Come ottenere biogas dal letame: panoramica dei principi base e del dispositivo dell'impianto di produzione

Ogni anno le aziende agricole affrontano il problema dello smaltimento del letame. Si spendono ingenti risorse per organizzarne il trasporto e l'interramento. Ma esiste un metodo che consente non solo di risparmiare, ma anche di mettere a frutto questo prodotto naturale.

I proprietari oculati applicano da tempo l'ecotecnologia che permette di ottenere biogas dal letame e utilizzarlo come combustibile.

Pertanto nel nostro articolo parleremo della tecnologia per ottenere biogas e vi spiegheremo come costruire un impianto di bioenergia.

Vantaggi dell'uso delle biotecnologie

La tecnologia di produzione di biocarburanti da varie fonti naturali non è nuova. Le ricerche in questo settore sono iniziate già alla fine del XVIII secolo e si sono sviluppate con successo nel XIX. In Unione Sovietica, il primo impianto bioenergetico fu creato negli anni Quaranta del secolo scorso.

Le biotecnologie sono impiegate da tempo in molti paesi, ma è proprio oggi che acquistano un'importanza particolare. A causa del peggioramento della situazione ambientale sul pianeta e dell'alto costo dei vettori energetici, molti rivolgono lo sguardo verso fonti alternative di energia e calore.

La tecnologia di trasformazione del letame in biogas consente di ridurre la quantità di emissioni nocive di metano nell'atmosfera e di ottenere una fonte supplementare di energia termica

Certo, il letame è un fertilizzante molto prezioso e, se nell'azienda ci sono due mucche, non sorgono problemi per il suo utilizzo. Diverso è il discorso quando si tratta di allevamenti di medie e grandi dimensioni, dove ogni anno si producono tonnellate di materiale biologico maleodorante e in putrefazione.

Per trasformare il letame in un fertilizzante di qualità, servono aree con un determinato regime di temperatura, il che comporta costi aggiuntivi. Perciò molti allevatori lo accumulano dove capita e poi lo trasportano nei campi.

In base al volume di materia prima prodotta giornalmente, occorre scegliere le dimensioni dell'impianto e il suo grado di automazione

Se non vengono rispettate le condizioni di stoccaggio, si disperdono fino al 40% di azoto e la maggior parte del fosforo, peggiorando notevolmente i suoi parametri qualitativi. Inoltre, viene rilasciato nell'atmosfera gas metano, che ha un impatto negativo sulla situazione ambientale del pianeta.

Le biotecnologie moderne consentono non solo di neutralizzare l'impatto dannoso del metano sull'ambiente, ma anche di farlo servire a beneficio dell'uomo, ottenendo nel contempo un notevole vantaggio economico. Come risultato della lavorazione del letame si produce biogas, dal quale si possono poi ottenere migliaia di kWh di energia, mentre i rifiuti di produzione costituiscono un fertilizzante anaerobico molto prezioso.

Meccanismo di formazione del gas da materia organica

Il biogas è una sostanza volatile, incolore e inodore, che contiene fino al 70% di metano. Per le sue caratteristiche qualitative si avvicina al combustibile tradizionale – il gas naturale. Ha un buon potere calorifico: 1 m³ di biogas produce tanto calore quanto quello ottenuto dalla combustione di un chilo e mezzo di carbone.

La formazione del biogas è dovuta ai batteri anaerobici, che lavorano attivamente alla decomposizione della materia organica, come letame di animali da allevamento, pollina e rifiuti di qualsiasi pianta.

Nella produzione autonoma di biogas possono essere utilizzati la pollina e i prodotti di scarto di piccoli e grandi animali domestici. La materia prima può essere utilizzata pura o in miscela con erba, foglie e carta vecchia.

Per attivare il processo è necessario creare condizioni favorevoli per la vita dei batteri. Devono essere simili a quelle in cui i microrganismi si sviluppano nel serbatoio naturale – nello stomaco degli animali, dove c'è calore e assenza di ossigeno.

In sostanza, queste sono le due condizioni principali che favoriscono la miracolosa trasformazione della massa di letame in decomposizione in combustibile ecologico e fertilizzanti preziosi.

Per ottenere biogas serve un reattore ermetico senza accesso d'aria, dove avviene il processo di fermentazione del letame e la sua decomposizione in componenti:

• metano (fino al 70%);
• anidride carbonica (circa il 30%);
• altre sostanze gassose (1-2%).

