case

Valorizzazione dei rifiuti

Biogas plant
Finland
Published: Oct 10, 2019
Biogas
Innovazioni e ispirazioni

Nuova tecnologia per l'ottimizzazione degli impianti di biogas

Una efficace ottimizzazione del processo di biogas richiede il monitoraggio in situ dei parametri chiave: metano, anidride carbonica e umidità. In passato, con le tecnologie disponibili, tale monitoraggio non era possibile, ma con il lancio del modello MGP261 di Vaisala, sono state create nuove opportunità per ricavare più valore dai rifiuti: migliorare la redditività degli impianti di biogas, contribuire a ridurre i rifiuti, ridurre le emissioni di gas serra e riciclare i nutrienti agricoli.

I governi di tutto il mondo stanno cercando di ridurre le emissioni di gas serra (GHG) nella lotta ai cambiamenti climatici, al fine di ridurre i rifiuti in discarica e aumentare il loro utilizzo come fonti di energia rinnovabile nel rispetto degli accordi internazionali. Di conseguenza, in molti paesi, sono stati introdotti sussidi per incentivare la crescita del settore del biogas.

Secondo l'Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA), un terzo dell'attuale capacità energetica globale si basa sull'energia rinnovabile e quasi due terzi di tutta la nuova capacità di generazione di energia immessa nel 2018, provengono da fonti rinnovabili. Gran parte della recente crescita è stata fornita dall'energia solare ed eolica, ma la capacità globale di bioenergia è all'incirca triplicata negli ultimi 10 anni.

La generazione di biogas da rifiuti e colture putrescibili umidi produce una fonte di energia rinnovabile più affidabile e prevedibile rispetto all'energia eolica o solare. Tuttavia, man mano che queste tecnologie diventano più efficienti e i sussidi vengono ridotti, il settore del biogas dovrà concentrarsi sull'ottimizzazione dei processi per mantenere la redditività, competere con altre forme di generazione di energia e diventare sostenibile a lungo termine. 
 

Sprecare i rifiuti? 

La gestione dei rifiuti rappresenta una sfida significativa per le società, con i rifiuti che vengono sempre più visti come risorse. I rifiuti organici destano particolare preoccupazione a causa della loro potenziale produzione di metano, un potente gas serra. Tuttavia, i gas della digestione anaerobica (AD) dei rifiuti organici possono essere contenuti e utilizzati come fonte di energia rinnovabile. La combustione del gas produce calore rinnovabile o, in un motore di cogenerazione (CHP), produce elettricità e calore. Il biogas può anche essere trasformato in biometano (>99% di metano) per la compressione e l'immissione nella rete del gas naturale o per l'uso come combustibile per il trasporto. Gli operatori di impianti AD possono inoltre ricavare maggiori entrate immettendo elettricità nella rete, vendendo calore o biogas ad aziende o comunità locali e imponendo una tariffa di ingresso per i materiali di scarto in entrata. Il digestato prodotto da tali impianti è ricco di sostanze nutritive e può essere utilizzato come fertilizzante e condizionatore del suolo.

Indipendentemente dal processo, tutti gli impianti devono ottimizzare la produzione di biogas riducendo al minimo  costi, rifiuti e tempi di inattività. Tuttavia, il biogas è un gas corrosivo e potenzialmente esplosivo, quindi in passato non è stato possibile effettuare il monitoraggio in linea. Fino ad ora, l'unica soluzione era estrarre campioni per analisi al di fuori del processo.

Alla ricerca di un'efficace ottimizzazione del processo, Vaisala ha sviluppato MGP261, il primo strumento di monitoraggio del biogas 3 in 1 al mondo, per la misurazione simultanea di metano, anidride carbonica e umidità. È importante sottolineare che lo strumento è certificato Ex fino alla Zona 0/1, il che consente l'installazione in linea in tubi e condotti in cui esistono atmosfere esplosive, con l'area circostante i tubi classificata come Zona 1.

Digestione anaerobica

I quattro processi principali si svolgono all'interno del digestore per produrre biogas. Tutti questi processi sono mediati da diversi gruppi di batteri e una caratteristica chiave di un'ottimizzazione efficace del processo di biogas è il mantenimento di un sano equilibrio di tali microrganismi. I quattro processi principali sono:

Idrolisi – la materia organica complessa come proteine, carboidrati e grassi viene scomposta dagli enzimi batterici in zuccheri, acidi grassi e aminoacidi.
Acidogenesi – varie reazioni di fermentazione convertono  le molecole di maggiori dimensioni in acidi organici, alcoli, ammoniaca, anidride carbonica, idrogeno e idrogeno solforato.
Acetogenesi – i prodotti fermentati vengono ossidati in forme più semplici come acetato e anidride carbonica.
Metanogenesi – gli archaeobatteri (organismi monocellulari) convertono l'idrogeno e l'acido acetico in metano e anidride carbonica..

