IA protezione dell ambiente EFFICIENZA E PROBLEMATICHE DI UN IMPIANTO DI DIGESTIONE ANAEROBICA A COLTURE DEDICATE 1. PREMESSA

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1 EFFICIENZA E PROBLEMATICHE DI UN IMPIANTO DI DIGESTIONE ANAEROBICA A COLTURE DEDICATE Sommario Nel corso del 2009 e 2010, CRPA ha condotto un programma di monitoraggio di un impianto di digestione anaerobica alimentato principalmente con colture dedicate e secondariamente con pollina di ovaiole, residuo stomacale e altri sottoprodotti agroindustriali. Lo scopo del programma è stato quello di verificare l efficienza e i principali indici di funzionamento. Nel corso del periodo di monitoraggio l impianto è stato reso accessibile in remoto per il controllo dei principali parametri e visitato con frequenza mensile. Ad ogni visita sono stati prelevati campioni del digestato presente nei diversi reattori e i diversi parametri di registrazione. L elaborazione dei parametri registrati ha portato ai seguenti indici di funzionamento: il carico organico volumetrico è risultato pari a 2,29 kg SV/m 3 /giorno, il tempo di ritenzione idraulico pari a 138 giorni (senza considerare il tempo di permanenza negli stoccaggi coperti finali), la produzione volumetrica pari a 1,36 Nm 3 biogas/m 3 digestore/ giorno. L efficienza di conversione biologica delle biomasse in biogas è risultata pari a 638 Nm 3 /t SV caricati con una percentuale di metano pari al 51,8%. Il metano prodotto è stato convertito in energia elettrica da un cogeneratore da 1 MW di potenza elettrica installata con un rendimento del 41% circa: il coefficiente di conversione complessivo è risultato pari a 1,37 kwhe/kg SV e il cogeneratore ha funzionato per il 94,4% del tempo a pieno carico. La produzione nel corso dell anno è risultata molto regolare soprattutto grazie alla elevata regolarità della matrici alimentate e alla introduzione di scarti agroindustriali ed effluenti zootecnici. EFFICIENCY AND MANAGEMENT OF AN ANAEROBIC DIGESTION PLANT FED WITH ENERGY CROP Summary Over 2009 and 2010, CRPA conducted a monitoring program of biogas plant fed principally with energy crop and secondarily with poultry manure, stomach residue additionally with others industry residues. The aim of the program was to verify efficiency and measure running parameters. Over the monitoring period the plant allowed remote access to check the main parameters and was visited on a monthly basis. On each visit samples were taken of the biomass loaded and the digestate produced with an assessment of the biogas plant and CHP parameters. All parameters measured were processed to calculate the typical * Dott. Claudio Fabbri, dott. Chimico Sergio Piccinini, Centro Ricerche Produzioni Animali (CRPA) Corso Garibaldi, , Reggio Emilia c.fabbri@crpa.it, s.piccinini@crpa.it. ** Dott. ing. Sami Shams-Eddin, dott. Filippo Bondi, Azienda agricola Cominello Via Leopardi, , Volta Mantovana (MN) sami_eddin@hotmail.com, filbondi@tin.it. C. Fabbri*, S. Shams-Eddin**, F. Bondi**, S. Piccinini* biogas plant indices: the organic loading rate has been 2,29 kgvs/m 3 /day, hydraulic retention time 138 days (except the time remaining in the final covered storage tanks), biogas yield 1,36 m 3 biogas/m 3 reactor, and organic efficiency transformation. The plant monitoring activities found a biological conversion rate of the biomass equivalent to 638 Nm 3 /tvs loaded with a 51,8% methane content. Methane gas production has been converted in electrical energy by a CHP of 1 MW electric power with a mechanical efficiency of about 41%: the farmer was able to achieve a conversion efficiency of 1,37 kwhe/kgvs and CHP run for 94,4% of total time at full load. The plant energy production was high regular due to the high co-fermentation rate between the energy crops, agro-industrial residues and animal manure. Parole chiave: biogas, energia rinnovabile, colture energetiche, gestione impianto, sottoprodotti, carico organico volumetrico, resa di conversione. Keywords: biogas, renewable energy, energy crop, plant management, food industry residues, organic load rate, biogas yield. 