Quanto è efficiente la generazione di energia elettrica dal biogas delle discariche?

Quanto è efficiente la generazione di energia elettrica dal biogas delle discariche?

La generazione di energia elettrica da biogas proveniente dalle discariche rappresenta un metodo altamente produttivo per sfruttare un combustibile organico che altrimenti richiederebbe il bruciamento in torcia e causerebbe danni ambientali. Tuttavia, valutare effettivamente le prestazioni complessive di un sistema non è mai possibile basandosi su una singola percentuale riportata in evidenza. Per qualsiasi team impegnato nello sviluppo di un progetto che prevede l’impiego di un generatore a biogas da discarica, la domanda ingegneristica più critica è semplice: quale quantità esatta dell’energia chimica immessa nel sistema si trasforma in energia elettrica affidabile, una volta considerati la raccolta del gas, il trattamento chimico, la conversione tramite motore, i consumi ausiliari e le fermate programmate?

Come riferimento pratico del settore, si afferma spesso che i motori a combustione interna alternati alimentati con biogas da discarica condizionato raggiungono un’efficienza elettrica approssimativa compresa tra il 25% e il 35%. Sebbene questo ampio intervallo costituisca un utile parametro di riferimento per la valutazione preliminare dei progetti, non deve mai essere considerato una garanzia di prestazione. La qualità del gas in ingresso, le concentrazioni variabili di metano, il funzionamento del motore a carico parziale, i consumi ausiliari legati al condizionamento del gas, le condizioni ambientali del sito e le pratiche di manutenzione continuativa possono far sì che un impianto reale operi al di sopra o al di sotto delle stime iniziali.

Partire dalla definizione corretta di efficienza

L'efficienza elettrica confronta la produzione elettrica lorda con l'energia termica del combustibile fornita direttamente all'ingresso del motore. Sebbene questa metrica appaia chiara e semplice, non descrive l'intero ciclo di generazione di energia da biogas proveniente dalle discariche. Un determinato modello di generatore potrebbe prestarsi eccezionalmente bene al confine del motore, mentre il progetto complessivo risulta sottoperformante a causa di un prelievo insufficiente di gas da parte dei campi pozzi a monte, di un consumo eccessivo di potenza ausiliaria da parte dei sistemi di condizionamento del gas o di una bassa disponibilità degli impianti.

• Confronto tra produzione elettrica lorda ed energia termica del combustibile fornita al motore.

• Considerazione dei tassi di cattura nei campi pozzi a monte e dell'efficienza della raccolta del gas.

• Inclusione del consumo di potenza ausiliaria da parte degli ausiliari per il condizionamento e il raffreddamento del gas.

Un calcolo completo del progetto deve sempre iniziare a monte, dalla superficie della discarica. Il biogas di discarica è costituito tipicamente per circa il 50% da metano e per il 50% da anidride carbonica, oltre a tracce di composti alogenati, umidità e silossani. Poiché il metano rappresenta l’unico componente con potere energetico, concentrazioni variabili di metano modificano direttamente l’energia termica disponibile per il generatore di biogas di discarica. Di conseguenza, i rapporti basati esclusivamente sulle portate volumetriche di gas possono essere fortemente fuorvianti, a meno che non riportino contestualmente anche la percentuale di metano, la pressione, la temperatura e il contenuto di umidità.

Dove l’energia viene guadagnata o persa prima del generatore

È estremamente rischioso considerare il motore a combustione interna come l’unico fattore determinante per il successo del progetto. Nella pratica operativa reale, il combustibile che raggiunge il generatore di biogas di discarica ha già attraversato diverse fasi critiche di prestazione:

• Efficienza di raccolta del gas: Il design del pozzo di captazione, il controllo del vuoto, l’integrità del rivestimento giornaliero e il bilanciamento attivo del campo determinano la quantità di gas che può essere catturata in modo costante.

