Impianto di biogas per una casa privata: raccomandazioni per la realizzazione fai-da-te

Il proprietario accorto sogna risorse energetiche a basso costo, un efficiente smaltimento dei rifiuti e la produzione di fertilizzanti. Un impianto di biogas domestico fai-da-te rappresenta un modo economico per trasformare questo sogno in realtà.

L'assemblaggio autonomo di tale attrezzatura avrà un costo ragionevole, e il gas prodotto sarà un valido aiuto nell'economia domestica: può essere utilizzato per cucinare, riscaldare la casa e altre necessità.

Cerchiamo di comprendere le specificità del funzionamento di questa apparecchiatura, i suoi vantaggi e svantaggi. E anche se è possibile costruire un impianto di biogas in autonomia e se sarà efficiente.

Particolarità della produzione di biogas

Il biogas si forma in seguito alla fermentazione di un substrato biologico. Esso viene decomposto da batteri idrolitici, acidogeni e metanogeni. La miscela di gas prodotta dai batteri risulta combustibile, poiché contiene un'alta percentuale di metano.

Per le sue proprietà, essa non differisce quasi per nulla dal gas naturale utilizzato per esigenze industriali e domestiche.

Se lo desidera, ogni proprietario di casa può acquistare un impianto di biogas di produzione industriale, ma è costoso e gli investimenti si ripagano in 7-10 anni. Quindi ha senso fare uno sforzo e costruire un bioreattore con le proprie mani.

Il biogas è un combustibile ecologico e la tecnologia per la sua produzione non ha un impatto particolare sull'ambiente. Inoltre, come materia prima per il biogas vengono utilizzate le deiezioni animali, che necessitano di smaltimento.

Vengono inseriti nel bioreattore, dove avviene la trasformazione:

• per un certo periodo la biomassa è esposta all'azione dei batteri. Il tempo di fermentazione dipende dal volume della materia prima;
• dall'attività dei batteri anaerobici si libera una miscela di gas combustibili, composta da metano (60%), anidride carbonica (35%) e alcuni altri gas (5%). Inoltre, durante la fermentazione si libera, in piccole quantità, acido solfidrico potenzialmente pericoloso. È tossico, quindi è estremamente sconsigliabile che le persone vi siano esposte;
• la miscela di gas dal bioreattore viene depurata e convogliata nel gasometro, dove viene conservata fino al momento dell'utilizzo previsto;
• il gas dal gasometro può essere utilizzato esattamente come il gas naturale. Viene convogliato agli apparecchi domestici – fornelli a gas, caldaie per il riscaldamento, ecc.;
• la biomassa decomposta deve essere rimossa regolarmente dal fermentatore. Ciò comporta un lavoro supplementare, ma lo sforzo viene ripagato. Dopo la fermentazione, la materia prima si trasforma in un fertilizzante di alta qualità, utilizzato nei campi e negli orti.

L'impianto di biogas è conveniente per il proprietario di una casa privata solo se ha un accesso costante ai rifiuti degli allevamenti. In media, da 1 m³ di substrato si possono ottenere 70-80 m³ di biogas, ma la produzione di gas non è uniforme e dipende da molti fattori, tra cui la temperatura della biomassa. Ciò complica i calcoli.

Gli impianti di biogas sono ideali per le aziende agricole. Le deiezioni animali possono fornire gas sufficiente per riscaldare completamente gli ambienti abitativi e gli edifici agricoli.

Per rendere il processo di produzione del gas stabile e continuo, è preferibile costruire più impianti di biogas e caricare il substrato nei fermentatori a intervalli di tempo diversi. Tali impianti funzionano in parallelo e la materia prima viene caricata in sequenza.

Ciò garantisce una produzione costante di gas, grazie alla quale si può ottenere un flusso ininterrotto verso gli apparecchi domestici.

Idealmente, il bioreattore dovrebbe essere riscaldato. Ogni 10 gradi di calore raddoppia la produzione di gas. Sebbene l'installazione del riscaldamento richieda un investimento, ciò viene ripagato da una maggiore efficienza della struttura.