Qualsiasi interruzione degli ultimi due processi comporta un abbassamento della resa di biogas e ciò può essere rilevato da variazioni del rapporto tra metano e anidride carbonica. Da qui la necessità di un monitoraggio in continuo..

Monitoraggio del processo per una maggiore efficienza

Il biogas è composto in genere dal 50 al 75% di metano, per la parte restante è principalmente composto da anidride carbonica e vapore acqueo con piccole quantità di altri gas come quelli sopra menzionati. Monitorando il metano, è possibile misurare il buon funzionamento dell'impianto, e monitorando il rapporto tra metano e anidride carbonica, l'operatore dell'impianto ha a disposizione un indicatore continuo in tempo reale del comportamento del digestore e dello stato dei microrganismi del digestore. 

I dati su metano e anidride carbonica possono essere utilizzati in vari modi. In primo luogo, queste informazioni possono essere utilizzate dall'operatore per regolare la velocità di caricamento e il tipo di materia prima, se possibile, al fine di migliorare lo stato dei batteri. In secondo luogo, quando un motore utilizza biogas, le misurazioni possono essere utilizzate per ottimizzare le prestazioni del motore, e in terzo luogo, qualora il biogas sia perfezionato per l'iniezione nella rete, i dati possono essere utilizzati per fornire informazioni utili per il processo di upgrading del biometano.

Naturalmente, è anche possibile estrarre campioni dal reattore per successive analisi di laboratorio. Ciò può fornire un'indicazione accurata delle condizioni del processo, ma il ritardo insito in tale approccio non consente un'azione tempestiva o automatica per l'ottimizzazione del processo. Il monitoraggio in linea del metano e dell'anidride carbonica del biogas aiuta quindi a ridurre la necessità di costose analisi di laboratorio.
 

Perché è necessaria la misurazione dell'umidità nel biogas?

L'umidità nel biogas rappresenta un potenziale problema per varie ragioni. L'umidità nel gas può condensarsi con il cambiamento della pressione o della temperatura, ad esempio nel regolatore di pressione o nei tubi di trasferimento. Tale condensazione può causare gravi danni e deve essere evitata. Allo stesso modo, l'eccessiva umidità nel biogas immesso nel motore CHP aumenta l'umidità nell'olio motore e comporta la necessità di sostituire l'olio motore più frequentemente.

Ovviamente, i tempi di inattività del motore, dovuti a interventi di manutenzione o riparazione, dovrebbero essere ridotti al minimo perché potrebbe provocare il cosiddetto flaring, che può costare da 3.000 a 5.000 euro al giorno di perdita di ricavi.

L'umidità è poi un fattore importante da considerare nel funzionamento dei filtri a carbone attivo perché sono progettati per funzionare entro specifici intervalli di umidità. I filtri a carbone sono di uso comune, perché le impurità del biogas come l'idrogeno solforato, i silossani e una serie di altri gas organici devono essere rimosse per prevenire danni al motore o per generare biometano di purezza sufficiente per essere adatto alle applicazioni gas-to-grid (G2G). L'eccessiva umidità causa l'usura prematura dei filtri a carbone, con un conseguente costo di ricarica elevato. Alcuni impianti devono cambiare i filtri a carbone più volte all'anno, il che può comportare un costo annuale di oltre 10.000 euro. Tuttavia, anche una scarsa umidità può costituire un problema per alcuni filtri, causando un funzionamento inefficiente del filtro a carbone.
 

Perché effettuare la misurazione sul posto?

per la successiva misurazione mediante strumenti  elettrochimici o a infrarosso a lunghezza d'onda fissa. Queste tecnologie richiedono una ricalibrazione frequente, la quale è costosa, richiede molto lavoro e può potenzialmente compromettere la capacità dell'impianto di effettuare il monitoraggio in continuo. Sono necessarie pompe e tubi per estrarre il gas ed è necessario asciugare il campione per evitare errori e potenziali danni causati dalla condensazione. Questi strumenti non sono quindi in grado di misurare l'umidità del campione. Ciò significa anche che le misurazioni derivanti dagli strumenti estrattivi vengono fornite in condizioni di asciutto. Tali letture, per definizione, saranno più alte di quelle di una sonda in situ che misura in condizioni di bagnato sebbene l'MGP261 di Vaisala possa fornire misurazioni in entrambe le condizioni.

L'estrazione del campione in climi freddi rischia anche di congelare la linea di estrazione del campione, il che inibisce il flusso e porta a dati errati. Questo problema potrebbe essere risolto da linee di cavi riscaldanti certificate Ex, ma sono estremamente costose.

