Come si è detto il biogas (termine inventato da Ram Bux Singh) è costituito da una miscela al 57 – 70% di Metano (CH4), 27 – 45% di Anidride Carbonica (CO2) e da impurità di cui 0,1% di Acido Solfidrico (H2S), 0,5 – 3,5% di Azoto (N2), 1 – 10% di Idrogeno (H2) e lo 0,1% di Ossigeno (O2). Tra queste impurità l’Acido Solfidrico (che è responsabile dello sgradevole puzzo di uova marce delle fogne), derivante dai solfati originariamente presenti nei liquami, è quello che va rimosso. Una presenza di Ossigeno superiore allo 0,1% indica la presenza di perdite nell’impianto.
Il potere calorifico inferiore è di circa 5000 – 5600 kcal/Nm3 (circa 20.000 kJ/m3)e può essere aumentato con la rimozione della CO2, nel qual caso il potere calorifico si avvicina a quello del gas naturale (37.300 kJ/m3). Il biogas può essere liquefatto e compresso come un qualsiasi CNG (Compressed Natural Gas). Nell’utilizzo del biogas bisogna stare attenti che non si formino miscele esplosive di biogas e aria al 6 – 14%.
La quantità di biogas prodotta dipende dalla potenzialità dell’impianto e dalla natura chimica dell’alimentazione (sostanze in entrata).
Un impianto di biogas viene alimentato da vari tipi di liquami. I principali sono le deiezioni animali e umane. Non tutto quello che entra nel digestore è digeribile dai batteri e la digeribilità dell’alimentazione viene misurata da vari fattori come l’Umidità, i Solidi Totali, i Prodotti Volatili Totali, le Ceneri.
Ad esempio gli escrementi di pollo forniscono la seguente composizione percentuale di escrementi:
Composizione percentuale degli escrementi di pollo
Ed ecco una tavola comparativa delle caratteristiche e della composizione delle deiezioni di alcuni tipi di animali.
Caratteristiche delle deiezioni di alcuni tipi di animali
Ovviamente i valori degli escrementi prodotti da animali medi in kilogrammi giorno, se messi in paragone tra di loro vengono rapportati al capo convenzionale, il che permette di sapere quanta è la quantità di materia organica digeribile in animali differenti dal momento che è ovvio che l’escremento di una gallina è notevolmente più piccolo in dimensioni dell’escremento di una mucca o di un cavallo. Utilizzando il parametro del capo convenzionale, se si utilizzano anche liquami urbani si usa come unità di misura l’abitante giorno, si trova ad esempio che un cavallo medio produce quanto 4 maiali adulti, 12 ½ pecore e 100 galline.
Il concetto di capo convenzionale permette anche di equiparare la quantità di escrementi da animali tenuti in stalle o gabbie rispetto a quella di animali bradi o semiliberi. E ovvio che la quantità utilizzabile da animali di allevamento è maggiore di quella ottenibile da quelli liberi o semiliberi, non tanto perché questi ultimi non defechino, ma perché la disperdono nell’ambiente e la “raccolta” del liquame è meno efficiente.
Se analizziamo la quantità di biogas prodotta dai differenti capi convenzionali di animali, abbiamo questi dati:
Naturalmente la resa effettiva è in funzione di molti fattori, non ultimo il tipo di alimentazione dell’animale.
Quando si parla di biogas oggi non si pensa solo alle deiezioni zootecniche, ma anche ai rifiuti organici urbani e industriali. Gli impianti di biogas si prestano particolarmente a trattare direttamente reflui particolarmente concentrati come quelli dell’industria alimentare e stabilizzano i fanghi (compresa la carica batterica patogena) senza dispendio energetico a differenza dei fanghi attivi usati nella depurazione delle acque, ad esempio nel trattamento di stabilizzazione dei fanghi di supero degli impianti di depurazione. Il biodigestore consente infatti la diminuzione della carica batterica, del volume dei fanghi e del carico inquinante con la contemporanea produzione di biogas e può essere applicato anche per liquami particolarmente inquinati. Il dato più importante per una efficiente produzione di biogas è di garantire all’impianto una alimentazione continua.
A questo punto ci si potrebbe chiedere se è conveniente o remunerativo utilizzare un impianto di biomasse. La risposta è che cosa si ritiene conveniente o remunerativo.
