di Claudio Fabbri, Fabio Verzellesi, Sergio Piccinini*

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1 Riassunto Tra il 2007 e il 2008, CRPA ha condotto un programma di monitaraggio di un impianto di biogas alimentato con i liquami di un allevamento di suini all ingrasso. Scopo del programma è stato di verificare l efficienza di conversione dei liquami in biogas e rilevare i parametri di funzionamento. Nel periodo di attività l impianto è stato visitato con una frequenza circa quindicinale e ad ogni visita sono stati prelevati i campioni delle matrici caricate, il digestato nelle diverse posizioni dell impianto e le frazioni di digestato finale e/o separato. Tutti i parametri rilevati sono stati processati per calcolare i tipici indici di efficienza degli impianti di biogas: carico organico volumetrico (kgsv m-3 d-1), tempo di ritenzione idraulica (d), produzione volumetrica (m3biogas m-3reattore), produzione specifica di energia elettrica (kwh kgsv-1). La produzione di energia è risultata essere molto condizionata dal peso vivo presente in allevamento. Summary Over 2007 and 2008, CRPA conducted a monitoring program of a biogas plant supplied with slurry byapigfatteringfarm.theaimoftheprogramwas to verify efficiency and measure running parameters. Over the monitoring period each plant was visited on a monthly basis. On each visit samples were taken of the biomass loaded, the digestate and the relative solid and clarified fraction produced with an assessment of the biogas plant and CHP parameters. All parameters measured were processed to calculate the typical biogas plant indices:organicloadingrate(kgvs m-3 day -1 ),hydraulicretentiontime(days),biogasyield(m 3 biogas m - 3 reactor) and organic efficiency transformation. Energy production in the plant was highly dependentontheliveweightoftheanimals. Progetto Life Seq-Cure: un anno di monitoraggio su un impianto a biogas di Claudio Fabbri, Fabio Verzellesi, Sergio Piccinini* RICERCA Introduzione Produrre biogas può diventare una buona fonte di reddito per l azienda zootecnica, ma la variabilità degli elementi che entrano in gioco nel processo impone la necessità di conoscere approfonditamente le dinamiche produttive per avere un quadro realistico delle rese produttive effettive e quindi della redditività dell investimento. In questo lavoro vengono presentati i risultati di circa un anno di monitoraggio realizzato tra il 2007 e il 2008 di un impianto di produzione di biogas da liquami suini con conversione in energia elettrica, realizzato nell ambito del progetto Life Seq-Cure. Seq-Cure(acronimo di Integrated systems to enhance sequestration of carbon, producing energy crops by using organic residues ) è un progetto coordinato da Crpa e finanziato dall Unione Europea nell ambito del Programma Life III Ambiente, che vuole promuovere l utilizzo di residui organici (effluenti zootecnici, fanghi di depurazione, altri) per la fertilizzazione di colture energetiche, al fine di ridurre le emissioni di gas serra e favorire l attivazione di filiere agro-energetiche sostenibilisiadalpuntodivistaambientale, sia economico. g Ricovero suinicolo da cui proviene parte degli effluenti avviati a digestione anaerobica *Crpa Reggio Emilia Suinicoltura n. 10 ottobre