1. PREMESSA La produzione di biogas da impianti a colture dedicate ha visto nell ultimo biennio un notevole sviluppo grazie agli incoraggianti incentivi economici sulla produzione di energia elettrica immessa in rete: CRPA, nell ultimo censimento effettuato a marzo 2010 ha individuato 273 impianti di biogas da biomasse agrozootecniche esistenti in Italia, di cui 21 alimentati esclusivamente a colture dedicate (principalmente insilati di mais, sorgo, triticale e altri cereali). Il 44% di questi impianti è stato realizzato nel corso del biennio , e il 45% circa degli stessi ha una potenza elettrica installata compresa fra 500 kw e 999 kw, circa 20 impianti hanno una potenza elettrica installata maggiore di 1 MW. Ciò a rimarcare le dinamiche di un mercato che nel momento di forte espansione predilige la realizzazione e, conseguentemente, l incentivazione anche a livello commerciale degli impianti a più elevato investimento e remuneratività, coinvolgendo soprattutto le aziende di grandi dimensioni. Lo sviluppo non è stato omogeneo ma ha visto protagoniste soprattutto alcune regioni del nord Italia (Lombardia, Piemonte e Veneto). Molto di frequente si tratta di aziende IA protezione dell ambiente 29

2 IA protezione dell ambiente agricole singole che si dedicavano precedentemente alla produzione di cereali da granella per il mercato agricolo, ma non sono rari i casi di aziende zootecniche che hanno ampliato la propria superficie agricola coltivata per sinergizzare l attività zootecnica principale con la produzione di energia. Di fatto si stà assistendo ad un progressivo ingresso dell agricoltura intensiva nel mercato energetico nazionale delle fonti rinnovabili. Con l approvazione del Piano d Azione Nazionale per le energie rinnovabili predisposto dal governo italiano a giugno 2010, sono state pubblicate le indicazioni per raggiungere gli obbiettivi presenti nella Direttiva 2009/28/CE. Tali obiettivi prevedono di coprire almeno il 17% delle risorse energetiche nel loro complesso (elettriche, termiche e combustibili per autotrazione) con fonti rinnovabili e di immettere nel sistema dei trasporti almeno il 10% di combustibili da fonte rinnovabile (biocombustibili). Il biogas in questo quadro è una delle voci che permetteranno di conseguire il risultato finale. A differenza però di altre filiere energetiche, la filiera del biogas ha alcune peculiarità che la rendono particolarmente interessante per il mondo agricolo: è una filiera molto elastica che permette di sfruttare energeticamente una serie molto vasta di prodotti e sottoprodotti che altre filiere non riescono a sfruttare (effluenti zootecnici, sottoprodotti agro-industriali umidi e variabili nel tempo, sottoprodotti animali, ecc.), riducendo la competizione per l approvvigionamento; è una filiera tipicamente corta: nasce corta perchè utilizza prodotti che non possono essere trasportati per lunghe percorrenze in quanto molto umidi, muore corta perchè deve gestire un residuo (digestato) umido che per ragioni economiche deve trovare collocazione nelle immediate vicinanze dell impianto (10-20 km); è una filiera agricola perchè la dimensione impiantistica parte da 20 kw e arrivava fino a 2-3 MW, consentendo a tantissime aziende di attrezzarsi con una valida alternativa/integrazione al reddito agricolo; è una filiera certa perchè è disponibile, per gli impianti con potenza elettrica installata minore di 1 MW, una Tariffa Omnicomprensiva (280 /MWh) che viene pagata mensilmente e per 15 anni; è una filiera ambientalmente molto promettente perchè oltre a ridurre l impatto ambientale degli allevamenti recuperando parte delle emissioni spontanee di metano dagli stoccaggi di effluenti zootecnici, consente di produrre energia elettrica risparmiando fonti fossili (tecnologia definita dagli anglosassoni Win-Win, ovvero doppiamente vincente); può portare alla produzione di Biometano, ovvero biogas purificato dal biossido di carbonio e altre impurità gassose, per essere immesso in rete e