I gas prodotti salgono verso l'alto del contenitore, da dove vengono poi aspirati, mentre sul fondo si deposita il prodotto residuo – un fertilizzante organico di alta qualità, che conserva dopo il trattamento tutte le sostanze preziose presenti nel letame – azoto e fosforo – e che ha perso una parte significativa di microrganismi patogeni.

Il reattore per la produzione di biogas deve avere una struttura completamente ermetica, priva di ossigeno, altrimenti il processo di decomposizione del letame avverrà molto lentamente.

La seconda condizione importante per un'efficace decomposizione del letame e formazione di biogas è il rispetto del regime di temperatura. I batteri che partecipano al processo si attivano a temperature a partire da +30 gradi.

Inoltre, nel letame sono contenuti due tipi di batteri:

• mesofili. La loro attività vitale avviene a temperature tra +30 e +40 gradi;
• termofili. Per la loro riproduzione è necessario mantenere una temperatura di +50 (+60) gradi.

Il tempo di lavorazione della materia prima negli impianti di primo tipo dipende dalla composizione della miscela e va da 12 a 30 giorni. Inoltre, 1 litro di volume utile del reattore produce 2 litri di biocarburante. Utilizzando impianti di secondo tipo, il tempo di produzione del prodotto finale si riduce a tre giorni e la quantità di biogas aumenta a 4,5 litri.

L'efficienza degli impianti termofili è visibile a occhio nudo, ma anche il costo della loro manutenzione è molto alto, quindi prima di scegliere un metodo per la produzione di biogas, è necessario calcolare tutto con molta attenzione.

Nonostante l'efficienza degli impianti termofili sia decine di volte superiore, vengono utilizzati molto meno spesso, poiché il mantenimento di alte temperature nel reattore comporta grandi costi.

La manutenzione e la gestione degli impianti di tipo mesofilo sono più economiche, quindi la maggior parte delle aziende agricole li utilizza per la produzione di biogas.

Il biogas, in termini di potenziale energetico, è leggermente inferiore al combustibile gassoso convenzionale. Tuttavia, nella sua composizione sono presenti vapori di acido solforico, la cui presenza deve essere considerata nella scelta dei materiali per la costruzione dell'impianto.

Calcoli di efficienza nell'uso del biogas

Semplici calcoli aiuteranno a valutare tutti i vantaggi dell'uso del biocarburante alternativo. Una mucca di 500 kg produce circa 35-40 kg di letame al giorno. Questa quantità è sufficiente per ottenere circa 1.5 m³ di biogas, dal quale a sua volta si possono produrre 3 kWh di elettricità.

Utilizzando i dati della tabella, è facile calcolare quanti m³ di biogas si possono ottenere in base al numero di capi di bestiame presenti nell'azienda agricola.

Per ottenere biocarburante si può utilizzare sia un singolo tipo di materia prima organica, sia miscele di più componenti con umidità dell'85-90%. È importante che non contengano impurità chimiche estranee che influenzano negativamente il processo di lavorazione.

La ricetta più semplice per la miscela è stata inventata nel 2000 da un contadino russo della regione di Lipetsk, che ha costruito con le proprie mani un impianto molto semplice per la produzione di biogas. Mescolava 1500 kg di letame bovino con 3500 kg di scarti vegetali, aggiungeva acqua (circa il 65% del peso di tutti gli ingredienti) e riscaldava la miscela a 35 gradi.

Dopo due settimane, il combustibile gratuito era pronto. Questo piccolo impianto produceva 40 m³ di gas al giorno, sufficienti per riscaldare una casa e gli edifici agricoli per sei mesi.

Varietà di impianti per la produzione di biocarburante

Dopo aver effettuato i calcoli, è necessario decidere come realizzare l'impianto per ottenere biogas in base alle esigenze della propria azienda. Se il bestiame è limitato, sarà adatta la soluzione più semplice, che può essere facilmente costruita con materiali di fortuna.

Per le grandi aziende agricole che dispongono di una fonte costante di grandi quantità di materia prima, è opportuno realizzare un sistema biogas industriale automatizzato. In questo caso, difficilmente si potrà fare a meno dell'intervento di specialisti che elaboreranno il progetto e installeranno l'impianto a livello professionale.

Lo schema mostra chiaramente come funzioni un complesso industriale automatizzato per la produzione di biogas. La costruzione di tali dimensioni può essere organizzata da più aziende agricole situate nelle vicinanze.

Oggi esistono decine di aziende che possono offrire molteplici opzioni: dalle soluzioni già pronte allo sviluppo di un progetto personalizzato. Per ridurre i costi di costruzione, è possibile collaborare con le aziende vicine (se presenti nelle vicinanze) e realizzare un unico impianto per la produzione di biogas.

