Monitoraggio e controllo di un impianto di biogas

Il monitoraggio e il controllo di un impianto di biogas è una fase chiave per rendere utilizzabile il prodotto ottenuto dalla fermentazione e soprattutto per rispettare i parametri operativi imposti per legge.

Il biogas prodotto da un processo di digestione anaerobica è generalmente costituito da metano (CH4) per il 60-70% in volume, da anidride carbonica (CO2) per il 25-30% e da altri composti gassosi quali N2, H2, H2S, vapor dʼacqua insieme ad altri gas in percentuali minori.

La produzione del biogas

Durante il processo di produzione si sviluppano quindi sostanze secondarie, che possono turbare l’equilibrio del processo digestivo e avere conseguenze negative anche su parti meccaniche dell’impianto.

L’energia ottenuta dal biogas è preziosa, ma per essere prodotta e utilizzata in modo efficiente e nel rispetto dell’ambiente è necessario imporre un severo controllo del processo.

La rimozione di questi composti, che rientra nelle delicate fasi di trattamento del biogas, è fondamentale per poter utilizzare il prodotto ottenuto a scopo energetico (vedi figura sottostante); la regolazione e il controllo di questa fase produttiva sono di cruciale importanza.

La scelta dei trattamenti più opportuni dipende sia dalle caratteristiche del biogas, sia dalle modalità di utilizzo previste; indipendentemente dal tipo di soluzione tecnica adottata è fondamentale attuare un controllo ed un monitoraggio continuo nelle varie fasi, a partire dalla produzione, passando per il trattamento, fino allo stoccaggio del biogas.

Questo porta a un sensibile abbassamento dei costi di conduzione e manutenzione degli impianti, a una maggiore affidabilità e a un funzionamento ottimale. Inoltre, effettuando un controllo delle emissioni si garantisce il rispetto dei limiti imposti dalla legge in termini di impatto ambientale.

Monitoraggio e controllo di un impianto di biogas: le fasi

I processi di monitoraggio e controllo devono essere articolati e distribuiti su tutta la filiera e tipicamente sono differenziati a seconda della fase produttiva: come mostrato in Fig. 2 è possibile identificare le procedure e le rispettive grandezze da monitorare per ogni stadio produttivo.

Ecco perché, ad esempio, nel processo di fermentazione è fondamentale controllare alcuni indici di processo, come il Tempo di Ritenzione dei Solidi (SRT) e il Tempo di Ritenzione Idraulico (TRI).

Allo stesso tempo però è importante mantenere controllati pH (che deve essere mantenuto vicino al valore neutro) e temperatura, nonché il flusso di biogas prodotto. Si tratta di variabili molto importanti in questa fase: sarà quindi necessario impiegare sensori di misurazione e flussimetri in grado di monitorare l’intera produzione.

Una fase critica, nella quale è necessario un monitoraggio continuo, è la fase di trattamento: è proprio in questo processo che le sostanze indesiderate vengono ridotte entro i limiti prefissati, ottenendo un prodotto di qualità, idoneo all’impiego energetico.

Le principali fasi di trattamento del biogas sono:

1. Deumidificazione
2. Filtrazione
3. Desolforazione
4. Processi di rimozione della CO2
5. Sistemi di analisi/controllo/condizionamento del biogas

In ciascuna di queste fasi è importante utilizzare degli strumenti di misurazione e controllo per incrementare il più possibile l’efficienza del processo e per rientrare nei parametri di impianto stabiliti.

Non bisogna dimenticare che il successo di un sistema di monitoraggio è determinato anche dal posizionamento adeguato di sensori e dalla frequenza dei campionamenti effettuati.

Metodi di monitoraggio ideali dovrebbero essere “in-situ” o in linea, e dovrebbero essere anche eventualmente automatizzati ed eseguiti il più possibile in continuo, fornendo dati sull’impianto in tempo reale (anche se non sempre questo è concretamente realizzabile).

Una fase che spesso richiede attenzione è la desolforazione: l’abbattimento dei composti solforati è infatti un problema importante, che si pone in particolar modo nel momento in cui si vuole impiegare il biogas a scopi energetici.

La fase di desolforazione del biogas

La desolforazione del biogas può avvenire secondo diverse procedure: tramite introduzione di aria nei fermentatori, tramite l’utilizzo di filtri speciali a carbone attivo (ovvero tramite colonne di desolforazione e ossidazione biologica), oppure con l’ aggiunta di prodotti chimici a base di ferro.

Quando il processo si svolge tramite introduzione di aria (ossidazione biologica con ossigeno atmosferico), il solfuro di idrogeno si trasforma in zolfo elementare grazie all’azione di batteri.

La desolforazione del biogas avviene all’interno del serbatoio di liquami sfruttando quindi la naturale azione dei micro-organismi presenti: i microrganismi per vivere hanno bisogno di ossigeno e si cibano di acido solforico che viene degradato a zolfo elementare.

Per questo processo servono piccole dosi di ossigeno: tramite la stazione di dosaggio viene immessa nel serbatoio di liquami una piccola quantità di aria, che solitamente rappresenta non più dello 0,5% della quantità di gas prodotta.

Sono poi necessari un controllo e un monitoraggio continuo per ottenere la massima efficienza possibile dal processo: a tale scopo è fondamentale l’impiego di flussimetri in grado di misurare la quantità di aria immessa nel circuito.

Generalmente è possibile individuare dei componenti “standard” presenti in una stazione di dosaggio dell’aria per la desolforazione:

1. Flussimetro dell’aria (per il dosaggio di ossigeno)
2. Valvola a farfalla per la regolazione del flusso
3. Eventuale raccordo del rubinetto a sfera per lo scarico dell’acqua di condensa e il lavaggio dei tubi
4. Ugello dell’aria

Nell’immagine sottostante è mostrata una soluzione tecnica per la desolforazione, nella quale è evidente l’installazione di un flussimetro per la misurazione dell’aria iniettata nell’impianto al fine di abbattere i composti solforati.

Anche se spesso questo metodo ha un’efficacia limitata (infatti il quantitativo di aria introducibile è minimo e non può essere sempre proporzionale alla quantità di acido solfidrico presente), in certi casi rappresenta una rapida e facile soluzione al problema.

Fonti:
Castelli Silvana, Biomasse ed Energia, Maggioli Editore