Motore CHP nell'impianto di biogas: efficienza elettrica, termica e funzionamento a carico parziale

Un motore a pistoni alimentato a biogas in un'unità di cogenerazione (CHP) converte in energia elettrica solitamente il 36–44% dell'energia chimica del combustibile, mentre un ulteriore 40–50% viene recuperato come calore dall'acqua di raffreddamento, dai gas di scarico e dall'olio. L'efficienza complessiva raggiunge quindi circa l'85–90%, ma solo se il calore viene effettivamente utilizzato. L'efficienza elettrica diminuisce in caso di funzionamento a carico parziale, con una bassa percentuale di metano e con regolazioni improprie del motore.

Da cosa è composto il bilancio energetico

L'energia fornita dal combustibile si suddivide in quattro flussi: potenza elettrica ai morsetti del generatore, calore dal raffreddamento del mantello e dell'olio, calore dai gas di scarico e perdite (irraggiamento, calore non recuperato dai gas di scarico, attrito, perdite del generatore). I produttori indicano l'efficienza in condizioni nominali, con una composizione del gas e una temperatura dell'aria stabilite. I valori operativi possono essere inferiori di alcuni punti percentuali.

Gli intervalli indicati sono orientativi e dipendono dalla potenza del gruppo: motori più grandi hanno solitamente un'efficienza elettrica più elevata.

Come calcolare l'energia dal biogas

Il potere calorifico del metano è di circa 35,8–35,9 MJ/m³ in condizioni normali (0 °C), ovvero circa 9,95–9,97 kWh/m³; negli esempi assumiamo 9,97 kWh/m³, mentre nei calcoli approssimativi si arrotonda a 10 kWh/m³. Per un biogas con un contenuto di CH₄ del 52%, ciò corrisponde a circa 5,2 kWh/m³ (trascurando il contributo di componenti in tracce).

Esempio con ipotesi esplicite: portata di biogas 250 m³/h, contenuto di CH₄ 52%, efficienza elettrica 40%, termica 44%.

• potenza del combustibile: 250 × 0,52 × 9,97 ≈ 1 296 kW,
• potenza elettrica: 1 296 × 0,40 ≈ 518 kW (un gruppo con potenza nominale di circa 500–530 kW è una scelta adeguata),
• potenza termica: 1 296 × 0,44 ≈ 570 kW,
• dopo aver sottratto il consumo proprio di calore per il riscaldamento dei digestori (ad esempio 150–250 kW in inverno, meno in estate) rimane il resto da valorizzare.

Carico parziale

L'efficienza elettrica di un motore a gas è massima con un carico prossimo al 100%. A un carico del 75%, la riduzione è solitamente di circa 1–2 punti percentuali, mentre al 50% può essere di alcuni punti e oltre, a seconda della costruzione. Inoltre, il funzionamento a basso carico favorisce la formazione di depositi carboniosi e l'imbrattamento delle candele. Pertanto, se l'impianto dispone di due gruppi, è più conveniente far funzionare uno a piena potenza piuttosto che due a metà. Nella progettazione, è ragionevole dimensionare la potenza in base alla produzione media di gas, non al picco.

Influenza della qualità del gas

Temperatura e condizioni ambientali

L'elevata temperatura dell'aria e l'altitudine sul livello del mare riducono la potenza del motore (cosiddetto derating, ovvero riduzione della potenza). La maggior parte dei produttori fornisce curve di riduzione della potenza. Nelle località in Polonia, un'estate tipica non provoca perdite drastiche, ma una scarsa ventilazione della sala macchine può peggiorare la situazione.

Come valutare il proprio gruppo elettrogeno

1. Misuri l'energia elettrica dal contatore della cogenerazione e la quantità di gas (flussometro) e il contenuto di CH₄ — calcoli l'efficienza su un periodo, ad esempio un mese.
2. Misuri il calore ceduto (contatore di calore) e lo confronti con l'efficienza termica.
3. Confronti con i valori di catalogo: uno scostamento superiore a 2–3 punti percentuali indica solitamente un problema (qualità del gas, regolazione, usura).
4. Verifichi il tempo di funzionamento e il numero di avviamenti; avviamenti frequenti peggiorano il bilancio.

Errori nella valutazione

• confrontare l'efficienza elettrica con quella complessiva,
• calcolare il calore "prodotto" e non quello "utilizzato",
• omettere il consumo proprio di energia elettrica dell'impianto di biogas (agitatori, pompe, soffianti), che riduce l'efficienza netta,
• mancanza di correzione del potere calorifico del gas in caso di variazione del contenuto di metano.

Un bilancio energetico affidabile è alla base delle decisioni di ammodernamento: talvolta un miglioramento dell'utilizzo del calore offre più vantaggi della sostituzione del motore con un modello più efficiente di 1–2 punti percentuali.

Lista di controllo per l'acquisto o l'ammodernamento di un gruppo elettrogeno

• Chieda l'efficienza elettrica al 100%, 75% e 50% del carico, non solo quella nominale.
• Verifichi i requisiti relativi al gas: contenuto minimo di CH₄, H₂S massimo, umidità relativa, intervallo di pressione.
• Si informi sulla disponibilità garantita (in % annua) e sulle condizioni di garanzia, inclusi i limiti di qualità del gas.
• Verifichi le emissioni dei gas di scarico (NOₓ, CO) e la necessità di un catalizzatore o di postcombustione, se richiesto dalle autorizzazioni.
• Confronti i costi totali del ciclo di vita: prezzo di acquisto, manutenzione per kWh, revisioni, consumo di olio.

Perché è importante calcolare l'efficienza netta

Un impianto di biogas consuma energia elettrica propria per agitatori, pompe, soffianti, alimentatori e automazione — solitamente dal alcuni a una dozzina di punti percentuali della produzione. L'efficienza elettrica netta è quindi inferiore all'efficienza del gruppo. Nel confrontare gli impianti, è sempre necessario specificare se il dato si riferisce ai morsetti del generatore o al punto di connessione alla rete.