PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA BIOGAS: STATO DELL ARTE ED ESEMPI DI IMPIANTI REALIZZATI. Ing. Elena Allegrini. Bastia Umbra, 28 settembre 2012

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1 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA BIOGAS: STATO DELL ARTE ED ESEMPI DI IMPIANTI REALIZZATI Ing. Elena Allegrini Bastia Umbra, 28 settembre 2012

2 ARGOMENTI 2 1. Bioenergie e biomassa 2. Stato dell arte 3. Iter autorizzativo ed incentivi 4. Digestione anaerobica 5. Esempi di impianti realizzati 6. Conclusioni

3 1. BIOENERGIE E BIOMASSA 3

4 Definizione 4 BIOENERGIA: forma di energia elettrica e/o termica ottenuta dalle biomasse BIOMASSA: parte biodegradabile dei prodotti, dei rifiuti e dei residui provenienti dall agricoltura (comprendente quindi sostanze vegetali ed animali) e dalla parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani (D. Lgs. n. 128 del 30 maggio 2005)

5 Classificazione RESIDUALI Esempi: reflui zootecnici, scarti dell industria agro-alimentare, sottoprodotti della lavorazione del legno, potature arboree, residui della manutenzione del verde pubblico, frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU) 5 DEDICATE Esempi: piante erbacee da fibra, colture oleaginose e amidacee e foraggiere

6 Importanza delle biomasse 6 Sviluppo sostenibile Adempimento agli obblighi della Direttiva Comunitaria Riduzione della dipendenza dai combustibili fossili

7 Confronto delle biomasse con i combustibili fossili 7 Combustibili fossili: risorse esauribili in base a R/P: disponibilità di petrolio 41,3 anni, di gas per 60,3 anni e di carbone per 133 anni (Fonte ENEA) Biomasse: hanno una modesta densità energetica se paragonata a quella dei combustibili tradizionali: il potere calorifico è in genere compreso tra 4000 e 4400 kcal/kg contro circa i del petrolio e del gas naturale sono spesso caratterizzate da un elevato contenuto di umidità non concorrono all effetto serra perché la CO 2 rilasciata durante la decomposizione è equivalente a quella assorbita in fase di crescita (per completezza serve LCA) le emissioni sono generalmente ridotte ed in generale dipendono dal tipo di biomassa e dalla tecnologia utilizzata

8 Utilizzo totale di energia e produzione totale di bioenergia 8 Fonte Bioenergy International (Anno 2010)

9 2. STATO DELL ARTE 9

10 Consumo energetico MONDIALE Consumi energetici nel Mondo e in Europa 10 Consumo energetico EUROPEO

11 Consumi energetici in Italia 11 Consumo totale annuo: 165 Mtep TOTALE DA FER: 10,4% TOTALE DA COMBUSTIBILI FOSSILI: >80%

12 Biogas in Europa A fine 2009 quantità di energia primaria prodotta da impianti a biogas : 8300 ktep (Italia al quarto posto) 12 Fonte Eurobserver, 2011 Nel 2010: 10,9 Mtep di energia primaria, +31,3% rispetto al 2009 e 30,4 TWh di EE corrispondenti a +20,9% rispetto al 2009 Ad oggi oltre dislocati nell EU a 27, di il 64% è alimentato da substrati derivanti dal settore agricolo

13 Previsioni di crescita 13 Al fine di garantire l adempimento agli obiettivi della citata Direttiva , si prevede che l Europa a 27 avrà una rapida crescita in termini di produzione di energia elettrica da biogas raggiungendo 56,5 TWh nel 2020 pari a +7,3% medio annuo prendendo come riferimento l anno Il contributo più significativo arriverà da: Germania con 23,4 TWh; Italia con 6 TWh; Regno Unito con 5,6 TWh. Nello stesso periodo temporale, la capacità elettrica degli impianti aumenterà da 5177 a 9528 MW e la quantità di recupero del calore passerà da 1,4 a 3,8 Mtep.