È necessario tenere presente che per la costruzione anche di un piccolo impianto occorre ottenere i documenti necessari, realizzare lo schema tecnologico, il piano di disposizione delle attrezzature e della ventilazione (se l'apparecchiatura è installata all'interno), e seguire le procedure di approvazione con l'ASL, i vigili del fuoco e l'ispezione del gas.

Un mini-impianto per la produzione di gas per soddisfare le esigenze di una piccola azienda privata può essere realizzato autonomamente, facendo riferimento alla struttura e alle specifiche degli impianti prodotti su scala industriale.

Le strutture degli impianti per la trasformazione di letame e materiale organico vegetale in biogas non sono complesse. L'originale prodotto dall'industria può essere utilizzato come modello per realizzare il proprio mini-impianto.

Per gli artigiani autonomi che decidono di realizzare il proprio impianto, è necessario procurarsi un serbatoio per l'acqua, tubi in plastica per l'acqua o le fognature, raccordi angolari, guarnizioni e una bombola per lo stoccaggio del gas prodotto nell'impianto.

Caratteristiche del sistema a biogas

Un impianto di biogas completo è un sistema complesso costituito da:

1. Un bioreattore dove avviene il processo di decomposizione del letame;
2. Un sistema automatizzato di alimentazione dei rifiuti organici;
3. Un dispositivo per la miscelazione della biomassa;
4. Apparecchiature per il mantenimento della temperatura ottimale;
5. Un gasometro – serbatoio per lo stoccaggio del gas;
6. Un ricevitore per i rifiuti solidi esausti.

Tutti gli elementi sopra elencati sono installati in impianti industriali che funzionano in modalità automatica. I reattori domestici, di solito, hanno una struttura più semplificata.

Lo schema mostra i componenti principali di un sistema a biogas automatizzato. Il volume del reattore dipende dall'apporto giornaliero di materia prima organica. Per il corretto funzionamento dell'impianto, il reattore deve essere riempito per due terzi del volume.

Principio di funzionamento dell'impianto

L'elemento principale del sistema è il bioreattore. Esistono diverse varianti costruttive; l'importante è garantire la tenuta della struttura ed evitare l'ingresso di ossigeno. Può essere realizzato sotto forma di un recipiente metallico di varie forme (solitamente cilindrico), posizionato in superficie. Spesso a questo scopo vengono utilizzate cisterne di carburante vuote da 50 metri cubi.

Si possono acquistare serbatoi pronti con struttura smontabile. Il loro vantaggio è la possibilità di smontaggio rapido e, se necessario, il trasporto in un altro luogo. È opportuno utilizzare impianti di superficie industriali nelle grandi aziende agricole dove c'è un apporto costante di grandi quantità di materia prima organica.

Per piccole fattorie è più adatta la soluzione di posizionamento interrato del serbatoio. Il bunker interrato è costruito in mattoni o cemento. È possibile interrare contenitori già pronti, ad esempio fusti in metallo, acciaio inossidabile o PVC. È anche possibile la loro collocazione in superficie all'aperto o in un apposito locale ben ventilato.

Per realizzare un impianto di produzione di biogas è possibile acquistare serbatoi già pronti in PVC e installarli in un locale dotato di sistema di ventilazione

Indipendentemente da dove e come viene posizionato il reattore, esso è dotato di una tramoggia per il caricamento del letame. Prima di caricare la materia prima, essa deve subire una preparazione preliminare: viene triturata in frazioni non superiori a 0,7 mm e diluita con acqua. Idealmente, l'umidità del substrato dovrebbe essere circa del 90%.

Gli impianti automatizzati di tipo industriale sono dotati di un sistema di alimentazione della materia prima che comprende un ricevitore in cui la miscela viene portata al livello di umidità necessario, una tubazione per l'alimentazione dell'acqua e una pompa per il trasferimento della massa nel bioreattore.

Negli impianti domestici per la preparazione del substrato vengono utilizzati contenitori separati, dove i rifiuti vengono triturati e mescolati con acqua. Successivamente la massa viene caricata nel vano di ricezione. Nei reattori interrati, la tramoggia per la ricezione del substrato è portata all'esterno; la miscela preparata fluisce per gravità attraverso la tubazione nella camera di fermentazione.

