Utilizzi Energetico alternativi del Biogas

Con il D.Lgs. n°36 del 2003 l’Italia ha recepito la Direttiva Europea 199/31/EC dell’aprile 1999. Tale normativa prevede l’obbligo di catturare il gas di discarica e di minimizzare le emissioni in atmosfera, riutilizzandolo ove possibili con scopi energetici. Questo è stato un ulteriore incentivo alla costruzione o messa in opera di impianti per la captazione e combustione con conseguenti progressi nel campo delle tecnologie di utilizzo del biogas.

4.24.1 Utilizzi a fini energetici del biogas e del gas da discarica

Il biogas e il gas ottenuto dalle discariche hanno una percentuale di metano che oscilla tra il 35 e il 75%, combinato nella maggior parte, con anidride carbonica azoto e ossigeno. Biogas e gas naturale possiedono caratteristiche di combustione simili e questo facilita molto il processo tecnico.

Tre sono i sistemi energetici che sfruttano nel miglior modo possibile il potenziale del biogas: 1. Motori volumetrici a combustione interna

2. Turbine a gas 3. Microturbine a gas.

Queste modalità bruciano biogas internamente o esternamente al ciclo termodinamico ma, il processo che rilascia calore al ciclo e l’ossidazione del combustibile.

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4.24.2 Problematiche relative

Nel gas da discarica posso trovarsi diversi composti (solforati, alogenati, ammoniaca, silicio e silossani, idrocarburi leggeri e policiclici, composti volatili, metalli ecc.) che hanno una differente influenza sulle parti meccaniche dei motori e dei sistemi di combustione. Inoltre tutti gli elementi sopra citati subiscono trasformazioni nel processo di combustione e quindi possono dar origine a prodotti aggressivi sia per le strutture che per l’ambiente.

4.24.3 Danneggiamenti dovuti alla presenza di contaminanti in motori a combustione interna:

I composti solforati

In presenza di umidità i composti solforati risultano corrosivi. Quindi se consideriamo il fatto che biogas da digestione anaerobica e gas da discarica quando estratti si trovano in condizione di saturazione, l’umidità relativa è molto elevata e con essa anche la possibilità che si formino ossidi di zolfo durante la digestione. L’ossido di zolfo, con il vapore acqueo, produce acido solforoso e solforico, deleteri per le fasce elastiche dei pistoni e le camicie dei cilindri.

Composti alogenati

Combinati con acido cloridrico e fluoridrico, i composti alogenati ad alte temperature ed in presenza di umidità, possono formare sostanze altamente corrosive per i componenti dei motori, nonché causare modificazioni chimiche all’olio lubrificante. Il problema può, anche se non del tutto, arginato con la presenza di punti freddi in cui agli acidi è permesso condensare e prevedere l’uso di additivi chimici per gli oli lubrificanti che ne neutralizzino l’acidità indotta.

Ammoniaca

L’ammoniaca è fortemente presente soprattutto nel biogas da digestione anaerobica. La sua ossidazione produce protossido di azoto che con l’umidità forma acido nitroso.

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Composti del silicio e silos sani

E’ pressoché impossibile evitare la formazione di silicio nel gas da discarica a causa della presenza di numerosi prodotti come quelli cosmetici. I composti di silicio formano depositi solidi abrasivi e a lungo andare provocano usura.

I silossani sono composti del silicio presenti nei fanghi di digestione anaerobica e nei fanghi degli impianti di depurazione delle acque. Contengono legami Si-O con radicali organici. Questi, come in genere i composti del silicio, non sono rilevabili nei gas di scarico poiché hanno la tendenza a trasformarsi tutti nel processo di combustione.

Particolato di sodio

Il particolato è presente nel suolo quindi nelle discariche e quindi nel gas da discarica. La sua rimozione è possibile con avanzate tecnologie di cattura selettiva.

4.24.4 Tecnologie di trattamento per l’uso del biogas nei sistemi di conversione dell’energia

Due sono i sistemi per la rimozione dei composti indesiderati: sistemi primari e secondari.

Sistemi primari

Dedicati alla rimozione meccanica della fase liquida in modo inerziale e della fase solida attraverso cicloni e filtri a maniche. Per eliminare l’umidità residua si raffreddare il gas oppure, utilizzare sostanze adsorbenti come Sali minerali o l’assorbimento chimico con glicole trietilenico.

Sistemi secondari

Sono trattamenti chimico fisici per la rimozione selettiva dei composti indesiderati. Devono essere realizzati in cascata in quanto ognuno di essi può rimuovere uno solo o una classe di composti.

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4.24.5 Rimozione degli inquinanti dai gas combusti

A seguito di combustione, la quasi totalità dei composti non si presentano più nella forma originaria ma, sono altre sostanze soggette a normativa e per tanto si rendono necessari degli interventi alla riduzione delle emissioni di queste sostanze dai gas combusti. In particolare bisogna tenere controllati gli ossidi di azoto e di zolfo, che possono venire ridotti con diverse modalità di riduzione.

Due sono i motivi per i quali si possono avere ossidi di azoto nei gas di scarico: • Ossidazione dell’N in aria ad alta temperatura

• Ossidazione dell’N in alcune sostanze indesiderate come NH^3.

Per rimuove tali composti si può ricorrere alla combustione magra o iniezione di acqua o di vapore con il combustibile, arricchimento di ossigeno del carburante, la ricircolazione dei gas di scarico, aggiunta di additivi chimici nel flusso di aria principale.

Figura 4.7: Trattamenti di pulizia del biogas prima e dopo la combustione (fonte: R. Vismara, R. Canziani, F. Malpei, S. Piccinini, 2011)

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4.24.6 Manutenzione

Variazioni qualitative, usura dei cilindri, degradamento e corrosione delle tubazioni e delle parti meccaniche sono solo alcuni dei problemi ai quali un impianto può andare incontro. Pertanto la manutenzione risulta di estrema importanze se si vuole raggiungere l’obiettivo prefissato.

La manutenzione può essere classificata come segue: • Manutenzione preventiva;

• Revisione completa; • Revisione intermedia; • Revisione globale.

Nel caso di motori a combustione interna la manutenzione deve essere estremamente precisa. Gli interventi di sistemazione saranno minori quanto migliore è la qualità del gas combustibile prodotto. Maggiore è il numero e la tipologia di trattamenti pre- e post- combustione maggiori saranno il costo di impianto e il costo dei solventi e sostanze impiegate. Il bilancio finale pende comunque sempre dal lato di un cospicuo numero di interventi di manutenzione piuttosto che il raggiungimento di una qualità maggiore di biogas. Se fino a questo momento i motori a combustione interna era privilegiati oggi a causa di

normative sempre più restrittive nei confronti delle emissioni inquinanti e la comparsa di nuovi sistemi energetici con minori problemi di manutenzione, si stanno cercando strade innovative.

Alcune considerazioni

Anche se il mercato è in continua evoluzione, i motori a combustione rimangono il punto di riferimento tra i sistemi energetici di utilizzo del biogas e del gas da discarica, d’altra parte il futuro è rappresentato dalle celle a combustione ad alta temperatura con tecnologia a carburanti fusi. Ora i costi sono ancora molto elevati ma previsioni parlano che entri i prossimi tre anni grazie all’alta affidabilità, minor inquinamento e maggiori prestazioni generali faranno delle celle a combustione le strutture protagoniste.

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