Un generador de biogàs, com a conjunt complet d'equips que converteix el biogàs produït a partir de la fermentació anaeròbica de la biomassa en energia elèctrica, té un disseny estructural que afecta directament la seva eficiència operativa, estabilitat i rendiment ambiental. En conjunt, consta d'una unitat de preparació i depuració de gasos, un sistema de subministrament de gas, una unitat de generació d'energia, un dispositiu de recuperació de calor residual, una unitat elèctrica i de control i un sistema de protecció de seguretat. Aquests components treballen conjuntament per aconseguir tot el procés de conversió de gas brut a energia elèctrica qualificada.
La unitat de preparació i purificació de gasos és la part frontal-de tot el sistema. Aquesta unitat inclou principalment un digestor anaeròbic, un dispositiu d'agitació, un dispositiu de calefacció i control de temperatura i canonades de recollida de gas. El digestor anaeròbic normalment utilitza una estructura tancada d'acer o formigó, mantenint un ambient de temperatura mitjana-(35-38 graus) o alta-temperatura (55-58 graus) internament per facilitar la metanogènesi eficient per part dels microorganismes. El dispositiu d'agitació garanteix un contacte suficient entre el material i els microorganismes, mentre que el dispositiu de calefacció i control de temperatura manté una temperatura de reacció estable. El biogàs brut generat es transporta a través de canonades fins a la unitat de purificació per eliminar impureses nocives com ara sulfur d'hidrogen, humitat, partícules i siloxans. Els equips de purificació solen incloure una torre de desulfuració (procés sec o humit), un separador de condensats, un filtre de partícules i un dispositiu d'adsorció de carbó actiu per garantir que la composició i la neteja del gas que entra a la unitat de generació d'energia compleixen els requisits de la unitat.
El sistema de subministrament de gas és responsable de lliurar de manera estable el biogàs purificat a la cambra de combustió. Aquest sistema consta d'un compressor o bufador de gas, una vàlvula reguladora de pressió, un dispositiu de mesura de cabal i una vàlvula de tanca-de seguretat. La vàlvula reguladora de pressió ajusta automàticament la pressió de subministrament de gas segons els canvis en la càrrega de la unitat i la pressió del gas per garantir una combustió estable; el dispositiu de mesura de cabal supervisa el subministrament de gas en temps real, proporcionant una base per a l'ajust i el control de la càrrega; la vàlvula de tancament-de seguretat pot tallar ràpidament el subministrament de gas quan detecta fuites de gas, pressió anormal o extinció de flama per evitar que l'accident s'escalfi.
La unitat de generació d'energia és el nucli del generador de biogàs. Actualment, l'enfocament principal és utilitzar un grup electrògen de motor de combustió interna de gas, amb turbines de gas o motors Stirling utilitzats en alguns casos. El motor de combustió interna de gas consta d'un cilindre, pistó, mecanisme de biela, tren de vàlvules i sistema d'encesa. El disseny de la cambra de combustió s'ha d'adaptar al baix poder calorífic i a les característiques de composició fluctuant del combustible de biogàs. El sistema d'encesa utilitza principalment una ignició electrònica d'alta-energia per garantir una ignició fiable fins i tot amb canvis en la concentració de gas. El cigonyal del motor de combustió interna està connectat al rotor del generador mitjançant un acoblament, convertint el moviment alternatiu en energia mecànica de rotació, que després es converteix en energia elèctrica pel generador. Alguns models estan equipats amb turbocompressors de gas d'escapament per augmentar la densitat de l'aire d'admissió i la potència de sortida.
El dispositiu de recuperació de calor residual utilitza la calor transportada pel gas d'escapament d'alta-temperatura del motor de combustió interna i l'aigua de refrigeració de la camisa del cilindre, convertint-la en energia calorífica utilitzable mitjançant intercanviadors de calor. L'intercanviador de calor dels gasos d'escapament recupera la major part de la calor sensible dels gasos d'escapament per a la calefacció i l'aïllament de digestors anaeròbics o calefacció urbana; l'intercanviador de calor d'aigua de la camisa del cilindre elimina la calor de l'aigua de refrigeració per utilitzar-la com a aigua calenta per a la producció domèstica o la calefacció del procés, millorant així significativament l'eficiència energètica del sistema global.
La unitat elèctrica i de control inclou l'aparell de commutació de sortida del generador, el regulador automàtic de tensió, el dispositiu de control de connexió a la xarxa i el sistema de control central. El regulador de tensió automàtic manté una tensió de sortida estable i el dispositiu de control de connexió a la xarxa garanteix la sincronització i la connexió segura amb la xarxa elèctrica o càrregues independents. El sistema de monitorització central, basat en un PLC o un ordinador industrial, recopila i mostra dades en-en temps real sobre la pressió del gas, la temperatura, el cabal, la velocitat de la unitat, la potència de sortida i els indicadors d'emissió. També inclou alarmes d'error, apagat automàtic i capacitats de comunicació remota.
A cada unitat s'integra un sistema de protecció de seguretat, equipat amb detectors de fuites de gas combustible, detectors de flama, sensors de temperatura, dispositius de protecció de pressió i botons d'aturada d'emergència. En detectar una condició perillosa, el sistema implementa immediatament mesures d'emergència com ara l'apagada del gas-, l'apagada i la ventilació per garantir la seguretat del personal i de l'equip.
En general, el disseny del generador de biogàs reflecteix la integració de múltiples disciplines: des de les reaccions bioquímiques fins a l'energia tèrmica, passant per l'automatització elèctrica i la protecció de seguretat, tots els aspectes estan estretament relacionats. L'estructura dissenyada científicament no només garanteix una producció d'energia eficient i estable, sinó que també proporciona suport tècnic fiable per a la utilització dels recursos i la producció neta de residus orgànics.