Fatta in casa attrezzatura per biogas, assemblata con materiali di recupero, costa molto meno degli impianti industriali. La sua efficienza è inferiore, ma è comunque adeguata all'investimento. Se si ha accesso al letame e la volontà di dedicare tempo all'assemblaggio e alla manutenzione del sistema, è molto conveniente.

Vantaggi e svantaggi del sistema

Gli impianti a biogas presentano numerosi vantaggi, ma anche non pochi svantaggi, pertanto prima di avviare la progettazione e la costruzione è opportuno valutare tutto:

• Smaltimento dei rifiuti. Grazie a un impianto a biogas è possibile ottenere il massimo beneficio dai rifiuti, di cui comunque ci si dovrebbe sbarazzare. Questo smaltimento è meno pericoloso per l'ambiente rispetto all'interramento dei rifiuti.
• Rinnovabilità della materia prima. La biomassa non è né carbone né gas naturale, la cui estrazione esaurisce le riserve. Nell'agricoltura, la materia prima è costantemente disponibile.
• Quantità relativamente ridotta di CO2. Durante la produzione del gas l'ambiente non viene inquinato, mentre durante il suo utilizzo viene rilasciata nell'atmosfera una piccola quantità di anidride carbonica. Non è pericolosa e non può alterare in modo critico l'ecologia, poiché viene assorbita dalle piante durante la crescita.
• Emissione moderata di zolfo. Durante la combustione del biogas, una piccola quantità di zolfo viene rilasciata nell'atmosfera. Si tratta di un fenomeno negativo, ma la sua entità si percepisce per confronto: bruciando gas naturale, l'inquinamento ambientale da ossidi di zolfo è molto maggiore.
• Lavoro stabile. La produzione di biogas è più stabile rispetto al funzionamento di pannelli solari o turbine eoliche. Se l'energia solare e quella eolica non possono essere controllate, gli impianti biogas dipendono dall'attività umana.
• È possibile utilizzare più impianti. Il gas comporta sempre dei rischi. Per ridurre i potenziali danni in caso di incidente, è possibile distribuire diversi impianti a biogas sul terreno. Se si progetta e assembla correttamente un sistema composto da più fermentatori, funzionerà in modo più stabile rispetto a un unico grande bioreattore.
• Benefici per l'agricoltura. Per ottenere biomassa vengono coltivate alcune specie vegetali. È possibile sceglierne di quelle che migliorano le condizioni del suolo. Ad esempio, il sorgo riduce l'erosione del suolo e ne migliora la qualità.

Il biogas presenta anche degli svantaggi. Sebbene sia un carburante relativamente pulito, inquina comunque l'atmosfera. Inoltre, possono sorgere problemi con la fornitura di biomassa vegetale.

I proprietari irresponsabili degli impianti spesso la raccolgono in modo tale da impoverire il suolo e alterare l'equilibrio ecologico.

Calcolo della redditività dell'impianto

Come materia prima per la produzione di biogas si utilizza solitamente il letame bovino. Una mucca adulta può produrne abbastanza per fornire 1,5 m³ di combustibile; un maiale – 0,2 m³; una gallina o un coniglio (a seconda del peso corporeo) – 0,01-0,02 m³. Per capire se è tanto o poco, si può confrontare con tipi di risorse più familiari.

1 m³ di biogas fornisce la stessa quantità di energia termica di:

• legna – 3,5 kg;
• carbone – 1-2 kg;
• elettricità – 9-10 kWh.

Se si conosce il peso approssimativo dei rifiuti agricoli che saranno disponibili nei prossimi anni e la quantità di energia necessaria, è possibile calcolare la redditività dell'impianto di biogas.

Uno dei principali svantaggi della produzione di biogas è l'odore. La possibilità di utilizzare piccoli cumuli di compost è un grande vantaggio, ma bisognerà sopportare i disagi e controllare attentamente il processo per non provocare la diffusione di microrganismi patogeni.

