Nel panorama delle energie rinnovabili il biogas rappresenta una soluzione potente, sostenibile e indipendente dai fattori climatici (radiazione solare e vento). In Italia circa tre quarti della produzione complessiva nazionale di energia elettrica da biogas è fornita da quattro regioni: Lombardia, Veneto, Emilia-Romagna e Piemonte. In Italia sono presenti circa 2.400 impianti produttivi di biogas (per la precisione 95% biogas e 5% biometano) di cui l’80% circa in ambito agricolo. In questo articolo analizzeremo le caratteristiche tecnico-economiche degli impianti di produzione di biogas. Nel prossimo articolo, invece, esamineremo come l’integrazione delle tecnologie digitali con tali impianti possa incrementare significativamente produttività ed efficienza. Grazie all’uso di sensori IoT per la raccolta dei dati, gli algoritmi di AI ed ML, l’automazione e le dashboard di controllo, gli operatori possono ottimizzare le performance, ridurre i tempi di inattività e massimizzare la produzione di energia, gettando le basi per un futuro energetico più intelligente e sostenibile.
Cos’è il biogas
Il biogas è il risultato della digestione anaerobica della materia organica ad opera di microrganismi. Questo gas rappresenta una fonte di energia rinnovabile versatile, utilizzabile per il riscaldamento, la generazione di elettricità e la produzione di carburanti. Può essere integrato in sistemi originariamente progettati per il gas naturale, come quelli a combustione diretta per il riscaldamento, la cottura, il riscaldamento dell’acqua o l’alimentazione di turbine a gas. Inoltre, trova applicazione negli impianti di cogenerazione, dove consente la produzione combinata di calore ed elettricità con alta efficienza.
Il biogas può essere ulteriormente purificato e convertito in biometano, una forma raffinata che può alimentare motori a combustione interna per autotrazione, celle a combustibile a metano o essere immesso nelle reti di distribuzione del gas naturale.
Un ulteriore vantaggio del processo di produzione del biogas è il digestato, un sottoprodotto ricco di nutrienti che può essere impiegato come fertilizzante naturale, favorendo un’agricoltura sostenibile e chiudendo il ciclo dei nutrienti.
Che cos’è un impianto di produzione di biogas
Un impianto di produzione di biogas è una struttura che, in condizioni anaerobiche, trasforma i rifiuti organici in biogas. Attraverso la digestione anaerobica, i microrganismi decompongono la materia organica in assenza di ossigeno, producendo principalmente metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂).
I principali fattori chimico-fisici che influenzano la formazione del biogas sono la temperatura, il pH, le percentuali di carbonio e azoto, il contenuto di materia organica solida (le particelle di origine biologica, come resti vegetali, alimentari o fanghi, che non si dissolvono in acqua), l’acqua, il tempo di ritenzione (il periodo di permanenza del materiale organico nel digestore per consentire la digestione anaerobica completa) e il carico organico volumetrico (la quantità di materia organica introdotta ogni giorno in un metro cubo di volume utile del digestore anaerobico).
Le materie prime principali sono costituite da letame, residui agricoli, fanghi di depurazione e scarti alimentari. La digestione anaerobica avviene in un digestore sigillato, dove i batteri anaerobici decompongono la materia organica. Il biogas upgrading è un processo di purificazione del biogas grezzo prodotto dal digestore anaerobico, in biometano ad alta purezza. Questo processo rimuove le impurità e i gas indesiderati presenti nel biogas grezzo (anidride carbonica (CO₂), idrogeno solforato (H₂S), umidità e particolato, altri gas minori). Il biogas può essere trasformato in biometano, equivalente al gas naturale, o utilizzato direttamente. Gli impianti a biogas catturano il metano che altrimenti verrebbe rilasciato nell’atmosfera, riducendo le emissioni di gas serra.
Materie prime per la produzione di biogas
Gli scarti alimentari sono ampiamente utilizzati negli impianti di produzione di biogas, soprattutto quelli derivanti dai rifiuti urbani. Secondo l’UNEP, ogni anno vengono scartati circa 74 kg di cibo per persona. Un chilogrammo di solidi volatili può produrre fino a 0,6 m³ di metano e con 1.000 tonnellate di rifiuti alimentari al giorno si può produrre metano sufficiente per alimentare 800-1.400 abitazioni.
Per solidi volatili si intendono le frazioni di materia organica presenti in un materiale che possono essere decomposte o trasformate in gas tramite processi biologici, come la digestione anaerobica, o chimici, come la combustione. Sono chiamati “volatili” perché, sottoposti a riscaldamento in assenza di ossigeno (ad esempio a circa 550°C in laboratorio), si volatilizzano o vengono convertiti in gas.