14 OBIETTIVI DEL PAN ENTRO IL 2020: MW elettrici prodotti da biogas immissione del biogas-biometano nella rete del gas naturale utilizzo del biometano come biocarburante con apposita tariffa incentivante Biogas in Italia 14 A FINE 2011: 521 impianti, di cui 494 dal solo settore agricolo e agroindustriale Potenza elettrica totale installata: 350 MW e

15 Censimento delle biomasse in Italia 15 L'ENEA (Ente per le Nuove Tecnologie, l Energia e l Ambiente) ha realizzato un Atlante online per pubblicare le informazioni relative al potenziale energetico delle biomasse distribuite sul territorio nazionale e a scala provinciale. Tale censimento, pubblicato nel Rapporto 2009/167, contiene un elaborazione di mappe tematiche ed costituito da 7 geodatabase della biomassa annua potenzialmente prodotta, suddiviso per categorie e tipologie: biomassa agricola (paglie, potature, lolla di riso, gusci di frutta, vinacce e sanse); biomassa forestale (legno latifoglie, conifere, arboricoltura); colture energetiche (sorgo, miscanto, cardo, panico, arundo), biogas allevamenti suini; biogas allevamenti bovini; biogas da FORSU (frazione organica rifiuti solidi urbani); biogas da scarti di macellazione.

16 Mappatura delle biomasse 16 Esempi Fonte ENEA

17 3. ITER AUTORIZZATIVO E INCENTIVI 17

18 Normativa di riferimento 18 La disciplina autorizzativa degli impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili è contenuta nell articolo 12 del D. Lgs. 387/03, che definisce gli stessi come opere di pubblica utilità ed indifferibili ed urgenti ed introduce importanti indicazioni per la razionalizzazione e semplificazione procedurale. In particolare, la norma prevede un iter autorizzativo differente in base alla fonte rinnovabile utilizzata e alla potenza di soglia. Per gli impianti a biogas il limite stabilito è 250 kw (tabella A, D. Lgs. 387/03)

19 Schema dell iter autorizzativo 19 Potenza installata <250 kw >250 kw Amministrazione competente Procedimento per avviamento per lavoro Tempi per concessione attivazione Ulteriore documentazione: Comune DIA 30 gg 180 gg Autorizzazione paesaggistica Valutazione di incidenza (VINCA) per SIC e ZPS Nulla osta gestione area protetta Nulla osta forze armate (zone militari, zone volo a bassa quota) Nulla osta ENAC Variante di destinazione d uso Autorizzazione alla costruzione dell elettrodotto Valutazione sulla regolarità dell impianto dal Comando dei Vigili del Fuoco Provincia/Regione Autorizzazione Unica

20 Incentivi 20 Prerequisito: Qualifica IAFR (rilasciata dal GSE) CERTIFICATI VERDI TARIFFA OMNICOMPRENSIVA titoli negoziabili rilasciati dal GSE in misura proporzionale all energia prodotta da un impianto qualificato IAFR entrato in esercizio entro il 31 dicembre CV = 1 MWh da FER i CV hanno validità triennale prezzo di collocamento sul mercato dei CV per l anno 2012 pari a 74,72 euro/mwh (AEEG) riservata agli impianti qualificati IAFR di P < 1 MW o 0,2 MW per gli impianti eolici entrato in esercizio entro il 31 dicembre 2012 la TO è differenziata per tipologia di fonte utilizzata secondo i valori indicati dalla Tabella 3 allegata alla Legge Finanziaria (aggiornata dalla Legge n.99 del 23/07/2009) Per 15 anni di funzionamento dell impianto

21 Incentivi per il biogas 21 Impianto Biogas e biomasse Biogas da discarica Impianto Biogas da filiera corta 1,8 Biogas da discarica 1,3 Altro 0,8 Tariffa omnicomprensiva 0,28 euro/kwh 0,18 euro/kwh Coefficiente moltiplicativo dei CV Per impianti entrati in esercizio entro il 31/12/2012. Nuova incentivazione con DM 6/07/2012 per il Immissione in rete: 1. Libero mercato 2. Ritiro dedicato 3. Autoconsumo

22 4. DIGESTIONE ANAEROBICA 22

23 Processi di conversione 23 La scelta del processo più opportuno dipende dalle caratteristiche della biomassa (caratterizzazione energetica in laboratorio norme UNI) CONVERSIONE TERMOCHIMICA se C/N>30 ed U<30% CONVERSIONE BIOCHIMICA se C/N<30 ed U>30% Esempi: 1. combustione diretta 2. gassificazione 3. carbonizzazione 4. pirolisi Esempi: 1. digestione anaerobica 2. fermentazione alcolica 3. esterificazione

24 Digestione anaerobica (D.A.) 24 processo biologico realizzato in assenza di ossigeno da alcuni batteri patogeni che trasformano la sostanza organica in biogas Composizione biogas: 50 80% da metano e restante parte da CO 2 Potere calorifico: variabile tra e kj/nm 3 Tipo di digestione Contenuto di SST a umido <10 % semisecca % secca >20 %

25 Tipologie impiantistiche 25 In base alla movimentazione del flusso, i digestori vengono distinti in: Flusso a pistone o Plug-Flow: l alimentazione è discontinua, il substrato nel digestore compie varie fasi muovendosi sempre lungo l asse longitudinale al reattore Flusso completamente miscelato o alimentazione continua: durante il processo di metanizzazione il substrato segue un movimento che garantisce un continuo mescolamento dello stesso.