Per il caricamento nel bioreattore si prepara un substrato che include diversi componenti nelle seguenti proporzioni:

• letame (preferibilmente bovino o suino) – 1,5 t;
• rifiuti organici (possono essere foglie decomposte o altri componenti di origine vegetale) – 3,5 t;
• acqua riscaldata a 35 gradi (la quantità di acqua calda viene calcolata in modo che la sua massa costituisca il 65-75% del totale della sostanza organica).

Il calcolo del substrato è stato effettuato per una singola carica per sei mesi, considerando un consumo moderato di gas. Dopo circa 10-15 giorni, il processo di fermentazione darà i primi risultati: il gas apparirà in piccole quantità e inizierà a riempire il serbatoio. Dopo 30 giorni si può aspettare una produzione completa di carburante.

L'attrezzatura per la produzione di biogas non è ancora molto diffusa nel nostro paese. Ciò è in gran parte dovuto alla scarsa informazione delle persone sui vantaggi e le caratteristiche di funzionamento dei sistemi a biogas. In Cina e India, molte piccole aziende agricole sono dotate di impianti artigianali per ottenere carburante pulito aggiuntivo.

Se l'impianto funziona correttamente, il volume di biogas aumenterà gradualmente fino a quando il substrato non si decompone. La produttività della struttura dipende direttamente dalla velocità di fermentazione della biomassa, che a sua volta è legata alla temperatura e all'umidità del substrato.

Istruzioni per la costruzione autonoma

Se non si ha esperienza nell'assemblaggio di sistemi complessi, ha senso selezionare online o sviluppare il disegno più semplice di un impianto di biogas per una casa privata.

Più semplice è la struttura, più è affidabile e durevole. In seguito, quando si avranno le competenze per costruire e gestire il sistema, si potrà modificare l'attrezzatura o montare un impianto aggiuntivo.

Nelle costose strutture di produzione industriale sono previsti sistemi di miscelazione della biomassa, riscaldamento automatico, pulizia del gas, ecc. Le apparecchiature domestiche non sono così complesse. È meglio assemblare un impianto semplice e poi aggiungere gli elementi che si riterranno necessari.

Nel calcolare il volume del fermentatore, è opportuno puntare a 5 m³. Un tale impianto consente di ottenere la quantità di gas necessaria per riscaldare una casa privata di 50 m², se si utilizza una caldaia a gas o una stufa come fonte di calore.

Questo è un valore medio, poiché il potere calorifico del biogas di solito non supera le 6000 kcal/m³.

Affinché il processo di fermentazione sia più o meno stabile, è necessario ottenere il corretto regime di temperatura. A tale scopo, il bioreattore viene installato in una fossa nel terreno o si predispone in anticipo un isolamento termico affidabile. Il riscaldamento costante del substrato può essere garantito portando un tubo di riscaldamento ad acqua sotto la base del fermentatore.

La costruzione di un impianto di biogas può essere suddivisa in più fasi.

Fase 1 – preparazione della fossa per il bioreattore

Praticamente l'intero impianto di biogas si trova sottoterra, quindi molto dipende da come è stata scavata e rifinita la fossa. Esistono diverse opzioni per il rinforzo delle pareti e la tenuta stagna della fossa: plastica, cemento, anelli polimerici.

La soluzione ottimale è l’acquisto di anelli polimerici pronti con fondo cieco. Costano più dei materiali di fortuna, ma non richiedono ulteriore sigillatura. I polimeri sono sensibili ai carichi meccanici, ma non temono umidità e sostanze chimicamente aggressive. Non sono riparabili, ma se necessario possono essere facilmente sostituiti.

Dalla preparazione delle pareti e del fondo del bioreattore dipendono l’intensità della fermentazione del substrato e la resa di gas; perciò la fossa viene accuratamente rinforzata, isolata e sigillata. Questa è la fase più complessa e laboriosa.

Fase 2 – allestimento del drenaggio del gas

L'acquisto e l'installazione di miscelatori speciali per impianti biogas sono costosi. È possibile ridurre i costi realizzando un drenaggio del gas. Esso consiste in tubi per fognatura in materiale polimerico installati verticalmente, in cui sono stati praticati molti fori.