Negli anni 1979 negli Stati Uniti per esempio il biogas fu inizialmente accolto con molto entusiasmo e furono creati grandi impianti con capacità produttiva in grado di soddisfare consumi di gas per città con 20 – 100 mila abitanti. Ben presto ci si accorse che il biogas non era nato per grandi economie di scala in quanto i costi di raccolta del materiale organico su una vasta area e quello di purificazione del biogas dalla CO2, abbattevano ogni vantaggio economico: il costo del metano da biogas era superiore a quello del metano naturale. Di conseguenza gli impianti vennero chiusi. Dall’analisi dei risultati ci si accorse che la produzione di biogas è interessante se il materiale biologico, che deve essere disponibile con costanza in quantità adeguata, deve esserlo con limitate spese di trasporto. E’ questo un punto cruciale per una industria su vasta scala del biogas. Analogamente se il biogas va immesso in una rete di distribuzione urbana esso va purificato e compresso e questo crea dei costi aggiuntivi.
Queste analisi erano sicuramente valide negli anni Ottanta quando la produzione di gas metano naturale negli USA era maggiore del suo consumo, ma non è più vera oggi dato che anche negli USA la produzione è inferiore del consumo. Infatti la produzione di petrolio degli Stati Uniti sta trovando sempre più difficile soddisfare la crescente domanda. Il numero di persone che consumano gas naturale negli Stati Uniti è aumentato da 47,7 milioni a 64,3 milioni dal 1987 al 2006.
Andamento della produzione e del consumo di metano naturale negli USA
Perciò sulla base delle esperienze degli anni Settanta, nel 1996 l’EPA definì gli USDA digester standards (Standards US per i digestori) che definirono tre tipi di standards. Già nel 2003 gli USA raddoppiarono il numero dei sistemi operativi nel paese e vi sono sempre nuove richieste. La maggior parte degli impianti ha avuto successo grazie all’affidabilità e ai costi reali e certi.
Impianto per la produzione di biogas negli USA (fonte EPA)
Gli impianti oltre ad essere costruiti con standard affidabili non considerano più il metano il prodotto principale, anzi se la produzione di energia fosse il solo scopo allora gli impianti rimarrebbero in perdita. I maggiori ricavi si ottengono oggi dai “fanghi”, ovvero dal digestato, che non solo è un ottimo fertilizzante e rigeneratore dell’humus (gli USA hanno gravi problemi di erosione e desertificazione del terreno fino dai primi del Novecento), ma anche dalla diminuzione dei “gas effetto serra” e dai conseguenti incentivi governativi. Il problema posto dall’aumento incontrollato dei rifiuti solidi urbani e il prezzo da pagare per le discariche ha portato in luce il sistema della digestione anaerobica, oggi molti programmi dell’EPA (United States Environmental Protection Agency) stimolano, soprattutto nelle aree a vocazione agricola, la produzione di biogas e digestato utilizzando rifiuti solidi urbani che andrebbero in discarica.
Composizione dei rifiuti solidi urbani negli USA
Prendiamo ora il caso dei rifiuti organici trattati in India:
Ai dati in tabella vanno aggiunte 980 milioni di tonnellate di deiezioni bovine l’anno con produzione stimata di 63,8 miliardi di m3 di biogas pari a un potere calorifico di 1,3 x 1012 MJ.
Il progetto ideato negli anni Sessanta dal dott Ram Bux Singh in India, da cui poi si sono sviluppati tutti i successivi progetti indù, era diretto soprattutto a mettere a punto un sistema di estrazione di metano come prodotto principale e di un buon humus fertilizzante come sotto prodotto, partendo da letame e altri rifiuti organici. Ovviamente il progetto si indirizzava verso lo studio di impianti tecnologicamente poveri, di basso costo e realizzabili con materiali reperibili anche in comunità isolate.
Nel caso dell’India il biogas viene visto come una potenziale fonte energetica per rimpiazzare l’uso del metano naturale, del petrolio e del carbone/legna. Il petrolio e il metano derivante dal petrolio rappresentano solo il 10%dei combustibili fossili di produzione domestica utilizzati in India (rispettivamente 5% e 5%).Il restante 90% è formato da carbone (85%) e da metano derivante dal carbone (5%). Il carbone,come si è già ricordato, è la sola fonte significativa di energia in India e, non a caso,la maggior parte dell’energia là consumata deriva dal carbone direttamente o indirettamente (il 65% dell’energia idroelettrica utilizzata in India è prodotta da centrali a carbone) (http://www.ispionline.it/it/documents/PB_89_2008.pdf).