26 Principali parametri di stabilità della D.A temperatura che determina lo sviluppo di diverse famiglie di microrganismi: a. psicrofili per T <25 C b. mesofili per T tra 25 e 45 C c. termofili per T tra 45 e i 70 C 2. ph del substrato in un digestore anaerobico (valore ottimale: 7-7,5) 3. tempo medio di ritenzione (HRT) che rappresenta il tempo di permanenza del substrato all interno di un reattore ed è definito come il rapporto tra il volume del reattore e la portata di alimentazione allo stesso 4. resa in biogas

27 Resa in biogas delle biomasse 27 Materiali m 3 biogas/t SV (*) Deiezioni animali (suini, bovini etc.) Residui colturali (paglia, residui barbabietola etc.) Scarti organici dell agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti etc.) Scarti organici da macellazione (grassi, sangue etc.) F.O.R.S.U Colture energetiche (*) SV = Solidi Volatili (frazione della sostanza secca costituita da sostanza organica)

28 Resa in biogas: alcuni valori 28 Deiezioni zootecniche Residui agroindustriali

29 Stima del fabbisogno annuo di materia prima 29 Fonti di biomassa Quantità s.s.o. (kg/t) Resa in biogas (m 3 /kg s.s.o.) Produzione di biogas (m 3 /t) Quantità di metano (m 3 /t) Energia elettrica (kwh/t) Fabbisogno annuo di matrice (t/kw) 1) Colture dedicate Mais 304,00 0,60 182,40 109,44 328,32 23,76 2) Reflui zootecnici Liquame suino 45,00 0,45 20,25 12,15 36,45 213,99 3) Sottoprodotti Scarto di frantoio 855,00 0,80 684,00 410, ,20 6,34 Esempio per un impianto con 7800 ore di funzionamento: coefficiente di rendimento del metano = 60% coefficiente di rendimento EE = 1,8 kwh/m 3 Fonte Biogas: Come ottenere reddito dall agricoltura (2011) Dipende dalla biomassa di partenza

30 Componenti dell impianto DIGESTORE 1. Soluzione con getto di cls in opera 2. Soluzione con manufatti prefabbricati 3. Soluzione in acciaio 30 Digestore con sezioni prefabbricate, con copertura in acciaio e rivestimento vetrosmaltato, completamente miscelato con agitatore Digestori in acciaio

31 Componenti dell impianto ALIMENTAZIONE per assicurare una corretta e regolare immissione della biomassa nel digestore: con veicolazione tramite pompaggio delle frazioni liquide e solide separatamente Esempio di mulino per biomassa 31 Esempio di digestore con tramoggia di carico e coclea PRETRATTAMENTO per migliorare il rendimento degli impianti e la digeribilità della sostanza organica immessa (trattamenti termici, chimico-fisici, meccanici di macinazione e triturazione)

32 Componenti dell impianto MISCELAZIONE 32 per assicurare il massimo contatto tra microrganismi e biomassa in fermentazione, aumentando così l efficienza del processo. Dipende dal volume del digestore, dalle caratteristiche della biomassa e dal tenore di solidi. Può essere: idraulica (ricircolo con pompa esterna) meccanica (soluzione più usata) Sistema di riscaldamento Esempio di agitatore RISCALDAMENTO per garantire il mantenimento omogeneo di T e far fronte alle perdite di calore

33 Componenti dell impianto 33 GASOMETRO Elemento indispensabile per raccogliere temporaneamente il biogas prodotto in attesa di una sua utilizzazione Gasometro a membrana singola Gasometro a doppia membrana Torcia automatica di sicurezza TORCIA DI SICUREZZA per garantire la combustione del biogas prodotto in caso di avaria del motore