utilizzato in impianti ad alta efficienza energetica ovvero utilizzato come biocombustibile da autotrazione. Di seguito viene illustrata una esperienza di diversificazione produttiva agricola che ha visto nella filiera agro-energetica, in particolare del biogas, una importante opportunità economica alternativa. La nuova società, Azienda agricola Cominello con sede a Cereta di Volta Mantovana (MN), ha realizzato un impianto di digestione anaerobica alimentato a colture dedicate e sottoprodotti agro-industriali, beneficiando dell apporto congiunto di circa 180 ha dei diversi soci agricoltori oltre ad ulteriori 150 ha di fornitori non soci. L impianto è stato terminato nell estate del 2009, avviato con il riempimento dei digestori con liquame bovino ed entrato in produzione a regime nell arco di circa 15 giorni (settembre 2009). 1.1 Descrizione dell impianto di biogas L impianto di produzione di biogas (Figura 1) è costituito da 2 digestori primari completamente miscelati e riscaldati del volume utile di circa m 3 cadauno (φ = 23 m, altezza 6 m, riempite fino a 5,5 m), connessi con due tramogge automatiche su celle di carico che provvedono ad alimentare gli insilati di mais a intervalli di tempo prefissati (Tabella 1). Il volume delle tramogge è di 60 m 3 cadauna e consentono un autonomia massima di carico di circa 1,2 giorni. Le tramogge sono attrezzate con un sistema di trasporto automatico del prodotto ad una coclea di sollevamento ciascuna interconnessa ad una seconda coclea inclinata e inserita nel digestore. La coclea inclinata introduce il prodotto al di sotto del livello del digestato in modo da evitare la fuoriuscita di biogas. Il digestato uscente dai 30

3 Fig. 1 Schema di funzionamento dell impianto (FM1, FM2 e FM3 vasche di digestione anaerobica, SF1 e SF2 vasche di stoccaggio coperte) Tab. 1 Parametri dimensionali dell impianto Parametro Unità di misura Valore Tipo di reattore (1) CSTR Volume totale dei tre digestori m Volume utile dei tre digestori m Volume di stoccaggio del digestato m Temperatura di processo C Tempo ritenzione idraulica (2) Giorni Potenza elettrica installata CHP (3) kw 999 (1) CSTR: reattore completamente miscelato e riscaldato; (2) considerando il solo carico di biomasse solide (insilati) e escludendo il volume delle vasche di stoccaggio; (3) CHP: cogeneratore. reattori primari viene pompato nel reattore secondario (3.385 m 3, φ = 28 m, altezza 6 m, riempito fino a 5,5 m) e da qui alle vasche di stoccaggio finale coperte (2 vasche da m 3, φ = 28 m, altezza 6 m, riempito fino a 5,5 m). Per ottimizzare il contenuto di sostanza secca nelle diverse vasche, la pompa effettua importanti ricircoli fra i digestori primari e il digestore secondario. Il volume lordo totale dedicato direttamente al processo di digestione anaerobica è pari a m 3 (7.278 m 3 utili), il volume di stoccaggio (6.760 m 3 lordi), invece, viene utilizzato come digestione anaerobica limitatamente al periodo in cui il digestato è presente. Nei momenti di massima presenza di digestato in impianto, di conseguenza, il volume di processo è pari a m 3 lordi ( m 3 netti), equivalenti a 13,5 m 3 /kwe installato. Tutte le movimentazioni del digestato sono effettuate con una sola pompa a vite, attrezzata con contatore volumetrico e comandata da un software i cui parametri funzionali possono essere modificati dal gestore. Le connessioni della pompa con le condutture sono effettuate mediante due valvole a 5 vie elettrocomandate che mettono in comunicazione le diverse vasche (Figura 2). Ogni vasca di processo è miscelata con 3 mixer a elica sommersi da 18 kw di potenza elettrica cadauno (162 kw totali installati), e riscaldate per mezzo di numerosi (38) anelli di tubi di polietilene. Ogni anello è indipendentemente collegato ad un collettore montato all esterno della vasca e sezionabile rispetto alla mandata principale. Il digestore viene fatto funzionare in regime di mesofilia: la temperatura indicata dai sensori è mediamente pari a IA protezione dell ambiente 31

