Tutto quello che c'è da sapere sul biogas in sintesi - per produttori e investitori

Cos'è il biogas (definizione, spiegazione dei termini)

Il biogas è un gas combustibile, incolore e dall'odore pungente (di uovo marcio) che viene prodotto quando la biomassa di qualsiasi tipo marcisce o fermenta. Sia la putrefazione che la fermentazione sono processi naturali in cui il materiale organico viene decomposto in assenza di aria. La decomposizione avviene in un impianto tecnico per la produzione di biogas: un cosiddetto impianto di biogas.

Il biogas è quindi un combustibile che può essere bruciato per generare calore e/o elettricità. In questo modo, la differenza tra le energie rinnovabili con il biogas da un lato e il sole, l'acqua e il vento dall'altro diventa immediatamente chiara: il biogas deve essere bruciato per rendere utilizzabile l'energia in esso immagazzinata. La combustione in quanto tale non è priva di controversie dal punto di vista ecologico, ma ne parleremo più avanti.

Quali biomasse possono essere trasformate in biogas?

In questi impianti di biogas, diverse materie prime vengono trasformate in biogas. Queste possono essere
- rifiuti organici da un lato
- e materie prime rinnovabili.
Le materie prime sono anche chiamate biomasse. Un termine alternativo è substrati.

Questi includono, ad esempio: Legno, le cosiddette colture energetiche come il mais o l'insilato di mais (insilato dell'intera pianta di mais), la colza o i girasoli, e gli scarti vegetali, ad esempio i cosiddetti rifiuti verdi. Il biogas può essere prodotto anche dai rifiuti organici, che vengono raccolti nei cassonetti in tutto il Paese. Inoltre, anche il letame liquido e lo sterco di mucche, maiali o cavalli sono utilizzati come biomassa per la produzione di biogas.

Quale biomassa è più comunemente utilizzata per la produzione di biogas in Germania?
Secondo
il Comitato tedesco per il mais (Deutsches Maiskomitee e.V., DMK), che fa riferimento ai dati dell'Agenzia per le risorse rinnovabili (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., FNR), tra gli altri, circa il 46% di materie prime rinnovabili (NawaRo), il 49% di letame liquido e sterco, il 3% di rifiuti biologici municipali e il 2% di residui dell'industria, del commercio e dell'agricoltura sono stati utilizzati negli impianti di biogas tedeschi nel 2019.

Il DMK afferma che il mais è la coltura dominante tra le materie prime rinnovabili e che il suo potenziale di resa è ineguagliato da qualsiasi altra pianta in siti favorevoli. Tuttavia, nei siti marginali, cioè ad alta quota e nelle regioni aride, il mais perde la sua eccellenza e l'insilato di cereali integrale (GPS) può quindi portare vantaggi economici rispetto al mais. Nelle regioni erbose, invece, l'insilato di erba sta guadagnando forza competitiva grazie ai bassi prezzi di affitto e ai costi ridotti che ne derivano.

Come viene costruito un impianto di biogas e come funziona?

The biomass is usually collected in a so-called pre-pit (or collecting basin). These have come via various reception points (silos, slurry pits), to which sorting and cleaning systems are attached in some cases. It is important here that there is no mixing of animal excreta (slurry, manure) and biowaste in the preliminary pit.
This could reduce the efficiency of the system and would not comply with the requirements of animal disease and hygiene legislation. In addition, according to legal regulations, possible pathogens must be destroyed before the collected biomass is transported from the pre-pit to the biogas plant.
This is done with heat (thermal pre-treatment) or with pressure (pressure sterilisation).

The preparation of the biomass also varies: it can be shredded, ground, crushed or otherwise comminuted. Shredding is important for the success of the fermentation because it increases the surface area for the bacteria to attack.
Then the biomass is mixed, i.e. homogenised with liquid manure, liquid fermentation residues or process water.
The heart of a biogas plant is its so-called fermentation tank, which is called a fermenter in technical jargon. In so-called mini-biogas plants, such as those used on farms, it is 500 to 1,200 cubic metres in size, circular and has a reinforced concrete foundation. The digester provides a light- and oxygen-free (anaerobic) environment in which countless bacteria biodegrade the substrates. This means that the water contained in the biomass and the organic compounds in it decompose, for example carbohydrates (sugar, starch, hemicellulose, cellulose), proteins, fats and others. Wet and dry fermentation are common methods of operation.