I solidi volatili rappresentano quindi la parte biodegradabile del materiale e sono un indicatore fondamentale per valutare il potenziale produttivo di biogas in un digestore anaerobico. Nel caso del letame, i solidi volatili comprendono residui di piante, cellule batteriche, grassi, proteine e carboidrati. Nel caso dei rifiuti alimentari, includono oli, zuccheri e amidi. Misurare i solidi volatili aiuta a stimare la quantità di materiale organico che può essere trasformata in biogas.
Passando agli scarti da allevamento di animali da reddito, una mucca da latte di 500 kg produce in media 40 kg di letame al giorno. Un chilogrammo di solidi volatili del letame bovino genera 0,2-0,3 m³ di metano.
Nell’ambito dei residui agricoli, la paglia e gli steli di mais hanno rese di metano moderate (0,15-0,3 m³ per kg di solidi volatili) e spesso richiedono pretrattamenti per aumentare la resa.
I fanghi di depurazione, i rifiuti solidi urbani e le frazioni organiche dei rifiuti municipali producono 0,2-0,4 m³ di metano per kg di solidi volatili.
Nell’ambito degli scarti industriali, settori come l’industria alimentare, lattiero-casearia e farmaceutica forniscono materia organica ideale per la produzione di biogas.
In questo articolo non si prende in considerazione la scelta di dedicare terreni agricoli appositamente alla coltivazione di biomasse per impianti di produzione di biogas.
Perché i rifiuti organici sono una risorsa sostenibile
La produzione di rifiuti organici cresce con l’aumento della popolazione e dello sviluppo economico. Adottare un’economia circolare e puntare a emissioni nette zero sono approcci cruciali per la sicurezza energetica e la gestione sostenibile dei rifiuti. In Europa, gli impianti di biometano installati hanno una capacità di 6,4 miliardi di metri cubi all’anno, contribuendo a ridurre l’emissione di CO₂ di circa 29 milioni di tonnellate rispetto all’uso di combustibili fossili. Inoltre, producono 830.000 tonnellate di fertilizzante organico all’anno (Fonte: Report EBA – European Biogas Association, 2023).
I vantaggi del biogas
Il biogas diminuisce le emissioni di gas serra e la dipendenza dai combustibili fossili, con una riduzione del 91% delle emissioni rispetto alla benzina.
La digestione anaerobica neutralizza germi e parassiti, migliorando la qualità delle acque.
Il digestato, sottoprodotto della digestione anaerobica, è un fertilizzante ricco di nutrienti.
Costo di un impianto di produzione di biogas
Il costo di un impianto di produzione di biogas può variare notevolmente in base a diversi fattori, tra cui la dimensione dell’impianto, la tipologia di materia prima da trattare, la complessità delle tecnologie impiegate (come sistemi di monitoraggio digitali o di automazione) e la localizzazione.
Tuttavia, è possibile fornire delle stime per un impianto di piccole dimensioni (fino a 500 kW):
- costo di costruzione: 500 k€ – 1.500 K€
- costo di costruzione per kW di capacità: 1 k€ – 3 k€/kW
- costo di gestione annuo: 50 k€ – 100 k€
I costi di gestione annui sono:
- la manutenzione e la gestione operativa pesano per circa il 2-5% all’anno del costo iniziale dell’impianto
- il costo energetico per il trasporto e il trattamento dei materiali dipende dalla disponibilità locale e dalla logistica di raccolta
I principali fattori che influenzano il costo sono:
- se l’impianto prevede la purificazione del biogas per produrre biometano, i costi possono aumentare significativamente
- gli impianti digitali che utilizzano tecnologie avanzate per il monitoraggio e la gestione in tempo reale (sensori, intelligenza artificiale, automazione) possono avere un sovrapprezzo iniziale, ma portano risparmi operativi significativi
In genere, un impianto di produzione di biogas ha un tempo di ritorno dell’investimento (periodo di payback) di 5-10 anni, ma questo può variare a seconda dei costi di gestione, dei ricavi dalla produzione di energia (vendita di energia elettrica o di biometano) e degli incentivi governativi.
L’Italia e l’Europa offrono diverse sovvenzioni e incentivi fiscali per sostenere lo sviluppo di impianti di biogas, riducendo così il costo iniziale dell’investimento. Per l’Italia: Conto Energia per il biogas (CVE), Incentivi per la produzione di biometano (Certificati Verdi), Fondo Nazionale per la Transizione Energetica, etc. Per l’Europa: Programma Horizon Europe, Fondo per l’Innovazione (Innovation Fund), Next Generation EU, Politica agricola comune (PAC), etc. Anche le autorità locali e le agenzie di sviluppo offrono incentivi regionali per la creazione di impianti di biogas.