4 IA protezione dell ambiente Fig. 2 Schema di principio della movimentazione del digestato fra le diverse vasche di processo (FM1, FM2 e FM3 vasche di digestione anaerobica, SF1 e SF2 vasche di stoccaggio coperte). A seconda della coppia di valvole aperta, il flusso può arrivare da una qualunque delle vasche e venire inviato ad una qualunque delle altre vasche C, ma il sensore è posizionato nelle immediate vicinanze del dissipatore interno e la temperatura effettiva del digestato all interno del digestore è mediamente pari a C. La coibentazione delle pareti laterali è stata realizzata con pannelli di 8 cm di spessore di polistirene a cui è stata sovrapposta una copertura di lamiera grecata. La soletta di base è stata isolata, invece, apponendo uno strato isolante di circa 8 cm fra il magrone e la soletta stessa. Le vasche di stoccaggio si differenziano per la mancanza del sistema di riscaldamento e dell isolamento termico nella parte alta delle pareti. La miscelazione di queste è garantita da 2 eliche sommerse per vasca da 18 kwe cadauna. Tutte le vasche realizzate, comprese quelle di stoccaggio, sono dotate di copertura gasometrica a doppio telo con sostentamento pneumatico a pressione differenziata in modo che il biogas possa essere convogliato spontaneamente verso un unico gasometro da cui parte la linea per l alimentazione del cogeneratore. Tutte le coperture gasometriche sono attrezzate con valvole di sicurezza/rompivuoto a doppia guardia idraulica che intervengono quando la pressione interna supera il valore di 2 mbar o scende sotto il valore di allarme. Il volume di stoccaggio del biogas complessivo dipende dal livello di riempimento delle vasche di stoccaggio e mediamente è pari a circa m 3, sufficiente per circa 15 ore di funzionamento del cogeneratore. All interno dei due fermentatori principali e del postfermentatore è presente una travatura in legno che sostenta una rete in nylon avente la funzione di favorire lo sviluppo della flora batterica solfossidante. Tale sistema di desolforazione biologica con aria permette la conversione della maggior parte dell idrogeno solforato, che viene prodotto congiuntamente al metano nel processo biologico, in zolfo elementare. L ossigeno necessario al processo biologico dei solfobatteri è garantito dall immissione di un volume controllato di aria ambiente, tale da mantenere la concentrazione di ossigeno nei gasometri inferiore a circa 0,5-0,8%. Lo zolfo prodotto dai batteri desolforanti ricade direttamente nel digestore e viene gestito agronomicamente con il digestato risultante. Per la deumidificazione del biogas, la conduttura che porta lo stesso al cogeneratore è interrata per la maggior parte del tragitto ed è attrezzata con diversi punti di scarico delle condense e un gruppo frigorifero che porta la temperatura del biogas stesso a circa 6-8 C prima del compressore. Il biogas prodotto e raffinato, infine, viene utilizzato in un cogeneratore a ciclo Otto da 999 kwe (Jenbacher mod. 416) o, in caso di emergenza, da una torcia di combustione. Per la cessione dell energia elettrica prodotta alla rete del gestore locale, l azienda si è dotata di una cabina elettrica in media tensione e di una linea di connessione lunga circa 1,3 km. Lo stoccaggio delle colture dedicate (prevalentemente insilato di mais) avviene in 3 trincee di cemento armato costruite in opera, lunghe 100 m, larghe 20 m e con pareti di contenimento laterali alte 4,25 m. La capacità totale delle trincee è pari a circa t di materiale trinciato compresso. Tutte le superfici di lavoro e stoccaggio sono impermeabilizzate e collegate ad una rete fognaria attrezzata con un sistema di gestione delle acque di prima pioggia. Per una ottimale gestione delle forniture di biomasse l azienda si è dotata di una pesa da 18 m, una termobilancia per la determinazione della sostanza secca delle matrici e di una spazzatrice che viene utilizzata dopo ogni fase di carico per ridurre al mi- 32

