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Kögelhof: disintegrazione ad ultrasuoni monitorata da sensori in un impianto di biogas

Utilizzo efficiente delle fonti energetiche naturali

Kögelhof, nel distretto di Ravensburg, è un'azienda agricola familiare che dal 2004 si dedica alla generazione di energia con il biogas. L'agricoltore Hermann Müller coltiva personalmente le risorse vegetali necessarie su 180 ettari di terreno coltivabile. L'energia prodotta è sufficiente a rifornire di elettricità non solo la fattoria stessa, ma anche 1.400 famiglie. Il calore di scarto viene utilizzato per riscaldare l'edificio scolastico locale.

Energia e calore sostenibili per il vicinato

Hermann Müller paragona il funzionamento di un impianto di biogas al funzionamento dello stomaco di una mucca. E dovrebbe saper come funziona: dopo tutto, un tempo al Kögelhof si allevavano bovini da latte. "Come gli agitatori nel fermentatore, i muscoli di una mucca muovono la materia organica. Questa viene decomposta dai microrganismi in un ambiente caldo ed ermetico, producendo biogas". Questo biogas aziona cinque motori nell'impianto di Kögelhof che, con l'aiuto di un generatore accoppiato, generano elettricità fino a 4,5 milioni di kilowattora all'anno. Questa energia viene immessa nella rete elettrica e può coprire il fabbisogno energetico di circa 1.400 famiglie.

Anche il calore residuo che ne deriva viene utilizzato in modo mirato. L'azienda elettrica locale ha posato una conduttura di teleriscaldamento di 1,4 km fino al centro scolastico, dove l'edificio e la palestra vengono ora riscaldati in modo biologicamente sostenibile con un risparmio annuo di 80.000 litri di gasolio per riscaldamento. In futuro, anche una nuova area di sviluppo adiacente verrà riscaldata con il biogas. Poiché la produzione di energia nella fattoria di Kögelhof è orientata alla domanda, si produce di più in inverno che in estate. "Questo aumenta inevitabilmente la produzione di biomassa, che finora non ha sempre permesso di sfruttare appieno il potenziale energetico", afferma Hermann Müller. "Con volumi di produzione elevati, rimane sempre una certa quantità di energia residua nel prodotto finale della biomassa, il cosiddetto substrato di fermentazione. Pertanto, abbiamo cercato una soluzione che ci permettesse di produrre in modo davvero sostenibile ricavando la quasi totalità dell'energia dalla biomassa". Una soluzione che Hermann Müller ha trovato con l'azienda Weber Entec.

Disintegrazione a ultrasuoni

Weber Entec è specializzata nell'impiantistica per applicazioni a ultrasuoni nel campo della tecnologia ambientale, in particolare nella disintegrazione, ossia il trattamento a ultrasuoni delle sostanze biogene. Questo processo aumenta la superficie del substrato di fermentazione; in gergo tecnico, questo processo è chiamato digestione. L’aumento della superficie accelera il processo di decomposizione organica e aumenta il rendimento energetico.

Nella disintegrazione a ultrasuoni, le vibrazioni elettriche prodotte da un generatore vengono trasformate in vibrazioni meccaniche da un convertitore (trasduttore acustico). Queste vibrazioni vengono trasmesse al fluido circostante attraverso un cosiddetto sonotrodo. Qui provocano alternativamente elevate sovrapressioni e sottopressioni al ritmo della frequenza degli ultrasuoni, a seconda che il trasduttore si stia espandendo o contraendo. Durante la fase di pressione negativa, nel liquido sonicato si formano microscopiche bolle di vapore che implodono nella successiva fase di pressione positiva. Questo processo è chiamato cavitazione. Le implosioni rilasciano pressioni e temperature elevate, propagando ulteriormente il processo di disintegrazione nella biomassa.

Monitoraggio della pressione sulla pompa

Weber Entec si affida ai sensori e ai master IO-Link di ifm per monitorare la disintegrazione in questo impianto, ad esempio nella pompa del fermentatore principale dove il substrato di fermentazione viene pompato nel sistema a ultrasuoni e viceversa. I sensori monitorano la pompa misurando la pressione sul lato di aspirazione e di mandata. Inoltre, proteggono la generazione di ultrasuoni e controllano il flusso quando la perdita di pressione della tubazione è troppo elevata.

Il sensore di pressione PM1604 con membrana affiorante è ideale per questa applicazione grazie alla sua robusta cella di misura capacitiva in ceramica. La cella di misura è resistente alle particelle presenti nel fluido mentre il raccordo a processo a filo impedisce la formazione di depositi sulla cella di misura.

Valore aggiunto con IO-Link

I sensori sono collegati al sistema di controllo tramite IO-Link. Ciò significa che i sensori comunicano con il master IO-Link tramite IO-Link. Il master fornisce collegamenti per diversi sensori, raggruppa i segnali e comunica con il sistema di controllo tramite bus di campo, in questo caso PROFINET. Il cablaggio viene notevolmente ridotto. Questo percorso di comunicazione digitale non consente solo la trasmissione senza perdite del valore misurato. Tramite IO-Link, ad esempio, è possibile leggere i valori minimi e massimi del sensore che forniscono informazioni su eventuali picchi di pressione critici a breve termine. Lo stato del sensore può essere controllato in qualsiasi momento grazie ai dati diagnostici. Tutti questi dati, oltre al semplice valore misurato, aiutano a prevenire guasti imprevisti del sistema. Il sensore PM1604 viene anche parametrizzato tramite IO-Link. Ad esempio, il campo di misura può essere scalato entro limiti liberi e adattato in modo ottimale all'applicazione. Christian Eichhorst, direttore generale di Weber Entec GmbH & Co. KG, riassume: "I sensori sono molto precisi e affidabili. In particolare, IO-Link ci ha permesso di migliorare notevolmente il nostro sistema di controllo. IO-Link offre grandi vantaggi, come un cablaggio più semplice o la lettura diretta di vari parametri, ad es. la pressione di picco".

AL1102 IO-Link master serving as a gateway in a biogas plant

Diversi sensori e attuatori IO-Link possono essere collegati al master IO-Link. Quest’ultimo funge anche da gateway e comunica con il sistema di controllo tramite PROFINET.

Conclusioni

Utilizzo efficiente delle risorse: questa massima si applica sia all'utilizzo energetico della biomassa sia ai sensori utilizzati che, grazie a IO-Link, forniscono molto di più dei semplici valori misurati. Ciò garantisce la massima trasparenza nel monitoraggio del processo e assicura un funzionamento efficiente e corretto dell'impianto di biogas.