2 g Digestori anaerobici in serie con cupole gasometriche Soggetti cofinanziatori del progetto sono la Regione Emilia-Romagna, sette Province emiliano-romagnole, le aziende multiservizi Enia ed Hera e la cooperativa Caviro. Collaborano alla realizzazione del progetto Fondazione Crpa Studi e Ricerche, cooperativa Terremerse, Azienda Sperimentale Tadini, Azienda Sperimentale Stuard, Confederazione Italiana Agricoltori di Piacenza e Max Planck Institute di Jena(Germania). Descrizione dell impianto L impianto monitorato si trova in un azienda ad indirizzo prevalentemente zootecnico, con allevamento di suini all ingrasso che vengono accresciuti nel range di peso fra 25 e 160 kg e una presenza media complessiva di circa capi, variabile in funzione della fase di allevamento. L allevamento è diviso in tre distinti gruppi che, con una frequenza di circa 3 mesi, raggiungono il peso finale. Il peso vivo totale mediamente presente rilevato nel periodo di monitoraggio è stato di tonnellate. Gli animali sono allevati in box con pavimento pieno, delimitati da muretti, con corsia di defecazione esterna su pavimento fessurato con fosse a pareti verticali. Lo svuotamento delle fosse è di tipo discontinuo, ottenuto mediante l apertura di serrande che consentono lo scarico pressoché totale degli effluenti. La cadenza di svuotamento è, in media, due volte alla settimana. È presente una vasca di collettamento a cui pervengono gli effluenti di tutto l allevamento, attrezzata con un miscelatore trituratore e una pompa di alimentazione al digestore, che permette di utilizzare anche le piccole quantità di letame prodotte nei ricoveri infermeria presenti in azienda. L alimentazione al digestore viene frazionata con carichi intervallati ogni 6 ore. L impianto Tipo di reattore ( 1 ) Parametro di digestione anarerobica è costituito da due digestori verticali riscaldati, ognuno con copertura gasometrica, pareti coibentate e del volume utile di m 3 cadauno, in grado di assicurare un tempo di ritenzione Tab. 1 - Parametri dimensionali dell'impianto Volume totale dei digestori (m 3 ) 3,12 Volume netto dei digestori (m 3 ) 2,74 Miscelazione (kw) 60 Temperatura di processo ( C) Tempo ritenzione idraulica (giorni) 23 Potenza elettrica CHP (kw) 215 idraulico medio di circa 23 giorni complessivi. I due digestori lavorano in serie: il liquame fresco viene avviato al primo digestore e da qui, per tracimazione, passa nel secondo digestore. Cupole gasometriche La miscelazione è garantita da due coppie di miscelatori sommersi ad azionamento temporizzato, mentre per il riscaldamento sono presenti due serie di serpentine in cui viene fatta circolare l acqua di raffreddamento del cogeneratore. Entrambi i digestori sono sovrastati da cupole gasometriche a triplo telo, mantenute gonfie grazie al controllo pressostatico dell aria all interno della camera intermedia; il sistema garantisce anche il flusso di biogas ai cogeneratori. Il biogas, dopo essere stato desolforato biologicamente e deumidificato con un gruppo frigorifero, viene utilizzato in due cogeneratori, la cui produzione di energia elettrica risulta più che sufficiente a coprire il fabbisogno aziendale. La quota di energia elettrica eccedente viene ceduta alla rete locale. L impianto ha iniziato a produrre biogas da novembre 2007 e a partire dal mese di giugno 2008 un motore da 90 kw è stato sostituito con uno da125kw.lapotenzaelettricainstallataattualeè,quindi,paria215kw. Il digestato prodotto viene avviato ad un separatore solido/liquido, tipo rotovaglio, che provvede a separare la frazione più grossolana, composta prevalentemente da setole e frazioni pagliose derivanti dal carico di letame dalla frazione chiarificata. Quest ultima viene quindi avviata ai lagoni di stoccaggio prima dell utilizzo agronomico(tabella 1). Programma di monitoraggio Scopo del programma di monitoraggio è stato di verificare l efficienza di conversione dei liquami e rilevare i parametri di funzionamento. Le attività si sono sviluppate nell arco di 12 mesi. Nel periodo di attività l impianto è stato visitato con una frequenza circa quindicinale e ad ogni visita sono stati prelevati i campioni delle matrici caricate, il digestato nelle diverse posizioni dell impianto e le frazioni di digestato finale e/o separato. I principali parametri misurati sono stati: Impianto n quantità di biomasse solide e CSTR liquide caricate (t d -1 ). La quantificazione è stata fatta utilizzando sensori di livello, posizionati nelle vasche di precarico; n caratteristiche chimiche delle biomasse caricate (ph, solidi totali e volatili, azoto totale e ammoniaca- 76 Suinicoltura n. 10 ottobre 2009