5 nimo il rischio di intasamenti delle caditoie. Tutto l impianto è recintato e provvisto di sistemi di sicurezza e teleallarmi. 2. MATERIALI E METODI Scopo del programma di monitoraggio è stato di verificare l efficienza di conversione delle biomasse utilizzate, rilevare i principali parametri di funzionamento dell impianto e i problemi gestionali. I principali parametri misurati sono stati: 1) quantità di biomasse solide e liquide caricate (t/giorno): la quantificazione è stata fatta utilizzando le tramogge di carico presenti attrezzate con celle di carico. L azienda ha registrato regolarmente la tipologia di biomassa caricata in ognuna delle tramogge; 2) caratteristiche chimiche delle biomasse caricate (ph, solidi totali e volatili, azoto totale e ammoniacale, fosforo); 3) qualità del biogas prodotto: concentrazione di metano (%vol), biossido di carbonio (%vol), idrogeno solforato (mg/nm 3 ), con lettura sulla strumentazione installata sull impianto ovvero con analizzatore portatile (Geotechnical Instruments, mod. GA2000 Plus); 4) volume di biogas prodotto (Nm 3 /h): con lettura del contatore installato a monte del cogeneratore; 5) potenza elettrica media (kw) lorda prodotta, potenza elettrica utilizzata dagli ausiliari al cogeneratore (pompa di ricircolo dell acqua di raffreddamento, soffiante biogas, chiller per raffreddamento biogas, accessori elettrici per il funzionamento del cogeneratore), potenza elettrica utilizzata dall impianto di digestione anaerobica (miscelatori, pompe, sistemi di carico e scarico), mediante lettura periodica dei contatori installati nell impianto e analisi dei dati registrati dai PLC; 6) caratteristiche del digestato nei diversi reattori: ph, solidi totali e volatili, azoto totale e ammoniacale, fosforo, acidità volatile totale e alcalinità totale. Per i parametri ph e rapporto acidità totale su alcalinità totale la frequenza di campionamento è stata di due volte a settimana, mentre per gli altri parametri mediamente mensile. La metodologia analitica adottata per il rapporto acidità/alcalinità, messa a punto in Germania dall istituto di ricerca federale per l agricoltura (FAL) e denominata FOS/TAC, prevede la titolazione del digestato a due livelli di ph (fino a 5 per la determinazione dell alcalinità e fino a 4,4 per la determinazione dell acidità totale). L acronimo FOS sta per «Flüchtige Organische Säuren» (Acidi Organici Volatili), ed è misurato in mg HAceq/l; TAC sta per «Totales Anorganisches Carbonat» (Capacità di Tamponamento Alcalina), espressa in mg CaCO 3 /l. Tutti i parametri rilevati sono stati processati per calcolare i tipici indici di efficienza degli impianti di biogas: potenza elettrica media a pieno carico (kw e ), carico organico volumetrico (kgsv/m 3 /giorno), tempo di ritenzione idraulica (giorni), produzione volumetrica (m 3 biogas/m 3 reattore), resa in biogas e metano (Nm 3 biogas,metano/tsv), produzione specifica di energia elettrica (kwh/kgsv). 3. RISULTATI 3.1 Prestazioni produttive Nel corso del periodo intercorso fra l avviamento dell impianto (settembre 2009) e la fine del mese di novembre 2010, equivalente a 457 giorni di lavoro ( h), l impianto ha funzionato con continuità producendo, complessivamente, MWh e. Gli autoconsumi (Tabella 2) per il funzionamento dei cogeneratori e dei digestori sono stati pari a 948 MWh e, equivalenti al 9,2% della produzione lorda (86 kw e in media). La potenza media prodotta, calcolata sulle 24 h, è stata di 944 kw e, pari al 94,4 % della potenza installata del cogeneratore. Nel grafico illustrato in Figura 3 viene riportato l andamento della produzione della potenza elettrica totale giornaliera dell impianto. L 86,7% dello ore di funzionamento è avvenuto ad una potenza elettrica effettiva maggiore del 90% della potenza elettrica installata del cogeneratore (Tabella 3), mentre i giorni di fermo totale sono stati limitati a 4 in tutto l arco temporale. Rapportando i valori monitorati all arco temporale annuale, la produzione elettrica lorda è risultata pari a MWh e (equivalente ad una produzione giornaliera a pieno carico di 22,6 h), mentre la produzione netta vendibile pari a MWh e. IA protezione dell ambiente 33

