Bilancio di massa ed energia di un impianto di biogas: esempio di calcolo dal substrato ai kilowattora

Il bilancio di massa ed energia di un impianto di biogas si svolge in sei passaggi: massa fresca → sostanza secca (SS) → solidi volatili (SV) → produzione di metano (resa per kg di SV) → energia chimica del combustibile (potere calorifico) → energia elettrica e termica, tenuto conto del rendimento del CHP e del consumo proprio. Di seguito un esempio completo con ipotesi esplicite; tutti i numeri sono illustrativi e vanno sostituiti con i propri dati ricavati da analisi e misure.

Passo 1: dose giornaliera

Le rese sono valori pratici ipotizzati su scala tecnica, inferiori ai potenziali dei test BMP (si veda l'articolo sulla differenza tra BMP e scala tecnica).

Passo 2: produzione di metano

• insilato di mais: 6.270 kg × 0,34 = 2.132 m³ CH₄/d,
• liquame: 1.920 × 0,20 = 384 m³,
• erba: 1.350 × 0,30 = 405 m³.

In totale ≈ 2.921 m³ CH₄/d. Con un contenuto di CH₄ del biogas pari al 53% si ottengono circa 5.512 m³/d (230 m³/h). Resa media: 2.921 / 9.540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg SV, attendibile (rientra al di sotto dei massimi teorici per questi substrati).

Passo 3: energia chimica

Assumiamo un potere calorifico del metano di 9,97 kWh/m³ (condizioni normali). Energia del combustibile: 2.921 × 9,97 ≈ 29.120 kWh/d, ovvero ≈ 1.213 kW di potenza termica del combustibile (in media).

Passo 4: CHP

Con un rendimento elettrico del 38% e termico del 45% (valori tipici per motori a gas di questa classe; quelli reali dipendono dal modello e dal carico):

• energia elettrica lorda: 29.120 × 0,38 ≈ 11.066 kWh/d (≈ 461 kW),
• calore: 29.120 × 0,45 ≈ 13.104 kWh/d (≈ 546 kW).

Passo 5: consumo proprio

Assumiamo un consumo proprio di energia elettrica pari all'8% della produzione, cioè ≈ 885 kWh/d; l'energia netta immessa in rete è ≈ 10.181 kWh/d. Il calore proprio per il riscaldamento del digestore dipende dalla stagione; ipotizziamo in media il 25% del calore del CHP (≈ 3.276 kWh/d). Il calore disponibile per gli utenti è ≈ 9.828 kWh/d, ma solo una parte viene effettivamente utilizzata (stagionalità).

Passo 6: bilancio di massa del digestato

La riduzione degli SV nel processo è in genere di alcune decine di punti percentuali degli SV introdotti, a seconda della miscela e dell'HRT; in questo esempio assumiamo il 60%. Dai 9,54 t di SV restano allora circa 3,8 t di SV nel digestato, a cui si aggiungono la parte inorganica della sostanza secca e l'acqua. La massa del digestato è pari alla massa dosata diminuita della massa del biogas. Con una densità del biogas dell'ordine di 1,2 kg/m³ e una produzione di 5.512 m³/d, la massa del gas è di circa 6,6 t/d, quindi il digestato è di circa 48 t/d (55 − 6,6 ≈ 48,4). Il risultato va tenuto in considerazione nel piano di stoccaggio e di distribuzione del digestato.

Verifica della correttezza

Analisi di sensibilità

La variazione della resa del mais da 0,34 a 0,30 m³ CH₄/kg SV riduce la produzione di metano di circa 250 m³/d (−8,6%) e l'energia elettrica di circa 950 kWh/d. La variazione del contenuto di sostanza secca dell'insilato dal 33% al 30% riduce gli SV di circa il 9%, quindi incide quasi altrettanto. Per questo la precisione delle analisi di SS e SV e la pesatura dei substrati sono fondamentali.

Conclusioni

Il bilancio è uno strumento di pianificazione e di controllo. Ripetuto ogni mese con dati reali, mostra dove l'impianto perde energia: nel sottodosaggio del substrato, nella torcia, nel basso rendimento del CHP, nell'eccessivo consumo proprio o nel calore non utilizzato.

Note sulle ipotesi

I rendimenti del CHP dipendono dal modello, dal carico, dallo stato di manutenzione e dalla temperatura ambiente; il funzionamento a carico parziale riduce il rendimento elettrico. Le rese su scala tecnica sono in genere inferiori ai risultati BMP, perché una parte del materiale attraversa il digestore troppo rapidamente e la miscelazione è imperfetta. Il contenuto di sostanza secca dell'insilato varia con la partita e con la data del raccolto. Il calore proprio per il riscaldamento del digestore è massimo in inverno, mentre d'estate gli utenti di calore sono spesso pochi; per questo conviene calcolare il bilancio termico annuale mese per mese.

Come trasformare l'esempio in uno strumento

Costruisci un foglio di calcolo in cui inserisci le masse dei substrati, i valori di SS, SV e le rese, mentre gli altri campi sono calcolati con formule. Aggiungi colonne che confrontino il piano con la realtà (misura del gas, contatore dell'energia). Differenze dell'ordine di pochi punti percentuali sono normali; quelle maggiori meritano un'indagine.