3 g Sistema frigorifero e scambiatori per la deumidificazione del biogas prodotto g Sala cogeneratori Risultati Come segnalato, in allevamento il peso vivo medio di tutto il periodo è risultato essere pari a tonnellate. La figura 1 mette però in evidenza la notevole variabilità di questo parametro nel tempo. La produzione di effluenti zootecnici è risul- le, carbonio organico totale, fosforo e potassio, COD); tata mediamente pari a 120 m 3 d -1, cioè equivalente a circa 42 n qualità del biogas prodotto: concentrazione di metano (%vol), m 3 tpv -1 anno -1,cherapportataalvolumeutiledeldigestoresignifica biossido di carbonio (%vol), idrogeno solforato (mg Nm -3 ), ammoniaca (mg Nm -3 ) attraverso lettura della strumentazione installata sull impianto o con analizzatore portatile (Geotechnical Instruments, mod. GA2000 Plus); un tempo di ritenzione idraulico medio di 23 giorni circa. Sulla base delle analisi chimiche delle biomasse caricate(tabella 2) si può stimare che il carico volumetrico di sostanza organica sia di circa 1 kgsv d -1 m -3. n potenza elettrica media(kw) lorda prodotta, utilizzata dagli ausiliari, La concentrazione di solidi totali e volatili diminuisce progressivamente utilizzata dal digestore e accessori, mediante lettura periodica dei contatori installati negli impianti e analisi dei dati registrati da un sistema di controllo digitale(plc); passando dal digestore primario alla vasca di stoccaggio finale: si passa da valori di solidi totali dell ordine di 50 g kgtq -1 in ingresso nel digestore primario a 29,8 g kgtq -1 in ingresso al secondo. n caratteristiche del digestato: ph, solidi totali e volatili, azoto totale e Per i solidi volatili, invece, si passa da valori pari al 65,7% dei ammoniacale, carbonio organico totale, fosforo e potassio, COD, acidità volatile e alcalinità totale. La produzione di biogas è stata calcolata sulla base della produzione di energia elettrica e del rendimento elettrico di targa dei cogeneratori, non essendo presente un misuratore di portata del gas prodotto. solidi totali in ingresso nel digestore primario al 51,6% nel digestore secondario. Il COD si riduce da valori di mg O 2 l-1 rilevati all interno del digestore primario a mg O 2 l -1 nel digestato avviato alla separazione solido/liquido, con una riduzione del 46% circa. Per quanto concerne, invece, l acidità volatile totale e l alcali- Tutti i parametri rilevati sono stati processati per calcolare i tipici indici di efficienza degli impianti Fig. 1 - Peso vivo mediamente presente nell allevamento di biogas: carico organico volumetrico (kgsv m -3 d -1 ), tempo di ritenzione idraulica (d), produzione volumetrica (m 3 biogas m - 3 reattore), produzione specifica dienergiaelettrica(kwh kgsv -1 ). Suinicoltura n. 10 ottobre

4 nità totale è possibile distinguere in modo netto i valori del liquame fresco da quelli dei liquami presenti all interno del modulo primario e da quelli dei digestori secondari: l acidità volatile si è ridotta da valori di circa mgch 3 COOH l -1 nel liquame fresco a mgch 3 COOH l -1 nel modulo finale. Processo di metanizzazione Visto che gli acidi organici volatili rappresentano un passaggio intermedio verso il completamento del processo di metanizzazione della sostanza organica, la variazione misurata indica una certa differenziazione di funzionalità dei due digestori. Nel