Variabilità della composizione e della quantità di biogas: da dove nascono le oscillazioni del CH₄ e come misurarle

Il biogas degli impianti agricoli contiene in genere il 50–65% di metano e il 35–50% di anidride carbonica, oltre a tracce di acido solfidrico, ammoniaca, vapore acqueo e talvolta azoto e ossigeno. Composizione e quantità non sono costanti: cambiano nell'arco della giornata (dopo il dosaggio), nell'arco di settimane (dopo la modifica della miscela o dello stato del processo) e nell'arco dell'anno (qualità dell'insilato, temperatura). Comprendere le fonti della variabilità è la condizione per valutare correttamente il funzionamento dell'impianto e scegliere le apparecchiature finali (CHP, upgrading).

Che cosa influisce sul contenuto di CH₄

Da non confondere: la quota di CH₄ nel biogas non è la stessa cosa della resa di metano per kg di SV. Un gas con aggiunta di aria ha una quota di CH₄ inferiore, benché la quantità di metano sia la stessa.

Variabilità giornaliera

Dopo il dosaggio di substrato fresco la produzione di gas aumenta nell'arco di alcune ore, raggiunge un picco e cala prima della dose successiva. Gli impianti con dosaggio una o due volte al giorno hanno oscillazioni maggiori di quelli con dosaggio continuo. La copertura a membrana attenua le oscillazioni per il motore, ma rapide variazioni di composizione possono influire sull'accensione. Verifica se nei dati di misura compare uno schema giornaliero ripetibile; la sua assenza può indicare un problema di misura.

Variabilità stagionale

In estate l'insilato ha spesso una composizione diversa (dipendente dal raccolto), in inverno cresce il fabbisogno di calore. La temperatura esterna influisce sulla condensazione e sulla misura del volume, se il contatore del gas non è compensato. Le variazioni di qualità dell'insilato tra le partite (ad es. inizio e fine del silo, apertura di un nuovo cumulo) possono spostare la resa di alcuni punti fino a una quindicina di punti percentuali.

Come misurare correttamente

1. Portata: contatori del gas termici o a vortice con compensazione di temperatura e pressione; converti in Nm³ (0 °C, 1013 mbar) oppure indica chiaramente le condizioni di riferimento.
2. Composizione: analizzatori CH₄/CO₂ (IR), O₂ (elettrochimico o paramagnetico), H₂S (elettrochimico). Assicura l'essiccazione del campione o la correzione per l'umidità.
3. Punto di prelievo: in un punto rappresentativo, dopo l'essiccazione, con una linea di campionamento senza spazi morti.
4. Taratura: con gas di riferimento secondo le raccomandazioni del produttore (di solito ogni alcuni mesi fino a un anno), con registro.
5. Media: registra i dati a intervalli brevi e calcola le medie giornaliere ponderate sulla portata.

Esempio di normalizzazione

Il contatore indica 250 m³/h a 38 °C e a una pressione di 1.020 mbar ass. Converti in Nm³: 250 × (273,15/311,15) × (1020/1013,25) ≈ 250 × 0,8779 × 1,0067 ≈ 221 Nm³/h. La differenza di circa il 12% deriva esclusivamente dalle condizioni di misura; trascurata, sovrastima la produzione e falsa i confronti. Inoltre il gas saturo di vapore acqueo ha una quota inferiore di gas «secco» — se l'analizzatore misura il gas secco e il contatore quello umido, occorre tenere conto dell'umidità (a 38 °C il vapore acqueo occupa alcuni punti percentuali del volume).

Importanza per le apparecchiature finali

Il motore a gas ha un intervallo limitato di potere calorifico e di numero di metano accettati; un calo del CH₄ sotto la soglia del produttore causa una riduzione di potenza o lo spegnimento. Gli impianti di upgrading richiedono condizioni di ingresso stabili, compreso il controllo di O₂ e H₂S. La variabilità della quantità di gas influisce sul dimensionamento dello stoccaggio del gas e della torcia.

Che cosa fare quando la composizione «fluttua»

1. Verifica la taratura e il punto di prelievo del campione.
2. Confronta i dati sul gas con dosaggio, FOS/TAC e pH.
3. Controlla l'afflusso di aria alla desolforazione biologica.
4. Valuta se la causa non sia una variazione della miscela.
5. In caso di calo continuo del CH₄ avvia la procedura di diagnosi e di contrasto all'acidificazione o all'inibizione.

Dati affidabili sul gas sono la base di tutte le decisioni successive: bilancio energetico, rendicontazioni, indicatori KPI e valutazione degli effetti delle modifiche tecnologiche.

Dati di diversi mesi — come leggerli

Il grafico delle medie giornaliere di CH₄ di tutto l'anno mostra in genere una fascia di variabilità «normale» ampia alcuni punti percentuali. L'uscita da questa fascia richiede una spiegazione: cambio di substrato, guasto dell'analizzatore, acidificazione. Se la fascia è molto ampia, è un segnale che il processo è instabile o che la misura non è affidabile. Conviene inoltre confrontare il gas di punti diversi (digestore principale, digestore inferiore, stoccaggio), perché ogni serbatoio ha una composizione leggermente diversa.

Effetto sulle rendicontazioni

La variabilità della composizione influisce sulla quantità di energia nel gas a parità di volume. Rendicontazioni e rapporti dovrebbero basarsi sull'energia (volume normalizzato × contenuto di CH₄ × potere calorifico) e non sul solo volume di biogas. Una differenza di 3 punti percentuali di CH₄ equivale a circa il 5–6% di energia con una composizione tipica.