Bilancio termico di un impianto di biogas in inverno: quanto calore consuma il processo e dove reperirlo

Il bilancio termico di un impianto di biogas in inverno si compone di poche voci semplici: calore per il riscaldamento del substrato dosato, perdite attraverso le superfici di serbatoi e tubazioni, calore necessario all'eventuale igienizzazione e utenze esterne. Sul lato delle entrate c'è soprattutto il calore del gruppo di cogenerazione (CHP) ed eventualmente una caldaia. In inverno crescono entrambe le principali voci di fabbisogno, mentre la capacità delle fonti di coprirle non aumenta affatto. Per questo il bilancio va redatto per la settimana più fredda tipica e non per la media annuale.

Da che cosa è composto il fabbisogno di calore

1. Riscaldamento del substrato. Il substrato giunge nel digestore con la temperatura ambiente (insilato, borlanda raffreddata, liquame da un serbatoio esterno), mentre il processo mesofilo si conduce di solito intorno a 38–42 °C. L'energia si calcola con la formula Q = m · c · ΔT. Per i substrati con alto contenuto di acqua il calore specifico è simile a quello dell'acqua, cioè circa 4,2 kJ/(kg·K); con un contenuto più alto di sostanza secca è un po' inferiore.

Esempio indicativo per un calore specifico di 4,18 kJ/(kg·K) (1 kWh = 3,6 MJ):

Con un dosaggio di 50 t al giorno e ΔT = 40 K si ottengono circa 2,3 MWh al giorno, ovvero in media circa 96 kW di potenza termica. In inverno la stessa massa di substrato richiede dunque molte volte più energia che in estate, quando il substrato è caldo. Il valore è orientativo: quello reale dipende dalla composizione della miscela, dalla quota di ricircolo e dal fatto che il substrato sia conservato al caldo.

2. Perdite attraverso le superfici. Il flusso di calore attraverso parete, tetto e pavimento del serbatoio è Q = U · A · ΔT, dove U è il coefficiente di trasmissione termica, A la superficie e ΔT la differenza di temperatura tra interno ed esterno. A titolo illustrativo: 1000 m² di superficie con U = 0,3 W/(m²·K) e ΔT = 40 K danno circa 12 kW. In realtà si aggiungono l'influenza del vento, i ponti termici, lo stato dell'isolamento (un isolamento umido perde le proprie proprietà) e altre condizioni termiche del terreno sotto il fondo. I tetti a membrana e gli elementi di piccola massa si comportano diversamente dalle pareti in calcestruzzo, perché accumulano poco calore.

3. Igienizzazione e trattamento. Se l'impianto tratta materiali che richiedono igienizzazione, il calore necessario a riscaldare l'intero flusso alla temperatura richiesta dalle norme e a mantenerla per il tempo prescritto è una voce grande e di breve durata. I requisiti per i sottoprodotti di origine animale sono definiti dal regolamento (UE) n. 142/2011 (tra l'altro i parametri di tempo e temperatura per le singole categorie). Il recupero di calore dal flusso igienizzato (scambiatore rigenerativo) riduce in modo significativo il consumo di calore.

4. Utenze esterne. Riscaldamento di edifici, essiccatoi, teleriscaldamento esterno. In inverno competono con il processo per lo stesso calore; nel bilancio il processo dovrebbe avere la priorità, perché il raffreddamento del digestore costa settimane di produzione, non ore.

Sul lato della fornitura di calore

Il motore CHP trasforma l'energia del combustibile in energia elettrica e calore; i rendimenti elettrico e termico delle unità tipiche sono trattati nel testo sul rendimento del motore CHP. Il calore va nel circuito dell'acqua di raffreddamento del motore (camicia e olio) e nei fumi. Non tutto il calore è utile: temperatura e disponibilità dipendono dal sistema di scambiatori e dal funzionamento del motore. La stagionalità e la struttura del bilancio del calore della cogenerazione sono descritte nell'articolo calore di scarto del CHP.