34 Componenti dell impianto CIRCUITO PER LA CONDENSA 34 Il biogas viene trasferito all impianto di cogenerazione attraverso tubi interrati. Ciò comporta una riduzione di T del gas e la formazione di condensa dovuta all umidità contenuta nel gas. I tubi grazie all inclinazione dell 1% convogliano la condensa in un apposito contenitore impermeabilizzato che evita perdite indesiderate di acqua. Una pompa ad immersione all interno del contenitore per la condensa trasferisce l acqua alle vasche di stoccaggio del digestato. Esempio di pozzetto per la condensa con dispositivi di controllo a galleggiante

35 Digestato Prodotto di composizione e consistenza variabili, in funzione della biomassa in ingresso e delle modalità di conduzione del processo di D.A. Al digestato tal quale si applica il processo di separazione solido/liquido, generando un solido palabile (25-30%) ed un liquido con basso residuo secco (2-8% di SS) 35 ST (g/kg) SV (g/kg) ph NTK (g/kg) C/N Fosforo (g/kg) ,5-8, ,8-1,2 Composizione tipica del digestato Direttiva Nitrati (recepita dal DM 07/04/2006) Tipologia di zona Zona vulnerabile a nitrati (ZVN) Zona non vulnerabile a nitrati (ZNVN) Limite di spandimento 170 kg/ha 340 kg/ ha Fonte Biogas: Come ottenere reddito dall agricoltura (2011)

36 Costi 36 Capitoli di spesa Costo per energia (euro/kwh) Costi espliciti (C.E.) Costo unitario (euro/kw) Costo totale (euro) SPESA TOTALE ANNUA Gestione ordinaria 0,01 74, ,00 Manutenzione ordinaria 0,008 58, ,00 TOTALE C.E.+TOTALE C.S.+QUOTA ANNUALE MUTUO Assistenza 0,03 234, ,00 Analisi chimico-fisiche 0,003 19, ,00 Spese generali 0,011 85, ,00 Totale C.E. 0, , ,00 Costo per energia (euro/kwh) Costo unitario (euro/kw) Costo totale (euro) 0, , ,76 Capitoli di spesa Costo per energia (euro/kwh) Costi straordinari (C.S.) Costo unitario (euro/kw) Costo totale Impianto 0,005 40, ,00 Cogeneratore 0,002 18, ,00 Totale C.S. 0,007 58, Esempio per un impianto da 200 kw con 7800 ore /anno di funzionamento Fonte Biogas: Come ottenere reddito dall agricoltura (2011)

37 5. ESEMPI DI IMPIANTI REALIZZATI 37

38 Esempio 1: 38 Post digestore Tramoggia Digestore Trincea e vasca di stoccaggio L Azienda Agricola Bosco della Cascina (zona Monferrato) coltiva 450 ettari e gestisce un allevamento suinicolo chiuso. Il progetto ha portato alla realizzazione di un digestore anaerobico per la produzione di biogas ed il suo utilizzo energetico in cogenerazione. L impianto è in funzione da gennaio 2010.

39 Esempio 2: 39 L impianto di Pegognaga (Mantova) è stato attivato a fine 2009, in assetto cogenerativo. La dieta dei microrganismi del digestore si compone di rumine (42%), sangue che deve essere prima pastorizzato (8%) e fanghi di depurazione (50%). I materiali provengono dalle zone dei Comuni limitrofi e seguono un processo di digestione mesofilo che dura tra 35 a 40 gg. L impianto ha due digestori, di 2000 m 3 ciascuno, che possono ricevere 100 t/gg di materiale. La dieta fornisce 25 m 3 di metano al giorno per ogni tonnellata di matrice decomposta. Il motore ha una potenza di 526 kw elettrici per circa 8000 ore di funzionamento l anno. Gasometro Digestori

40 Conclusioni 40 L impiego di F.E.R. quali le biomasse dedicate o residuali è una delle azioni strategiche più significative nell ottica dell ottenimento degli obiettivi volti alla riduzione delle emissioni di gas climalteranti e alla produzione di energia ambientalmente ed economicamente sostenibile. Un impiego ottimale di tali risorse necessita di attività di sperimentazione in laboratorio e in campo, utili nella definizione del potenziale energetico ottenibile e dei processi di produzione e conversione ottimali. Negli ultimi anni sono stati realizzati numerosi impianti di D.A. in Europa e in Italia. Il biogas presenta ottima potenzialità di crescita nel nostro Paese. Il settore agricolo, zootecnico ed agroalimentare possono essere la forza motrice.

41 GRAZIE PER L ATTENZIONE Contatti: Ing. Elena Allegrini allegrini.e@unitus.it 41