Come abbiamo già detto l’uso della legna da ardere o dello sterco per il riscaldamento e la cottura dei cibi è un grave problema in India e non solo. Anche l’accumulo di rifiuti è un problema. Il biogas in India sta diventando una alternativa importante per alzare il livello di vita di larga parte della popolazione. Il governo indù si sta spendendo in campagne di informazione per favorire la installazione di digestori nelle zone rurali.
Pubblicità sul biogas e i suoi impieghi delle organizzazioni statali indù
Esempi di impianti e di utilizzo del biogas in India
Gli impianti sono fatti in modo adattabile alle condizioni e, come si è detto, alle possibilità degli abitanti delle campagne sia in ordine economico che di materiali.
Pubblicità di digestori di biogas per uso domestico
Di fatto gli impianti di biogas sfruttano quello che è il prodotto più diffuso della povertà: l’immondizia. Ricordo ancora un mio viaggio in Brasile e in particolare in Mato Grosso do Sul, presso il confine col Paraguay. Ero ospitata da un gruppo di brasiliani di buona volontà legati alla Pastorale della Terra che si davano da fare per aiutare un gruppo di indios Guarani Kaiowa. In quel momento la situazione era piuttosto tesa perché i Guarani rivendicavano delle terre su cui sorgevano dei loro cimiteri, terre di proprietà di un ricco fazendero. Come ritorsione le guardie armate del fazendero sparavano alle donne guarani che passavano sotto i reticolati di confine per andare a raccogliere legna da ardere nelle terre di proprietà del fazendero. In quel momento una onda fria stava spazzando la zona e la temperatura era intorno agli zero gradi. Alcuni bambini probabilmente non sarebbero arrivati al mattino successivo. Il villaggio era fatto soprattutto di capanne di paglia e l’unica cosa che abbondava erano le immondizie, i liquami e i resti delle pannocchie. Oltre a cedere tutti i vestiti che non ci servivano, io proposi di costruire un impianto di biogas utilizzando le immondizie sul modello di quelli indù. Con mia somma sorpresa quegli stessi cooperatori che erano disposti a rischiare la vita per occupare insieme agli indios le terre, lasciarono cadere il discorso. Io insistetti. Un muro di gomma: “ne parliamo domani”. Poi capii: se gli indigeni miglioravano il loro livello di vita, il gruppo di sostegno non aveva più ragione di essere, non avrebbe più ottenuto le sovvenzioni ecclesiastiche e caritatevoli, non ci sarebbe stata una carriera politica per nessuno di loro sulla base della loro esperienza di cooperanti. INCONSCIAMENTE i caritatevoli rifiutavano di aiutare in modo sostanziale gli oggetti della loro carità. Dell’impianto non se ne fece niente. Eppure guardate questi bellissimi volantini indù:
Volantini indù sulla utilità di un impianto di biogas
Un altro vantaggio del biogas è la riduzione dei gas effetto serra, ma questo sarà oggetto della prossima puntata.
segue
Bibliografia essenziale
Paolo Cella, L’energia alternativa, Longanesi Milano, 1979.
Pasquon I., Zanderighi L., La chimica verde, Hoepli, 1987.
Natoli S., Calatazzolo M., Tecnologie chimiche industriali, Edisco Torino, 1998.
Virendra K. Vijay,*, Ram Chandra, Parchuri M. V. Subbarao and Shyam S. Kapdi, “Biogas Purification and Bottling into CNG Cylinders: Producing Bio-CNG from Biomass for Rural Automotive Applications”, in The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)” 21-23 November 2006, Bangkok, Thailand.ISPI in http://www.ispionline.it/it/documents/
Grafici della produzione e del consume di metano natural negli USA.(http://www.dani2989.com/matiere1/gaznordamerica08it.htm).
Rifiuti e riciclo negli USA (grafico a torta) (http://www.epa.gov/region9/organics/compost/2-pager_final.pdf).
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