Se il reattore è posizionato a terra o in un locale, il tubo di ingresso con il dispositivo di ricezione può essere situato nella parte laterale inferiore del contenitore. È anche possibile portare il tubo nella parte superiore e applicare un imbuto sul suo collo. In questo caso la biomassa dovrà essere alimentata tramite una pompa.

Nel bioreattore è inoltre necessario prevedere un'uscita, che viene realizzata praticamente sul fondo del contenitore, sul lato opposto rispetto alla tramoggia di ingresso. In caso di posizionamento interrato, il tubo di uscita viene installato obliquamente verso l'alto e conduce a un ricevitore per i rifiuti, di forma simile a una scatola rettangolare. Il suo bordo superiore deve trovarsi al di sotto del livello dell'apertura di ingresso.

I tubi di ingresso e di uscita sono disposti obliquamente verso l'alto su lati diversi del contenitore, mentre il contenitore di compensazione, in cui confluiscono i rifiuti, deve essere al di sotto della tramoggia di ricezione

Il processo si svolge come segue: la tramoggia di ingresso riceve un nuovo lotto di substrato, che scorre nel reattore; contemporaneamente, la stessa quantità di massa esausta viene sollevata attraverso il tubo nel ricevitore per i rifiuti, da dove viene successivamente prelevata e utilizzata come biofertilizzante di alta qualità.

Lo stoccaggio del biogas avviene in un gasometro. Il più delle volte si trova direttamente sul tetto del reattore e ha forma di cupola o cono. È realizzato in lamiera per coperture e, per prevenire processi di corrosione, viene verniciato con diversi strati di pittura ad olio.

Negli impianti industriali, progettati per la produzione di grandi quantità di gas, il gasometro è spesso realizzato come serbatoio indipendente, collegato al reattore tramite una tubazione.

Il gas ottenuto dalla fermentazione non è adatto all’uso, poiché contiene una grande quantità di vapore acqueo e in questa forma non brucia. Per pulirlo dalle frazioni d’acqua, il gas viene fatto passare attraverso un sifone idraulico. A questo scopo, dal gasometro viene condotta una tubazione attraverso la quale il biogas entra in un serbatoio d’acqua, e da lì viene inviato ai consumatori tramite un tubo di plastica o metallo.

Schema di un impianto interrato. Le aperture di ingresso e uscita devono essere posizionate sui lati opposti del serbatoio. Sopra il reattore si trova un sifone idraulico, attraverso il quale viene fatto passare il gas ottenuto per l'essiccazione.

In alcuni casi, per lo stoccaggio del gas vengono utilizzati speciali sacchetti gasometro in cloruro di polivinile. I sacchetti vengono posizionati accanto all'impianto e si riempiono gradualmente di gas. Man mano che si riempiono, il materiale elastico si gonfia e il volume dei sacchetti aumenta, consentendo, se necessario, di conservare temporaneamente una maggiore quantità del prodotto finale.

Condizioni per un funzionamento efficiente del bioreattore

Per un funzionamento efficiente dell'impianto e un'intensa produzione di biogas, è necessaria una fermentazione uniforme del substrato organico. La miscela deve essere in costante movimento. In caso contrario, si forma una crosta, il processo di decomposizione rallenta e, di conseguenza, si ottiene meno gas rispetto a quanto inizialmente previsto.

Per garantire un mescolamento attivo della biomassa, nella parte superiore o laterale di un reattore standard vengono installati agitatori di tipo sommergibile o inclinato, dotati di azionamento elettrico. Negli impianti artigianali, il mescolamento viene effettuato meccanicamente tramite un dispositivo simile a un frullatore domestico. Può essere azionato manualmente o dotato di azionamento elettrico.

In caso di disposizione verticale del reattore, il manico dell'agitatore viene portato nella parte superiore dell'impianto. Se il serbatoio è installato orizzontalmente, la coclea è anch'essa disposta sul piano orizzontale e la maniglia si trova sul lato del bioreattore.

Una delle condizioni più importanti per ottenere biogas è il mantenimento del regime termico necessario nel reattore. Il riscaldamento può essere effettuato in diversi modi. Negli impianti fissi si utilizzano sistemi di riscaldamento automatizzati che si attivano quando la temperatura scende al di sotto del livello impostato e si disattivano quando viene raggiunto il regime termico necessario.

Per il riscaldamento si possono utilizzare caldaie a gas, effettuare il riscaldamento diretto con apparecchi elettrici o incorporare un elemento riscaldante nella base del serbatoio.