Tre situazioni compromettono in particolare il bilancio invernale:

• Funzionamento del motore a carico ridotto (limitazione di potenza da parte del gestore della rete, meno biogas dopo un calo della produzione): meno calore, mentre il fabbisogno resta invariato.
• Fermata del motore (guasto, manutenzione, qualità del gas troppo bassa): il calore va prodotto in caldaia e, se manca, la temperatura del digestore cala.
• Temperatura troppo bassa dell'acqua di ritorno o assenza di utenza nella stagione opposta, che d'inverno si inverte: il calore c'è, ma gli scambiatori sono sottodimensionati per un'elevata potenza con piccola differenza di temperatura.

Come costruire il proprio bilancio

1. Stabilisci la settimana più fredda tipica per la località e la temperatura dei substrati in quel periodo (insilato dal cumulo, liquame dal serbatoio, borlanda).
2. Calcola la massa media giornaliera dosata e l'energia di riscaldamento (tabella sopra).
3. Aggiungi le perdite delle superfici: separatamente serbatoi, tubazioni, scambiatori, pompe, edificio tecnologico.
4. Aggiungi igienizzazione e utenze esterne.
5. Confronta la somma con la potenza termica realmente disponibile dal CHP al carico atteso in inverno e con la potenza della caldaia di riserva.
6. Verifica lo scenario di guasto di una fonte: la riserva manterrà la temperatura del processo per il tempo di una riparazione tipica?

Che cosa migliora il bilancio senza nuove fonti

• Riscaldamento graduale del substrato, ad es. in un serbatoio preliminare scaldato con calore a bassa temperatura, e dosaggio più frequente, in porzioni più piccole (temperatura più stabile nel digestore).
• Riparazione dell'isolamento, protezioni dal vento e riduzione dei ponti termici nei punti più esposti.
• Recupero di calore dal flusso in uscita (scambiatore del digestato per riscaldare il substrato), se tecnicamente e igienicamente fattibile.
• Conservazione dei substrati al caldo dove conviene (ad es. luoghi di stoccaggio coperti), anziché riscaldarli solo nel digestore.
• Esclusione delle utenze esterne nei picchi di gelo secondo una priorità stabilita in precedenza.

La riserva di calore conviene verificarla con misure: il contatore di calore sul circuito del digestore e quello sulle utenze esterne mostrano la ripartizione reale e permettono di confrontarla con il bilancio di progetto. I parametri del processo, compresi gli effetti delle oscillazioni di temperatura, sono trattati nel testo sull'avviamento del digestore.

Errori tipici nei bilanci termici

• Assumere la temperatura del substrato costante nell'arco dell'anno: l'insilato dal cumulo e il liquame dal serbatoio esterno in inverno hanno di solito una temperatura prossima a quella ambiente.
• Trascurare le perdite in tubazioni, scambiatori e pompe, che in inverno possono essere importanti quanto quelle del serbatoio.
• Calcolare il calore disponibile dal CHP secondo la potenza nominale anziché il carico reale nella data stagione.
• Mancata considerazione del tempo di riparazione della fonte di calore: la riserva deve bastare per il tempo in cui il processo non può raffreddarsi.
• Trattare il calore a bassa temperatura come equivalente a quello ad alta temperatura; lo scambiatore richiede un'adeguata differenza di temperatura.

Come integrare il bilancio con le misure

Il miglior complemento dei calcoli sono i contatori di calore e le temperature in più punti: all'ingresso e all'uscita dello scambiatore del digestore, sul circuito del CHP, sulle utenze esterne e la temperatura nel digestore stesso. Il confronto delle letture invernali con i calcoli indica se le perdite sono maggiori di quelle ipotizzate (ad es. per un isolamento umido) e se la potenza disponibile corrisponde davvero a quella di progetto. Le conclusioni conviene annotarle e ripeterle ogni stagione, perché con il cambio della ricetta dei substrati cambia anche il fabbisogno di calore.