On the one hand
       - fermented residues on the one hand and a gas mixture on the other,
       - and on the other hand a gas mixture: biogas.

Agitators are used, usually with so-called submersible motors, which are immersed in the biomass through the outer wall of the fermenter. The agitator has several tasks to fulfil: It stirs and mixes the biomass slowly and steadily so that the sought-after biogas is optimally released from the mass. At the same time, the agitator distributes the heat. This is because a uniform temperature of around 40 degrees Celsius (°C) is one of the best working conditions for the bacteria involved.

Important to know: A biogas plant itself generates heat during fermentation. However, this is usually not enough, especially when it is cold outside. Therefore, a very good insulation of the plant is just as recommendable as the use of the heat of a downstream combined heat and power plant (in short: CHP) as process heat in order to increase the efficiency of the plant.
A distinction is made between single-stage and two-stage biogas plants. The latter ferment the biomass in two stages, first in the fermentation stage, then in the secondary fermentation stage. The duration of the fermentation process (retention time) is usually prescribed by law; 100 days is a proven period of time for the fermentation process to be completely finished.

The biogas is stored until it is used again, either internally, i.e. directly in the gas storage tank, or externally. The internal gas storage tank is located in the bonnet of the fermenter. Its storage volume should be at least a quarter of the daily production, so that fluctuations in gas production can be easily compensated. In addition, the storage tank must be able to compensate for pressure changes inside. So-called low-pressure storage tanks with an overpressure range of no more than 30 mbar have proved their worth. These are gas-tight foil bonnets that are supplemented with a second foil as weather protection above the actual sealing foil. The upper film is a so-called supporting air roof, where air is blown into the intermediate space by means of a blower to keep the upper film in position.

Regarding the digestate, you need to know that - depending on the biomass used - it is rich in humus-forming substances and nutrients, including easily plant-available nitrogen, phosphorus, potassium, sulphur and trace elements. Uncontaminated digestate can be used in agriculture as a high-quality organic fertiliser and can largely replace or supplement mineral fertilisers. The fermentation residues are stored in the fermentation residue storage of the biogas plant until their final use. They must be covered gas-tight to prevent the emission of methane, also known as greenhouse gas, which is the main component of raw biogas (see next question).

Depending on the condition of the fermentation residues, they are then brought to the fields in slurry barrels (liquid) or with manure spreaders (solid). It is also possible to dry the fermentation residues using the heat that is released during biogas production. If the digestate, in whatever form, is spread within a farm, the return of the digestate to the farm is an important part of the process.

Di cosa è fatto il biogas?

La composizione del biogas dipende dalla biomassa trattata. Inizialmente, cioè prima dell'upgrading del biogas, il biogas risultante, chiamato anche biogas grezzo, contiene
- Metano (CH4)
- e anidride carbonica (CO2)
- Spesso, Azoto (N2)
- Ossigeno (O2),
-
- idrogeno (H2)
- e ammoniaca (NH3)

Il metano è considerato prezioso nel biogas saturo d'acqua e la sua quota può raggiungere il 65%. Più alta è la percentuale, più il biogas è ricco di energia. Il vapore acqueo, invece, non è utilizzabile. I fattori di interferenza nel biogas grezzo sono, in particolare, l'idrogeno solforato e l'ammoniaca. Pertanto, l'upgrading del biogas avviene prima che il biogas grezzo venga bruciato.
I due composti vengono rimossi in modo specifico in un impianto di upgrading del biogas (BGA).

Il risultato: le persone sono meno a rischio. Il disturbo degli odori è ridotto. Si evita la corrosione di motori, turbine e componenti a valle (compresi gli scambiatori di calore). Anche la CO2 (fino al 50%) presente nel biogas grezzo è fastidiosa. Per questo motivo, in alcune applicazioni viene separato e riciclato.

