Calcolatore di codigestione
Stimi la produzione di metano, biogas, energia e la potenza del CHP da una miscela di substrati. Il potenziale metanigeno (BMP) proviene da una banca dati di 270 substrati e 1.866 record tratti da pubblicazioni; la sostanza secca e i parametri dell’impianto sono ipotesi esplicite che si possono modificare.
Il modello è additivo: non tiene conto di sinergie o inibizioni nella codigestione (ad es. da ammoniaca), del tempo di ritenzione né della temperatura di processo. Il risultato è una stima preliminare, non un progetto di impianto.
Calcolatore
Parametri dell’impiantoi valori predefiniti sono ipotesi: modificarli per il proprio progetto
Ipotesi: 85%. La quota del potenziale del test di laboratorio che si ottiene in un digestore a funzionamento continuo (tempo di ritenzione, degradazione incompleta).
Ipotesi: 53%. Tipicamente circa 50–60% a seconda della composizione dell’alimentazione; serve solo a convertire il metano in biogas.
Ipotesi: 40%. Verificare la scheda tecnica dell’unità.
Ipotesi: 43%. Calore utile recuperato dal raffreddamento del motore e dai gas di scarico.
Ipotesi: 8000 h. Utilizzato per la potenza elettrica e la capacità di un impianto di biometano.
Tutti i digestori, escluso il serbatoio del digestato. Necessario per OLR e HRT; si assume una densità dell’alimentazione di 1 t/m³.
Influisce sulle soglie di C/N e sulla valutazione del rischio di ammoniaca.
Influisce sulla valutazione della sostanza secca dell’alimentazione.
Aggiungere un substrato e inserire la massa per vedere il risultato. È possibile anche .
Come calcoliamo
Per ciascun componente il calcolatore determina il carico di solidi volatili (SV): massa × sostanza secca × quota di SV nella sostanza secca. Il carico moltiplicato per il BMP fornisce la quantità teorica di metano: il BMP è espresso in m³ CH₄ per tonnellata di SV (numericamente uguale a NmL CH₄/g SV nelle pubblicazioni). La somma su tutti i componenti viene moltiplicata per la quota del potenziale realizzata.
- CH₄ [Nm³/anno] = Σ massa × SS × SV × BMP × quota del potenziale realizzata
- biogas [Nm³/anno] = CH₄ ÷ quota di CH₄ nel biogas; le portate orarie sono medie su 8760 h
- energia nel metano [MWh/anno] = CH₄ × 9,97 kWh/Nm³ (potere calorifico inferiore del metano in condizioni normali) ÷ 1000
- potenza elettrica [kWₑ] = energia × rendimento elettrico ÷ tempo di funzionamento; calore = energia × rendimento termico
- equivalente in biometano [Nm³/h] = CH₄ ÷ 0,97 ÷ tempo di funzionamento — biometano con 97% di CH₄, senza perdite di metano nell’upgrading
- OLR [kg SV/(m³·d)] = carico giornaliero di SV ÷ volume attivo; HRT [d] = volume attivo ÷ volume giornaliero di alimentazione (densità 1 t/m³)
- C/N della miscela = Σ SV ÷ Σ (SV ÷ C/N) — media armonica ponderata sugli SV (la media aritmetica sovrastima il C/N); calcolato quando i componenti con un C/N nella banca dati costituiscono almeno il 90% degli SV
L’intervallo di incertezza accanto al risultato tipico è lo stesso calcolo per il BMP pubblicato più basso e più alto di ciascun componente (invariato per un componente con un proprio valore di BMP). La dispersione deriva dalle differenze di varietà, epoca di raccolta, preparazione del campione e metodologia del test; la descriviamo nelle pagine dei substrati e nella metodologia BMP.
La sostanza secca e i solidi volatili modificano considerevolmente il risultato e variano tra aziende e lotti di materia prima. Se la banca dati contiene una composizione tipica del substrato, il calcolatore la inserisce con un suggerimento (intervallo e fonte); in caso contrario i campi sono vuoti e vanno compilati — idealmente con i risultati di un’analisi di laboratorio del proprio materiale.
Che cosa il modello non considera
- sinergie e antagonismi nella codigestione: una miscela può rendere più o meno della somma dei suoi componenti;
- inibizione del processo, anche da ammoniaca (substrati ricchi di proteine, pollina), acido solfidrico e acidi grassi;
- cinetica di degradazione per un dato tempo di ritenzione, temperatura, miscelazione e perdite durante lo stoccaggio dell’insilato;
- i consumi propri di energia elettrica e termica dell’impianto e la disponibilità dell’unità CHP.
