH4 <2200 mg HsS/Nm 3 CH4 <2140 mg HsS/Nm 3 CH4 <715 mg HsS/Nm 3 CH4 H2S - <15% vol. - - Ammoniaca <55 mg/Nm3 CH4 - <105 mg/Nm3 CH4 -

Fluoro totale Vedi Cloro+Fluoro <50 mg/Nm3 CH4 Vedi Cloro+Fluoro Vedi Cloro+Fluoro Cloro + Fluoro Con catalizzatore: 0 mg/Nm3 CH4 Senza catalizzatore: <100 mg/Nm3 CH4 <100 mg/Nm3 CH4 <713 mg/Nm3 CH4

(tutti gli alogeni espressi come Cl)

<300 mg/Nm3 CH4

(tutti gli alogeni espressi come Cl) Silicio Con catalizzatore: 0 mg/Nm3 CH4 Senza catalizzatore: <20 mg/Nm3 CH4 <10 mg/Nm3 CH4 <20 mg/Nm3 CH4 <50 mg/Nm3 CH4 (solo se presente camera di pre- combustione) Polveri <50 mg/Nm 3 CH4 (particelle <3 μm) <10 mg/Nm3 CH4 (particelle 3-10 μm) <30 mg/Nm3 CH4 (particelle <1 μm) 0 mg/Nm3 CH4 (particelle >0.3μm) Oli/Oli esausti <5 mg/Nm3 CH4 <400 mg/Nm3 CH4 <45 mg/Nm3 CH4 < 2% vol

Umidità relativa < 80% < 60-80% < 80% Zero H2O liquida

Turbine e microturbine a gas

I danneggiamenti subiti da turbine e microturbine possono considerarsi medesimi in quanto i due sistemi lavorano in analoghe condizioni operative. Il punto debole di questi sistemi sono tutti gli organi metallici in rapido movimento, in particolare le palette, suscettibili ad attacchi acidi e fenomeni di abrasione.

I principali elementi ritenuti dannosi sono:

Particolato solido

Costituito da residui carboniosi della combustione, da atomi di carbonio e da metalli, svolge il duplice ruolo di agente sporcante e di abrasivo nei confronti delle parti in rapido movimento. Il limite di tolleranza per le turbine è di 10 mg/Nm3 per le particelle con dimensione > 3 μm.

Vanadio

Il vanadio liquefa durante la combustione, per poi solidificarsi sulle palettature, provocando gravissimi fenomeni di corrosione. La percentuale tollerata nei

combustibili è di poche parti per milione.

Acido cloridrico

Esso si forma in sede di combustione a partire da sali di metalli alcalini. L’acido cloridrico (HCl) è fortemente corrosivo soprattutto per il cromo che ricopre le palettature.

Composti solforati

Come mostrato in precedenza, l’acido solfidrico (H2S) in presenza di umidità genera gli acidi solforoso e solforico, che possono portare a condense acide e sono quindi altamente aggressivi nei confronti dei materiali plastici e metallici.

Idrocarburi

Idrocarburi si trovano spesso adsorbiti su particolato solido, essi danno problemi di intasamento ai sistemi di adduzione del combustibile.

3.6 TECNOLOGIE DI TRATTAMENTO PER LA VALORIZZAZIONE