primo avviene prevalentemente la prima fase di idrolisi acida dei prodotti, nel secondo la metanizzazione degli acidi organici prodotti. Il rapporto con l alcalinità è passatoda0,62delliquamefrescoa 0,07 del digestore secondario, abbondantemente al di sotto dei limiti indicati per un buon equilibrio della flora batterica del processo (0,3). Il processo di digestione condotto è di tipo mesofilo: le temperatura nel digestore primario sono state mediamente di 36,6 C, quelle del digestore secondario di 39,5 C. La maggiore temperatura del secondo digestore è dovuta alla mancanza nel periodo iniziale di un sistema di regolazione. L integrazione successiva di una valvola a tre vie ha permesso di controllare e mantenere anche per questo digestore la giusta temperatura. La concentrazione di metano nel biogas prodotto è risultata mediamente pari al 67%vol (59-72%vol), mentre la concentrazione di biossido di carbonio pari al 31,1%vol (26-36%vol). La concentrazione di idrogeno solforato, invece, è risultata molto elevata (circa Fig.2 - Andamento della produzione elettrica dell impianto nel periodo monitorato Tab. 2 - Caratteristiche chimiche del liquame utilizzato e del digestato prodotto Parametro Input Digestore 1 Digestore 2 Solido separato Chiarificato ph - 7,3 8,1 8,3 8,7 8,3 ST g kg tq -1 50,6 34,3 29,8 210,0 26,6 SV NTK N-NH 4 + g kg tq -1 33,3 19,1 15,3 167,0 12,7 %ST 65,7 55,7 51,6 79,4 47,7 mg kg tq -1 4,178 3,959 3,869 5,808 3,822 %ST 8,2 11,5 13,0 2,7 14,3 mg kg tq -1 2,274 2,915 2,963 1,944 2,973 %NTK 54,4 73,6 76,5 33,4 77,7 COD mg O 2 l -1 56,807 29,006 26, TA mg CaCO3 l -1 16,783 16,104 16, VA mg CH3COOH l -1 10,335 1,96 1, VA TA -1 0,62 0,12 0, P mg kg tq , tot %ST - - 2,8 1,3 2,4 K mg kg tq ,871 3,841 - %ST - - 9,6 1,6 - Suinicoltura n. 10 ottobre

5 1.992 ppm), tipica dei liquami suini, ma anche indice di una scarsa efficienza del sistema di desolforazione. Potenza elettrica Il biogas prodotto viene interamente utilizzato in un cogeneratore dedicato alla produzione di energia elettrica da immettere in rete. Parte dell energia elettrica viene utilizzata dall impianto per le utenze interne(miscelatori, caricatori, pompe di smistamento di carico e scarico). In tabella 3 viene riportata la produzione annua totalizzata. La figura 2 illustra l andamento della potenza elettrica, al lordo g Dissipatori di calore ausiliari degli autoconsumi dell impianto, mediamente prodotta nel periodo osservato: il grafico mette bene in evidenza l aumento progressivo di potenza elettrica media prodotta dei primi 6 mesi di funzionamento, conseguenza del primo periodo di avviamento e della variazione di peso vivo mediamente presente e, quindi, del carico organico disponibile. Nel secondo periodo, invece, è stata osservata una progressiva riduzione della produzione di biogas, originata probabilmente dal sopravvenire di un periodo intensamente piovoso, che ha determinato un aumento dei volumi di liquame collettati dal sistema fognario, e dalla concomitanza di due cicli di intervento massiccio di utilizzo di antibiotici. L aumento del volume di liquami, oltre che ridurre la concentrazione dei solidi totali e, di conseguenza, ridurre il tempo di ritenzione idraulico dei digestori, ha determinato anche un raffreddamento significativo del digestore e, quindi, una riduzione delle cinetiche di processo. L energia elettrica media prodotta in tutto il periodo di monitoraggio è risultata essere pari MWh. Gli autoconsumi di ausiliari e impianto di digestione anaerobica sono stati 217 MWh, pari al 20,8% dell energia elettrica lorda prodotta. Considerando il rendimento elettrico di targa del cogeneratore installato, è stato possibile stimare la produzione di biogas e quindi gli indici di resa. L impianto ha permesso di