Per cosa può essere utilizzato il biogas?

Il biogas può essere
- Il biogas può essere purificato e raffinato in un impianto di upgrading del biogas in modo da raggiungere la qualità di gas naturale e può quindi essere immesso in una cosiddetta stazione di rifornimento di gas naturale o nella rete del gas naturale. Il gas naturale è (ancora) un importante combustibile fossile per l'industria in Germania: più di un terzo del gas naturale utilizzato ogni anno in questo Paese viene consumato nel settore, soprattutto per la generazione di calore.
Questo perché diversi processi produttivi dipendono dal cosiddetto calore di processo, ad esempio la produzione di vetro, porcellana e acciaio. Come si può notare, il biogas potrebbe sostituire parte del gas naturale fossile e quindi alleggerire la situazione del mercato del gas (si veda più avanti il capitolo sui vantaggi del biogas).

- Oppure, e questo uso è molto più comune nella pratica, il biogas viene bruciato direttamente sul posto (cioè direttamente collegato all'impianto di biogas) in una centrale di cogenerazione. Di solito si utilizza un motore Otto, ottimizzato per il funzionamento a gas. Il motore ha il compito di bruciare il biogas prodotto e di generare elettricità direttamente tramite un generatore di elettricità collegato.
Il calore viene prodotto come sottoprodotto.
Sia l'elettricità che il calore possono essere utilizzati come prodotto finale, sia per l'autoconsumo che per la vendita da parte dell'acquirente o dei suoi clienti. Mentre l'elettricità viene immessa nella rete dell'azienda o in quella pubblica, l'utilizzo del calore è più complicato
Il motivo: durante il trasporto del calore si verificano notevoli perdite di energia. Pertanto, il calore è adatto solo per essere utilizzato in una rete di riscaldamento locale. Vale quanto segue: quanto più il calore può essere utilizzato vicino all'impianto di biogas, tanto maggiore è il grado di efficienza. Pertanto, i grandi consumatori di calore come piscine, alberghi o centri commerciali vicini all'impianto di biogas sono vantaggiosi.

Importante: in alcuni casi, il calore della cogenerazione viene reimmesso nell'impianto di biogas per sostenere il processo di fermentazione (vedi sopra).
I motori a gas della cogenerazione vengono fatti funzionare nella cosiddetta modalità di combustione magra con turbocompressore, in modo da emettere il minor numero possibile di ossidi di azoto. La cogenerazione è in gran parte completamente automatica. Ma: Un CHP è piuttosto rumoroso.
Pertanto, l'ubicazione dell'unità di cogenerazione deve soddisfare i requisiti di protezione dal rumore. I container ben isolati con alimentazione d'aria integrata hanno dimostrato la loro validità. In alternativa al classico motore Otto a gas, vengono utilizzati, anche se meno frequentemente, motori a getto d'accensione o Stirling, nonché microturbine a gas e celle a combustibile.
Queste ultime non sono attualmente molto diffuse a causa degli investimenti relativamente elevati nella tecnologia delle celle a combustibile. In futuro, dovremo rifornirci completamente di energia rinnovabile. Oltre alle fonti di energia rinnovabile come il sole, l'acqua e il vento, anche il biogas svolgerà un ruolo nel mix di energie rinnovabili.
Se state pensando di entrare nel settore del biogas come produttori o investitori, in questo articolo troverete le risposte a tutte le domande importanti sul biogas. Con le conoscenze a disposizione, prenderete la decisione giusta, ve lo assicuriamo!

Perché il biogas è una fonte di energia rinnovabile?

Rispetto al gas naturale fossile, il biogas viene prodotto dalla biomassa. Questa è costituita da piante rinnovabili e da letame e liquami provenienti dall'allevamento.
Per questo motivo il biogas è considerato una fonte di energia rinnovabile.

Che ruolo ha avuto finora il biogas nel mix energetico tedesco?

Secondo Statista.de, alla fine del 2020 erano in funzione in Germania circa 9.700 impianti di biogas. L'Agenzia federale per l'ambiente (UBA) scrive qui che nel 2021 in Germania sono stati forniti 50,4 miliardi di chilowattora (kWh) di elettricità da biomassa. Rispetto al 2020 (50,9 miliardi di kWh), si tratta di circa l'1% in meno di elettricità da biomassa.