Per ridurre le perdite di calore, si consiglia di costruire un piccolo telaio con uno strato di lana di vetro attorno al reattore o di coprire l'impianto con isolamento termico. Buone proprietà di isolamento termico sono possedute dal polistirene espanso e dalle sue altre varietà.

Per allestire il sistema di riscaldamento della biomassa, è possibile realizzare una tubatura dal riscaldamento domestico, che viene alimentato dal reattore.

Determinazione del volume necessario

Il volume del reattore è determinato in base alla quantità giornaliera di letame prodotto nell'azienda. È necessario anche considerare il tipo di materia prima, il regime termico e il tempo di fermentazione. Affinché l'impianto funzioni correttamente, il contenitore viene riempito all'85-90% del volume, almeno il 10% deve rimanere libero per l'uscita del gas.

Il processo di decomposizione della materia organica in un impianto mesofilo a una temperatura media di 35 gradi dura da 12 giorni, dopodiché i residui fermentati vengono rimossi e il reattore viene riempito con una nuova porzione di substrato. Poiché prima di essere immessi nel reattore i rifiuti vengono diluiti con acqua fino al 90%, anche la quantità di liquido deve essere considerata nel determinare il carico giornaliero.

Sulla base dei dati forniti, il volume del reattore sarà uguale alla quantità giornaliera di substrato preparato (letame con acqua) moltiplicato per 12 (il tempo necessario per la decomposizione della biomassa) e aumentato del 10% (volume libero del contenitore).

Costruzione di una struttura interrata

Ora parliamo dell'impianto più semplice che permette di ottenere biogas in casa al minimo costo. Consideriamo la costruzione di un sistema interrato. Per realizzarlo, bisogna scavare una fossa; la sua base e le pareti vengono gettate in calcestruzzo di argilla espansa armato.

Sui lati opposti della camera vengono realizzate le aperture di ingresso e di uscita, dove vengono montati tubi inclinati per l'alimentazione del substrato e il pompaggio della massa esausta.

Il tubo di uscita con un diametro di circa 7 cm deve trovarsi quasi sul fondo del bunker, l'altra sua estremità viene montata in un contenitore di compensazione di forma rettangolare, in cui verranno pompati i rifiuti. La tubazione per l'alimentazione del substrato si trova a circa 50 cm dal fondo e ha un diametro di 25-35 cm. La parte superiore del tubo entra nel compartimento per la ricezione della materia prima.

Il reattore deve essere completamente ermetico. Per evitare l'ingresso di aria, il contenitore deve essere rivestito con uno strato di impermeabilizzazione bituminosa.

La parte superiore della tramoggia è un gasometro a forma di cupola o conica. È realizzato in lamiere metalliche o lamiera per tetti. Si può anche completare la struttura con una muratura in mattoni, che viene poi rivestita con rete metallica e intonacata. Sopra il gasometro è necessario realizzare un portello ermetico, far passare un tubo del gas attraverso un sifone idraulico e installare una valvola di sfiato della pressione del gas.

Per mescolare il substrato, è possibile dotare l'impianto di un sistema di drenaggio che funzioni secondo il principio del gorgogliamento. A tale scopo, all'interno della struttura, fissare verticalmente dei tubi di plastica in modo che il loro bordo superiore sia al di sopra dello strato di substrato. Praticare numerosi fori. Il gas sotto pressione scenderà verso il basso e, risalendo, le bolle di gas mescoleranno la biomassa contenuta nel contenitore.

Se non si desidera costruire una tramoggia in cemento, è possibile acquistare un contenitore prefabbricato in PVC. Per conservare il calore, è necessario rivestirlo con uno strato di isolamento termico – polistirene espanso. Il fondo della fossa viene colato con cemento armato in uno strato di 10 cm. I serbatoi in PVC possono essere utilizzati se il volume del reattore non supera i 3 m³.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Come realizzare l'impianto più semplice da un normale barile, lo scoprirete guardando il video:

Come avviene la costruzione di un reattore sotterraneo, potete vederlo nel video:

Come avviene il caricamento del letame in un impianto sotterraneo è mostrato nel seguente video:

Un impianto per la produzione di biogas dal letame consentirà di risparmiare notevolmente sulle spese per il riscaldamento e l'elettricità, e di destinare a buon uso il materiale organico che abbonda in ogni azienda agricola. Prima di iniziare la costruzione, è necessario calcolare e preparare tutto attentamente.

Il reattore più semplice può essere realizzato in pochi giorni con le proprie mani, utilizzando materiali a portata di mano. Se l'azienda è grande, è meglio acquistare un impianto già pronto o rivolgersi a specialisti.

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