trasformare i solidi volatili caricati in biogas con una resa pari a 0,423 Nm 3 kgsv -1. La produzione volumetrica riferita al metro cubo utile di reattore, invece, è risultata pari a 0,433 Nm 3 m -3 (tabella 3). Conclusioni Nel settore agro-zootecnico la produzione di biogas e la relativa trasformazione in energia elettrica è divenuta una realtà consolida- Tab. 3 - Sintesi dei parametri di produzione energetica dell'impianto nel periodo di monitoraggio Parametro Produzione lorda energia elettrica MWh 1,043 Potenza elettrica media prodotta kw percentuale della potenza installata % 59,0 Autoconsumo ausiliari cogeneratore MWh 45,4 - percentuale della produzione lorda % 4,2 Autoconsumo impianto digestione MWh percentuale della produzione lorda % 14,5 Produzione di energia elettrica su cui sono riconosciuti i CV MWh 1,119 Produzione di energia elettrica vendibile MWh 848 BIBLIOGRAFIA Ligabue M., Mantovi P. - Energia da biomasse con il progetto Seq- Cure. Agricoltura, luglio-agosto 2007, pp , CRPA Liquami zootecnici- Manuale per l'utilizzazione agronomica Edizioni L'informatore Agrario, pp. 320, CRPA Energia dal biogas Manuale pratico (II Ed.). Edito AIEL, pp104, CRPA Biogas e cogenerazione nell'allevamento suinicolo Manuale pratico. Edito ENEL spa, pp. 208, Soldano M., Fabbri C., Verzellesi F., Piccinini S. - Biogas, monitorare un impianto per migliorare le rese produttive Supplemento a L'informatore Agrario, vol. 38, pp , Suinicoltura n. 10 ottobre 2009

6 Tab. Simbolo 4 - Descrizione dei simboli utilizzati Descrizione Unità di misura ST Solidi totali g kg tq -1 SV Solidi volatili g kg tq -1 NTK Azoto totale Kjeldahl mg kg tq -1 N-NH 4 + Azoto ammoniacale mg kg tq -1 COD Richiesta chimica di ossigeno mg O 2 l -1 TOC Carbonio organico totale %ST TA Alcalinità totale mg CaCO3 l -1 VA Acidi volatili mg CH3COOH l -1 P tot Fosforo totale mg kg tq -1 K Potassio mg kg tq -1 ta. Le matrici che possono essere utilizzate sono rappresentate sia da effluenti zootecnici tal quali che in miscela con colture energetiche e/o sottoprodotti agroindustriali. In entrambi i casi, però, una corretta progettazione degli impianti che consideri le peculiarità delle matrici utilizzate è indispensabile per un buon funzionamento. Nel caso degli effluenti zootecnici, la variabilità che caratterizza queste matrici impone al progettista in primo luogo e al gestore di prevedere tutti gli accorgimenti necessari a limitare gli effetti che la variazione di carico può determinare sulla produzione. Nel caso preso in esame le rese di trasformazione della sostanza organica caricata è risultata molto vicina ai valori riscontrabili in letteratura: 0,423 Nm 3 kgsv -1. La produzione di metano ottenibile è risultata pari a 0,283 Nm 3 kgsv -1. Da ciò consegue che anche partendo da soli effluenti zootecnici è possibile ottenere ottime rese in metano. Sotto il profilo dimensionale, l ottimizzazione di un impianto funzionante a soli effluenti zootecnici passa per un miglioramento della loro gestione nei ricoveri, che deve prevedere una riduzione significativa nell uso di acqua per i lavaggi o in un pretrattamento di addensamento che preveda la digestione della sola frazione addensata. Considerando, invece, la taglia dimensionale dell impianto di cogenerazione e i relativi rendimenti elettrici, la resa in energia elettrica ottenuta dell impianto è risultata essere pari a 0,99 kwhe kgsv -1. In termini economici, infine, occorre tenere presente che la sostanza organica proveniente dall uso di effluenti zootecnici è del tutto gratuita, a differenza delle colture energetiche o dei sottoprodotti, per i quali l approvvigionamento è a titolo oneroso e la gestione del digestato rappresenta una voce di costo aggiuntiva. Suinicoltura n. 10 ottobre