Secondo il rapporto, le principali fonti di generazione di elettricità da biomassa
- biogas (28,5 miliardi di kWh),
- biomassa solida (11,4 miliardi di kWh) e la quota biogenica
- e biogenica dei rifiuti (5,6 miliardi di kWh).

Nel complesso, secondo l'UBA, la produzione di energia elettrica da biomassa si è mantenuta più o meno allo stesso livello negli ultimi 5 anni.
La capacità installata è aumentata di circa l'1%, raggiungendo i 10.431 megawatt (MW) nel 2021. Rispetto al 2016, l'aumento della capacità installata è di ben il 20%. Tuttavia, l'espansione della capacità degli impianti a biomassa negli ultimi anni è servita principalmente a rendere più flessibile la generazione di elettricità. Questo cosiddetto "overbuilding" non ha quasi mai portato a un aumento della quantità di elettricità generata annualmente negli ultimi anni, ma garantisce che l'elettricità rinnovabile possa essere fornita in modo più flessibile in base alla domanda (ad esempio, nei periodi di scarsa produzione di elettricità eolica e fotovoltaica).

Secondo il BDEW, la maggior parte degli impianti di biogas in Germania utilizza il biogas prodotto direttamente in loco. Secondo l'associazione tedesca dell'industria dell'energia e dell'acqua, ciò significa che il biogas viene convertito in elettricità e calore direttamente nel punto di origine mediante un processo di cogenerazione di calore ed energia (CHP) in un impianto di cogenerazione.
In genere si utilizzano motori a combustione interna (motori a gas). L'elettricità generata viene solitamente immessa nella rete pubblica e remunerata secondo la legge sulle fonti energetiche rinnovabili (EEG). Il calore viene utilizzato in loco, immesso in una rete di riscaldamento locale o utilizzato per riscaldare l'impianto di biogas.

Qual è il potenziale di base del biogas?

L'Associazione tedesca delle industrie dell'energia e dell'acqua (BDEW) ha riassunto il potenziale del biogas nella sua informazione sull'energia "Gas kann grün: Il potenziale del biogas/biometano. Status quo, fatti e sviluppo" (al 2019) lo riassume così:

- Il biogas potrebbe dare un importante contributo alla transizione energetica come energia rinnovabile flessibile. Secondo il rapporto, fornisce energia sicura e può essere immagazzinata per lunghi periodi di tempo.
- Il potenziale del biogas non è ancora esaurito. La nuova diversità della biomassa come materia prima offre possibilità di espansione per il risparmio idrico. È possibile una riduzione dei costi grazie al raggruppamento dell'immissione in rete, aprendo così altre vie di utilizzo.
- Secondo il BDEW, entro il 2030 potrebbero essere immessi nella rete del gas tedesca fino a 10,3 miliardi di m³ di biogas all'anno, che corrisponderebbero a 100 terawattora (TWh).

Per aumentare il potenziale del biogas, il BDEW propone i seguenti passi:
- Ottimizzare gli impianti di biogas in termini di processi, flessibilità e approvvigionamento di biomassa.
- Convertire il più possibile gli impianti di produzione di elettricità in loco all'immissione di biometano. Calcoli esemplificativi mostrano un potenziale fino al 26% delle vendite di gas in varie regioni
- Utilizzo e sviluppo di ulteriori materie prime da biomassa
- Collegamento sistematico dell'upgrading del biogas e del power-to-gas

BDEW osserva inoltre che il prerequisito per sfruttare il potenziale del biogas è un mercato significativamente migliorato. Secondo l'associazione industriale, non è prevedibile un'ulteriore espansione con le attuali condizioni quadro per il biogas nei mercati di vendita per la generazione di elettricità, calore e combustibili. Gli incentivi di mercato, la stabilizzazione del quadro normativo e l'ottimizzazione degli impianti fornirebbero insieme il potenziale per aumentare la decarbonizzazione del gas.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi del biogas?

