I generatori di biogas possono convertire i rifiuti organici in energia elettrica e termica. Ciò è fondamentalmente dovuto a un sistema funzionale completo composto da produzione di gas biochimico, purificazione del gas, conversione di potenza e recupero di energia. Questi sottosistemi operano in sinergia sotto gli effetti combinati di principi fisici, chimici e termodinamici, formando una base di conversione energetica stabile ed efficiente.
Il primo fondamento funzionale è la digestione anaerobica e la produzione di gas della biomassa. I materiali organici come il letame di bestiame e pollame, i rifiuti di cucina, la paglia dei raccolti e i fanghi urbani subiscono idrolisi, acidificazione e metanogenesi in un reattore chiuso in condizioni mesofile (35–38 gradi) o ad alta-temperatura (55–58 gradi) attraverso l'azione delle comunità microbiche. Questo processo produce infine biogas, composto principalmente da metano (CH₄) con anidride carbonica (CO₂) e piccole impurità. Questo processo converte l’energia chimica immagazzinata nella materia organica solida o liquida nel potenziale termico del gas combustibile, fornendo una fonte di combustibile per la produzione di energia.
Il secondo fondamento è la purificazione del gas e la fornitura stabile. Il biogas grezzo contiene componenti nocivi come idrogeno solforato, umidità, particolato e silossani. L'ingresso diretto nel sistema di combustione può causare corrosione dell'apparecchiatura, avvelenamento del catalizzatore ed emissioni eccessive. Il processo di purificazione utilizza torri di desolforazione, separatori di condensa, filtri antiparticolato e dispositivi di assorbimento del carbone attivo per rimuovere le impurità passo dopo passo, garantendo che la composizione e la pressione del gas soddisfino i requisiti di combustione dell'unità e formando un sistema di fornitura di gas continuo e controllabile per garantire il funzionamento stabile delle successive unità di potenza.
Il terzo strato fondamentale è la conversione dell'energia termica in energia meccanica in energia elettrica. Il biogas purificato viene miscelato con una quantità adeguata di aria ed entra nella camera di combustione di un motore a combustione interna a gas o di una turbina a gas per la combustione. Il gas rilasciato ad alta-temperatura e alta-pressione fa ruotare il pistone o la turbina, completando la conversione dell'energia termica in energia meccanica. Questa energia meccanica viene trasferita al generatore tramite l'albero motore o l'albero principale, emettendo energia elettrica attraverso l'induzione elettromagnetica. Questo processo è il cuore della conversione energetica del generatore di biogas e la sua efficienza è limitata dall’organizzazione della combustione, dalla gestione dello scambio termico e dai livelli di adattamento del carico.
Il quarto livello fondamentale è il recupero del calore di scarto e l’utilizzo dell’energia a cascata. Il-gas di scarico ad alta temperatura del motore a combustione interna, insieme all'acqua di raffreddamento della camicia del cilindro, trasporta una grande quantità di energia termica di bassa-gradazione. Questa energia termica può essere recuperata attraverso uno scambiatore di calore e utilizzata per il riscaldamento e l'isolamento del digestore anaerobico, fornendo acqua calda per la produzione e gli usi domestici, o per il teleriscaldamento. Ciò migliora significativamente il tasso di utilizzo dell’energia primaria del sistema, trasformando la generazione di energia da un punto di produzione di energia isolato in un hub per la fornitura energetica completa.
Il quinto livello fondamentale è il sistema di controllo e garanzia della sicurezza. La regolazione automatica della pressione, il monitoraggio del flusso, il controllo dell'accensione, la sincronizzazione della rete e i dispositivi di arresto-di sicurezza garantiscono il funzionamento sicuro dell'unità in condizioni di composizione fluttuante del gas, variazioni di carico o emergenze. Un sistema di monitoraggio centrale consente l'acquisizione dei dati, la gestione remota e l'avviso tempestivo di guasti.
Pertanto, la base funzionale di un generatore di biogas è un sistema collaborativo a più fasi- che comprende produzione di gas biochimico, purificazione del gas, conversione di energia, utilizzo del calore di scarto e controllo intelligente. Ogni fase è interdipendente e indispensabile e garantisce collettivamente la conversione efficiente e stabile dei rifiuti in energia pulita.