Gli analizzatori di gas estrattivi elettrochimici o a infrarossi a lunghezza d'onda fissa hanno una vita utile relativamente breve, che rappresenta un fattore importante quando si considera il costo di esercizio per l'intera vita del sistema. Inoltre, queste tecnologie hanno un breve intervallo di calibrazione e richiedono una frequente manutenzione del sistema di campionamento, quindi i costi di gestione possono essere elevati.

Il lancio della sonda MGP261 di Vaisala rappresenta un grande passo avanti perché supera gli svantaggi delle vecchie tecnologie estrattive.
 

Nuova tecnologia

MGP261 è il primo analizzatore di biogas in situ 3 in 1 al mondo e si affida alla tecnologia CARBOCAP® che viene utilizzata da molti anni in un'ampia varietà di altre applicazioni. Tuttavia, in modo univoco, questo strumento combina la tecnologia CARBOCAP® di seconda generazione per misurare metano, anidride carbonica e umidità in un'unica sonda compatta certificata Ex per il funzionamento diretto in flussi di biogas corrosivi, potenzialmente esplosivi. MGP261 ha anche un tempo di avvio rapido (<2 minuti), ideale per l'inclusione in uno strumento di misurazione certificato Ex.
Il sensore Vaisala CARBOCAP® è dotato di un filtro Interferometro di Fabry-Pérot (FPI) sintonizzabile elettricamente. Oltre a misurare le specie target, il filtro FPI micromeccanico consente una misurazione di riferimento a una lunghezza d'onda in cui non si verifica alcun assorbimento. Quando si esegue la misurazione di riferimento, il filtro FPI viene regolato elettricamente per commutare la banda passa-banda dalla lunghezza d'onda di assorbimento a una lunghezza d'onda di non assorbimento. La misurazione di riferimento compensa eventuali cambiamenti nell'intensità della sorgente luminosa e la contaminazione nel percorso ottico, il che significa che il sensore è altamente stabile nel tempo. 

Altri produttori di analizzatori di gas a infrarossi utilizzano una lampada a incandescenza nei loro strumenti, ma Vaisala ha sviluppato una sorgente a infrarossi brevettata denominata Microglow, a bassa potenza, estremamente stabile e che beneficia di una durata di 15 anni. 

All'interno della sonda MGP261, l'umidità e l'anidride carbonica sono misurati con lo stesso filtro ottico e un secondo canale ottico misura il metano. Secondo varie modalità, questo strumento combina la potenza analitica di uno spettrometro da laboratorio con il design semplice e robusto di uno strumento di controllo del processo industriale.

Dal punto di vista dell'utente, i vantaggi principali di questa tecnologia  includono la misurazione in situ, che consiste nel monitoraggio diretto delle condizioni di processo senza i costi, i problemi e i ritardi associati a metodi alternativi. La stabilità a lungo termine consente una manutenzione minima: basta cambiare il filtro della sonda se si sporca, cosa che di solito viene effettuata durante la manutenzione del motore. Inoltre, la funzione di auto-calibrazione dello strumento riduce al minimo i costi operativi grazie all'assenza di frequenti interventi di assistenza o calibrazione da parte del personale tecnico. Inoltre, la riduzione della manutenzione e dei tempi di inattività del motore CHP attraverso un controllo affidabile dell'umidità garantisce risparmi significativi.
 

In quale punto effettuare il monitoraggio

Le aree di applicazione di questa tecnologia, includono la digestione anaerobica e il monitoraggio dei gas di discarica, il monitoraggio del filtro a carboni attivi nei processi di trattamento del biogas e il monitoraggio del gas di alimentazione del motore CHP. 

I punti di monitoraggio tipici per metano, anidride carbonica e umidità negli impianti di biogas potrebbero essere all'interno o dopo il digestore per ottimizzare il processo di digestione monitorando il rapporto CH4:CO2 e regolando il tasso di carico dei rifiuti di conseguenza o dopo lo scambiatore di calore per misurare l'umidità al fine di ottimizzare essiccazione. Altri possibili punti di monitoraggio potrebbero essere collocati prima del filtro a carbone attivo, che misura l'umidità per ottimizzare la filtrazione; prima di un motore CHP in cui la misurazione dell'umidità consente la protezione del motore e il monitoraggio del metano aiuta a ottimizzare le prestazioni del motore; o prima di un impianto di updating del metano per ottimizzare il processo.

L'aumento della popolazione mondiale, associata a problemi di gestione dei rifiuti, e l'esigenza di ridurre le emissioni di gas serra rappresentano le sfide principali del mondo di oggi. L'industria del biogas rappresenta una parte essenziale della soluzione. Tuttavia, la produzione di biogas è un processo organico influenzato da molte variabili. Il monitoraggio affidabile e preciso in linea attraverso la sonda Vaisala MGP261 consente di ottimizzare i processi di produzione riducendo i costi operativi e migliorando l'efficienza di un impianto di biogas, in modo da valorizzare al meglio i rifiuti.