Ecco i 6 vantaggi del biogas:
- Il biogas è considerato neutro dal punto di vista della CO2 perché, quando viene bruciato, viene rilasciata solo la quantità di CO2 che le piante fermentate nell'impianto di biogas hanno assorbito fino a quel momento. Secondo questo calcolo, il biogas non emette CO2 aggiuntiva. Tuttavia, la produzione e l'utilizzo del biogas non sono completamente privi di emissioni di CO2. I gas serra vengono emessi durante la costruzione e il funzionamento dell'impianto, lo stoccaggio e lo spargimento dei residui della fermentazione, il raccolto, l'uso di fertilizzanti e la guida dei trattori. Tuttavia, il dato fondamentale è che l'elettricità prodotta dagli impianti di biogas emette una quantità di CO2 significativamente inferiore a quella prodotta dai combustibili fossili.

Per fare un confronto:
- Le centrali elettriche a lignite causano oltre 1.000 grammi di CO2 equivalente per chilowattora di elettricità generata,
- Gli impianti a biogas producono meno di 250 grammi di CO2 equivalente per kWh. Se si utilizza anche il calore generato dall'impianto di biogas, il bilancio è ancora più positivo.
- Gli impianti di biogas come ulteriore fonte di reddito per gli agricoltori
Un impianto di biogas è un'interessante fonte di reddito per gli agricoltori. In base alla legge sulle fonti energetiche rinnovabili (EEG) del 2000, essi ricevono una tariffa fissa di immissione per l'elettricità generata dal biogas, anche se non devono necessariamente immettere il gas prodotto, ma possono anche consumarlo direttamente. Inoltre, possono utilizzare i residui della fermentazione come fertilizzante per i loro campi.

- Il biogas integra le fonti rinnovabili indipendentemente dalle condizioni meteorologiche
A differenza dell'energia eolica e solare, il biogas può essere prodotto indipendentemente dalle condizioni meteorologiche e può anche essere immagazzinato abbastanza bene. Può quindi coprire il carico di base e compensare le fluttuazioni della rete.
- Il biogas è energia "Made in Germany"
Poiché il biogas è "Made in Germany", si evitano lunghi percorsi di trasporto, si mantiene il valore aggiunto e i posti di lavoro nelle regioni rurali e, allo stesso tempo, si contribuisce all'indipendenza energetica della Germania.
- Il biogas promuove l'economia circolare (dalla culla alla culla)
Con il biogas ricicliamo i rifiuti biologici che produciamo. Questo riduce l'onere sull'ambiente e rende meno necessari i combustibili fossili.
- Con il biogas otteniamo anche un substrato di fermentazione come fertilizzante.
Il letame fermentato ha un odore minore rispetto al letame normale e l'odore si attenua più rapidamente. Le piante assorbono i residui della fermentazione meglio del concime normale, migliorando la resa dei campi. Inoltre, l'agricoltore risparmia sul costo dei fertilizzanti artificiali ed evita l'inquinamento ambientale dovuto al loro utilizzo.

E questi sono gli svantaggi del biogas
- Le colture energetiche occupano terreni coltivabili.
Le cosiddette colture energetiche sono spesso coltivate come biomassa per la produzione di biogas. Ciò richiede terreni, il che aumenta la competizione fondiaria derivante dall'interesse per i terreni dei tre settori degli insediamenti e dei trasporti, dell'agricoltura e della produzione di energia rinnovabile.
- Fastidio per gli odori
Molte persone che vivono vicino a un impianto di biogas trovano fastidiosi i suoi "gas di scarico".
- La produzione di biogas può inquinare il clima
Oltre al biometano, durante la produzione di biogas possono essere prodotti ammoniaca, idrogeno solforato e altre sostanze problematiche. Se queste sostanze finiscono nell'ambiente, inquinano il suolo, le falde acquifere e l'atmosfera.
- I trasporti di biomassa causano emissioni di CO2
I grandi impianti di biogas hanno bisogno di molta biomassa, che non sempre è disponibile a livello locale. Se la biomassa e i liquami devono essere trasportati su lunghe distanze con i camion, la CO2 viene emessa durante il trasporto.