• Qualità e purezza del gas: La concentrazione di metano, l’ingresso di ossigeno, la diluizione con azoto, il vapore acqueo, le particelle solide, i composti solforati e i silossani influenzano il potere calorifico utilizzabile e i requisiti di protezione del motore.

• Condizionamento e trattamento del gas: Ventilatori, refrigeratori, filtri coalescenti, compressori e sistemi di rimozione dei silossani rendono il combustibile utilizzabile, ma consumano anche una notevole quantità di energia elettrica ausiliaria.

• Stabilità della fornitura: Picchi di pressione o di contaminazione chimica possono innescare allarmi di protezione, riduzioni della potenza elettrica o arresti improvvisi, anche quando la produzione media di gas appare perfettamente adeguata.

Questa realtà operativa spiega perché due siti progettuali distinti, dotati di motori con identiche potenze nominali, possono produrre rese annuali di energia elettrica profondamente diverse. Un modello di fattibilità affidabile per le fasi iniziali deve sempre riportare sia la generazione lorda sia l’energia elettrica esportata netta. L’output netto deduce correttamente i carichi ausiliari parassiti, garantendo agli investitori del progetto rendimenti finanziari realistici.

Comprensione dell’intervallo di efficienza dal 25% al 35% nella pratica

Per gli impianti tipici a motore alternativo, l’intervallo di riferimento dal 25% al 35% descrive la conversione dell’energia del combustibile condizionato in potenza elettrica, in condizioni operative strettamente controllate. Non implica che il 25%–35% del gas grezzo complessivamente prodotto da una discarica raggiunga con successo la rete elettrica. Le perdite fuggevoli nella raccolta, le richieste di torcia durante la manutenzione, le fermate non programmate, i carichi ausiliari parassiti e la riduzione dell’immissione in rete (curtailment) riducono spesso l’output netto finale.

Inoltre, le caratteristiche di carico del motore svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni quotidiane. Un generatore a biogas proveniente da discarica presenta tipicamente una fascia di carico ottimale preferita, e l’efficienza termica diminuisce in modo significativo quando il motore funziona a carichi ridotti per periodi prolungati. La sovradimensionatura dei pacchetti generatori determina un funzionamento cronico a carico parziale, poiché la produzione di biogas da discarica diminuisce naturalmente nel corso di decenni. L’impiego di più unità modulari in sequenza offre una flessibilità superiore nell’adattarsi alle curve decrescenti di produzione di gas rispetto all’affidarsi a un singolo motore sovradimensionato.

Massimizzare l’utilizzo mediante sistemi combinati di produzione di calore ed energia elettrica

La generazione di energia elettrica da biogas proveniente dalle discariche diventa significativamente più vantaggiosa quando il calore termico recuperato dal motore può essere utilizzato per un processo industriale in loco, per un circuito di riscaldamento edilizio, per l’evaporazione del percolato o per un altro carico termico verificato. I sistemi combinati di produzione di calore ed energia elettrica (CHP) catturano il calore residuo utilizzabile proveniente dai collettori di scarico del motore e dai circuiti di raffreddamento dell’acqua della giacca. Sebbene l’efficienza di conversione elettrica rimanga nei consueti intervalli, l’utilizzo complessivo di energia utile aumenta in modo considerevole quando il calore recuperato sostituisce combustibili fossili ausiliari.

Tuttavia, i sistemi CHP non devono mai essere presentati come automaticamente superiori dal punto di vista economico senza aver prima verificato l’esistenza di un effettivo utilizzatore di calore. L’integrazione di pacchetti per il recupero termico comporta spese in conto capitale notevoli, reti di tubazioni, integrazione dei sistemi di controllo e responsabilità aggiuntive per la manutenzione. Qualora la domanda di calore vari stagionalmente, gli ingegneri del progetto devono calcolare la produzione di calore utile su base mensile o oraria.

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Matrice di valutazione per la produzione di energia da biogas in discarica