Come calcolare la capacità del digestore per la potenza prevista dell'impianto: bilancio passo dopo passo

La capacità del digestore per la potenza prevista dell'impianto si calcola attraverso una catena di bilanci: dalla potenza elettrica (o dal flusso di biometano) all'efficienza delle apparecchiature e al potere calorifico del metano, fino al fabbisogno giornaliero di metano, quindi alla massa del substrato e, infine, al volume determinato dal tempo di ritenzione idraulica (HRT) scelto. Il risultato viene verificato con il carico organico (OLR). Si tratta di un calcolo preliminare, ma consente di valutare rapidamente se il carico previsto e il serbatoio sono compatibili.

Passo 1: potenza → energia nel combustibile

Per un impianto con cogenerazione, il punto di partenza è la potenza elettrica dell'aggregato. Questa viene divisa per l'efficienza elettrica del CHP (le definizioni e i valori tipici sono descritti nel post sull'efficienza del motore CHP). Il risultato è la potenza del combustibile, ovvero il flusso di energia che deve entrare nel motore con il biogas.

Per un impianto di biometano, il punto di partenza è il flusso di metano nel prodotto (flusso di biometano moltiplicato per il contenuto di CH₄), al quale si aggiungono le perdite di metano nell'upgrading (vedi slippage di metano) e il metano bruciato nella caldaia per il calore proprio.

Passo 2: energia → flusso di metano

Il potere calorifico inferiore del metano è di circa 9,97 kWh/Nm³ (Nm³ in condizioni normali: 0 °C, 101,325 kPa). Il flusso di metano in Nm³/h è dato dalla potenza del combustibile in kW divisa per questo valore; moltiplicato per 24 h si ottiene il flusso giornaliero. È più pratico calcolare direttamente il metano, poiché è così che viene indicata la resa dei substrati (ad esempio nei test BMP, vedi potenziale teorico di metano).

Passo 3: metano → massa del substrato

La massa dell'alimentazione è determinata dalla resa di metano per tonnellata di massa fresca (FM). I valori delle prime tre righe provengono dalla tabella delle rese nella FNR Leitfaden Biogas (2013); l'ultima riga è un'ipotesi illustrativa. Per un impianto specifico, è necessario utilizzare i risultati delle proprie analisi:

La resa degli scarti varia così ampiamente che è preferibile sostituirla con il risultato del BMP (vedi Come leggere un rapporto di analisi BMP).

Passo 4: massa → volume di lavoro

Il volume di lavoro [m³] è dato dalla massa giornaliera dell'alimentazione [t/d] moltiplicata per l'HRT [d], divisa per la densità [t/m³] (per miscele acquose circa 1). L'HRT dipende dal substrato e dalla temperatura; negli impianti agricoli con una grande percentuale di biomassa vegetale, è solitamente di alcune decine di giorni (vedi HRT e SRT). Il risultato viene verificato con l'OLR, cioè la massa di sostanza secca organica per m³ al giorno (vedi OLR in pratica). Negli impianti di biogas agricoli, questo valore si attesta spesso nell'intervallo di circa 2–4 kg SV/(m³·d) (a seconda dell'impianto); valori più elevati richiedono un'ottima miscelazione e controllo del processo.

Il volume totale si determina aggiungendo al volume di lavoro lo spazio gassoso e il margine per la schiuma e le variazioni di livello; negli esempi, il volume di lavoro rappresenta l'85% di quello totale.

Esempio 1: 500 kW elettrici, insilato con liquame

Ipotesi: efficienza elettrica del CHP 40%, funzionamento continuo (nel bilancio annuale occorre considerare il tempo effettivo di funzionamento), HRT 60 giorni.

1. Potenza del combustibile: 500 / 0,40 = 1250 kW.
2. Flusso di metano: 1250 / 9,97 ≈ 125,4 Nm³/h, ovvero circa 3009 Nm³/d.
3. Miscela: 30 t/d di liquame forniscono 30 × 14 = 420 Nm³ CH₄/d. Il resto, 2589 Nm³/d, è coperto dall'insilato: 24,4 t/d forniscono circa 2586 Nm³/d. Totale circa 3006 Nm³/d, praticamente l'obiettivo.
4. Massa dell'alimentazione: 24,4 + 30 = 54,4 t/d.
5. Volume di lavoro: 54,4 × 60 / 1,0 ≈ 3264 m³; volume totale 3264 / 0,85 ≈ 3840 m³.
6. Verifica OLR: SV = 24,4 × 0,33 × 0,95 + 30 × 0,10 × 0,8 ≈ 7,6 + 2,4 = 10,0 t/d; OLR = 10,0 / 3264 ≈ 3,1 kg SV/(m³·d), ovvero nell'intervallo riscontrato negli impianti agricoli.