Valutazione del processo
Separatamente dalla resa, il calcolatore valuta il rischio di processo: verifica le quote di substrati con caratteristiche particolari (ad es. ricchi di grassi, facilmente degradabili, privi di tamponamento), i limiti di dosaggio dalle descrizioni dei substrati, l’OLR, l’HRT, la sostanza secca dell’alimentazione e il C/N secondo regole con soglie tratte dalla letteratura (tra cui la guida FNR, IEA Bioenergy Task 37, studi sulla codigestione di grassi e glicerolo). Il risultato è uno stato: miscela stabile, richiede monitoraggio oppure alto rischio di arresto del processo — con spiegazione, fonti e una proposta per ridurre le dosi (“Adatta le dosi ai limiti”). La valutazione non modifica la resa calcolata: non aggiungiamo né “bonus di sinergia” né penalità.
Le decisioni di investimento richiedono propri test BMP su campioni rappresentativi, un’analisi della composizione e un progetto di processo.
Esempio svolto
Una miscela di 10.000 t/anno di insilato di mais e 20.000 t/anno di liquame bovino, con BMP pari alle medie ponderate della nostra banca dati. La sostanza secca e i solidi volatili sono valori illustrativi, non dati di un impianto specifico. Parametri predefiniti: 85% del potenziale BMP realizzato, 53% di CH₄ nel biogas, rendimento del CHP 40% elettrico / 43% termico, 8000 ore di esercizio.
| Substrato | Massa t/anno | SS % | SV % SS | BMP m³ CH₄/t SV | Carico di SV t/anno | CH₄ Nm³/anno |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Maize silage (whole crop) | 10.000 | 33 | 95 | 341,0 | 3.135 | 908.680 |
| Cattle slurry | 20.000 | 8 | 80 | 236,3 | 1.280 | 257.094 |
In totale 1.165.774 Nm³ di CH₄ all’anno (in media 133,1 Nm³/h), cioè 251,1 Nm³/h di biogas con 53% di CH₄. L’energia chimica del metano è 11.623 MWh/anno, che con un rendimento del 40% e 8000 ore di esercizio corrisponde a un’unità di cogenerazione di circa 581 kWₑ (4.649 MWh di energia elettrica e 4.998 MWh di calore all’anno) oppure a circa 150 Nm³/h di biometano. L’insilato fornisce il 78% del metano pur costituendo solo un terzo della massa dell’alimentazione.
La sostanza secca dell’alimentazione è 16,3% — inferiore al 30% che la guida FNR “Leitfaden Biogas” indica come massimo per una miscela per digestione a umido. Il contenuto del digestore ha meno sostanza secca dell’alimentazione perché parte della sostanza organica viene convertita in biogas.
Domande sul calcolatore
Come si calcola la produzione di biogas da una miscela di substrati?
Per ciascun substrato la massa dell’alimentazione viene moltiplicata per il contenuto di sostanza secca (SS), la quota di solidi volatili (SV) e il potenziale metanigeno BMP. La somma su tutti i componenti viene corretta per la quota del potenziale realizzata nell’impianto e la produzione di biogas si ottiene dividendo la quantità di metano per la quota di CH₄ nel biogas.
Da dove provengono i valori BMP del calcolatore?
Dalla banca dati FeedstockData: per ciascun substrato raccogliamo i risultati dei test BMP tratti da pubblicazioni sottoposte a revisione paritaria e da banche dati. Per impostazione predefinita il calcolatore utilizza la media ponderata e, per valutare l’incertezza, il risultato pubblicato più basso e più alto. Ogni substrato ha una pagina con la tabella dei record e la bibliografia.
Perché il risultato del calcolatore differisce dalla produzione del mio impianto di biogas?
Il calcolatore è un modello additivo: presuppone che ciascun componente fornisca tanto metano quanto risulta dal suo BMP, indipendentemente dagli altri. Non tiene conto di effetti di sinergia o inibizione (ad es. da ammoniaca o acidi grassi), del tempo di ritenzione, della temperatura, della miscelazione né delle perdite di stoccaggio. È una stima preliminare, non un progetto di impianto.
Che cosa significa la quota del potenziale BMP realizzata?
Il BMP è la resa massima di metano di un test di laboratorio che di solito dura alcune decine di giorni. In un impianto a funzionamento continuo parte della sostanza organica lascia il digestore non degradata, perciò si assume che si ottenga solo una parte del potenziale. Il valore predefinito dell’85% è un’ipotesi da modificare, non un valore misurato.
Come calcola il calcolatore la potenza elettrica del CHP?
Moltiplica l’energia chimica del metano (9,97 kWh per 1 Nm³ di CH₄) per il rendimento elettrico dell’unità e divide il risultato per il tempo annuo di funzionamento. Con i valori predefiniti di 40% e 8000 h, 1 milione di Nm³ di CH₄ all’anno corrisponde a una potenza di circa 500 kWₑ.
Che cosa sono OLR e HRT?
L’OLR (organic loading rate, carico organico volumetrico) è la quantità di solidi volatili alimentata al giorno per 1 m³ di volume attivo, in kg SV/(m³·d). L’HRT (tempo di ritenzione idraulica) è il tempo medio di permanenza dell’alimentazione nel digestore, in giorni. Il calcolatore li determina una volta indicato il volume attivo, assumendo una densità dell’alimentazione di 1 t/m³.