Nel calcolare la lunghezza dei tubi di drenaggio, occorre fare riferimento alla profondità di riempimento prevista del bioreattore. Le parti superiori dei tubi devono trovarsi al di sopra di questo livello.

Per il drenaggio del gas si possono scegliere tubi metallici o polimerici. I primi sono più resistenti, i secondi più stabili agli agenti chimici. È meglio preferire i polimeri, poiché il metallo arrugginisce e marcisce rapidamente.

Nel bioreattore pronto si può immediatamente caricare il substrato. Viene coperto con un film affinché il gas prodotto durante la fermentazione si trovi sotto una leggera pressione. Quando la cupola sarà pronta, ciò garantirà una normale erogazione di biometano attraverso il tubo di scarico.

Fase 3 – installazione della cupola e dei tubi

La fase finale dell'assemblaggio di un impianto biogas semplice è l'installazione della parte superiore a cupola. Nel punto più alto della cupola si installa un tubo di scarico del gas e lo si collega al gasometro, senza il quale non si può fare.

Il contenitore del bioreattore viene chiuso con un coperchio ermetico. Per evitare la miscelazione del biometano con l’aria, si allestisce un sifone idraulico. Serve anche per la pulizia del gas. È necessario prevedere una valvola di scarico che si attivi se la pressione nel fermentatore è troppo alta.

Per maggiori dettagli su come produrre biogas dal letame, si veda questo materiale.

Lo spazio libero nel bioreattore svolge in una certa misura la funzione di deposito del gas, ma ciò non è sufficiente per un funzionamento sicuro dell’impianto. Il gas deve essere consumato costantemente, altrimenti potrebbe verificarsi un’esplosione a causa della pressione eccessiva sotto la cupola.

Modalità di riscaldamento del bioreattore

I microrganismi che trasformano il substrato sono sempre presenti nella biomassa, ma per la loro intensa riproduzione è necessaria una temperatura di 38 gradi o superiore.

Per il riscaldamento durante il periodo freddo si può utilizzare una serpentina collegata all'impianto di riscaldamento domestico o degli elettrici. Il primo metodo è più vantaggioso economicamente, perciò viene utilizzato più spesso.

Non è obbligatorio interrare l'impianto a biogas, ci sono altre opzioni di allestimento. Un esempio di funzionamento del sistema, assemblato con fusti, è mostrato nel video qui sotto.

Il modo più semplice è sistemare il riscaldamento dal basso, posando un tubo dall'impianto di riscaldamento, ma l'efficienza di tale scambiatore di calore è relativamente bassa. È meglio predisporre un riscaldamento esterno, idealmente con vapore, per evitare che la biomassa si surriscaldi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Sebbene non ci sia nulla di difficile nell'assemblaggio e nell'allestimento dell'attrezzatura a biogas, bisogna essere estremamente attenti ai dettagli. Gli errori sono inammissibili, poiché possono portare a esplosioni e danni. Le proponiamo dei video tutorial che aiuteranno a comprendere il funzionamento degli impianti, a assemblarli correttamente e ad aggiungere utili accessori per un uso più comodo del biogas.

Nel video viene spiegato com'è strutturato e funziona un impianto a biogas standard:

Esempio di impianto a biogas fai-da-te. Video-lezione sull'allestimento del sistema con le proprie mani:

Video istruzioni per l'assemblaggio di un impianto a biogas da un fusto:

Descrizione del processo di fabbricazione degli agitatori per il substrato:

Descrizione dettagliata del funzionamento di un deposito di gas fatto in casa:

Per quanto semplice sia l'impianto a biogas scelto per una casa privata, non conviene risparmiare su di esso. Se possibile, è meglio acquistare un bioreattore smontabile di produzione industriale.

Altrimenti, realizzarlo con materiali di qualità e resistenti: polimeri, cemento o acciaio inossidabile. Ciò consentirà di creare un sistema di fornitura del gas domestico veramente affidabile e sicuro.

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