Conclusione: con questa miscela, HRT e OLR danno risultati simili; con una maggiore percentuale di liquame, il limite sarebbe l'HRT, mentre con il solo insilato sarebbe l'OLR.

Esempio 2: 250 Nm³/h di biometano, substrati misti

Ipotesi: biometano al 97% CH₄, perdite di metano nell'upgrading pari all'1% del metano nel biogas grezzo, il 6% di questo metano viene bruciato per il calore proprio, HRT 70 giorni.

1. Metano nel prodotto: 250 × 0,97 = 242,5 Nm³/h.
2. Metano nel biogas grezzo: 242,5 / (1 − 0,01 − 0,06) ≈ 260,8 Nm³/h, ovvero circa 6258 Nm³/d (entrambe le perdite sono frazioni dello stesso flusso).
3. Miscela: 40 t/d di letame (40 × 44 = 1760 Nm³ CH₄) e 60 t/d di liquame (840) forniscono 2600 Nm³/d. Il restante 3658 Nm³/d è coperto da 34,5 t/d di insilato.
4. Massa dell'alimentazione: 134,5 t/d. Volume di lavoro: 134,5 × 70 ≈ 9415 m³; volume totale circa 11 100 m³ (ad esempio due serbatoi da circa 5500 m³ ciascuno).
5. OLR: SV = 34,5 × 0,33 × 0,95 + 40 × 0,25 × 0,8 + 60 × 0,10 × 0,8 ≈ 10,8 + 8,0 + 4,8 = 23,6 t/d; OLR ≈ 2,5 kg SV/(m³·d).

Il calore proprio e le perdite nell'upgrading aumentano la produzione necessaria, e quindi anche il volume del digestore, di circa il 7% (1/0,93).

Esempio 3: scarti alimentari, il volume è determinato dall'OLR

Ipotesi: 250 kW elettrici, efficienza 40%, scarti con 20% SS e resa di 120 Nm³ CH₄/t FM, OLR ammissibile 2,5 kg SV/(m³·d) assunto in modo conservativo a causa del rischio di acidificazione e ammoniaca (vedi Chen et al. 2008).

1. Potenza del combustibile 625 kW; metano: 625 / 9,97 ≈ 62,7 Nm³/h ≈ 1505 Nm³/d.
2. Massa degli scarti: 1505 / 120 ≈ 12,54 t/d; SV = 12,54 × 0,20 × 0,90 ≈ 2,26 t/d.
3. Volume da OLR: 2260 kg/d / 2,5 kg/(m³·d) ≈ 900 m³ di volume di lavoro.
4. Verifica HRT: senza diluizione 900 / 12,54 ≈ 72 giorni. Tuttavia, se il substrato deve essere diluito fino a un contenuto pompabile di circa il 12% SS (sostanza secca 12,54 × 0,20 = 2,51 t/d, alimentazione 2,51 / 0,12 ≈ 20,9 t/d), l'HRT scende a circa 43 giorni. Questo può ancora essere sufficiente, ma richiede la verifica della cinetica e del rischio di inibizione.

Con substrati ad alta resa e basso contenuto di acqua, il volume è determinato dall'OLR, mentre l'HRT deve essere verificato dopo aver aggiunto l'acqua tecnologica.

In conclusione

Utilizzi le rese ottenute dalle analisi dei propri substrati, aggiunga l'acqua tecnologica e il ricircolo, verifichi contemporaneamente HRT, OLR e ammoniaca, e preveda un margine per partite di substrato di qualità inferiore. Un bilancio completo di massa ed energia di un impianto di biogas è illustrato nell'esempio di calcolo, mentre la scelta dei substrati è descritta nel post sulla pianificazione della miscela.