6 IA protezione dell ambiente Tab. 2 Sintesi dei parametri di produzione energetica dell impianto nel periodo di monitoraggio (15 mesi) e per anno Parametro Unità di misura Periodo monitorato (15 mesi) Per anno Produzione lorda energia elettrica MWh Potenza elettrica media prodotta kw percentuale della potenza installata % 94,4 94,4 Autoconsumo ausiliari cogeneratore MWh percentuale della produzione lorda % 3,8 3,8 Autoconsumo impianto digestione MWh percentuale della produzione lorda % 5,4 5,4 Produzione di energia elettrica vendibile MWh Biomasse utilizzate Le biomasse utilizzate nel corso del 2009 e fino a luglio 2010 sono riconducibili esclusivamente a insilati di colture dedicate (mais), mentre a partire da agosto 2010 l impianto ha iniziato a ritirare sottoprodotti agroindustriali di origine vegetale, contenuto ruminale e pollina di ovaiole parzialmente disidratata su nastro ventilato, che sono andati a sostituire parzialmente gli insilati di colture dedicate. Nella Tabella 4 sono riportate le quantità di prodotti utilizzati nel periodo considerato, suddivisi per quantità, solidi totali e solidi volatili: mediamente sono stati caricati 50,3 t di matrici organiche ( t/anno), equivalenti a 16,7 t/giorno di solidi volatili con un rapporto SV/ST di 95,8% (6.095 tsv/anno). Il carico organico volumetrico (COV, kg SV/m 3 /giorno), che Fig. 3 Potenza elettrica prodotta nel periodo monitorato Tab. 3 Distribuzione delle ore di funzionamento rispetto alla potenza effettiva Range di potenza effettiva rispetto alla potenza nominale po di funzionamento Percentuale del tem- >90% 86,70% fra 80% e 90% 5,50% fra 60% e 80% 2,70% fra 40% e 60% 1,70% <40% 3,40% esprime la quantità di solidi volatili caricati per giorno e per metro cubo di reattore anaerobico, è risultato mediamente pari a 2,29 kg SV/m 3 /giorno (Figura 4), il 97,4% di questo proviene da colture dedicate (Figura 5). Nel periodo compreso fra agosto e novembre 2010 il COV è stato di 2,22 kg SV/m 3 /giorno, 34

7 Fig. 4 Carico organico volumetrico applicato nel corso del periodo monitorato Tab. 4 Quantità di prodotti utilizzati (tal quale, solidi totali e solidi volatili) nel periodo monitorato Matrice Quantità Solidi totali Solidi volatili [t] [%] [t] [%] [t] [%] Insilato ,4 85, ,4 88, ,0 88,3 Insilato ,7 10,3 706,3 9,1 678,1 9,1 Contenuto ruminale 784,5 3,4 153,7 2,0 144,4 1,9 Marcomela 80,5 0,4 15,6 0,2 15,3 0,2 Pollina di ovaiole 125,8 0,5 50,4 0,6 37,8 0,5 Totale ,9 100,0 7786,43 100, ,6 100,0 equivalenti ad una quantità di solidi volatili utilizzata di 16,2 t/giorno, e i solidi volatili caricati sono stati caratterizzati da un rapporto SV/ST pari a 95,4%. Le caratteristiche chimiche delle biomasse utilizzate sono riportate in Tabella Caratteristiche del digestato Il digestato presente all interno dei diversi reattori è stato caratterizzato in 10 occasioni (Tabella 6). La concentrazione di solidi totali e volatili diminuisce progressivamente passando dal digestore primario alla vasca di stoccaggio finale: si passa da valori di solidi totali dell ordine di 8,8% nei due digestori primari (FM1 e FM2) a 8,2% nel post-digestore (FM3) per giungere fino a 7,3% nella vasca di stoccaggio finale. Per il rapporto SV/ST (solidi volatili in rapporto ai solidi totali), invece, si passa da valori pari al 95,8% delle biomasse al carico, a valori del 82,1% nei digestori primari e nel post-digestore, per finire 78,8% a nella vasca di stoccaggio finale. Considerando il rapporto SV/ST come indicatore della degradazione della sostanza organica e l invarianza del contenuto di ceneri, tale riduzione corrisponde ad una conversione dei solidi volatili in biogas pari al 78%. Per quanto concerne, invece, il rapporto FOS/TAC (indice Fig. 5 Ripartizione dei solidi volatili caricati nell impianto per tipologia di matrici organiche IA protezione dell ambiente 35

8 IA protezione dell ambiente Tab. 5 Caratteristiche chimiche delle matrici utilizzate Parametro Unità di misura Silomais 2009 Silomais 2010 Pollina Marcomela Residuo stomacale ph - 3,75 3,8 7,45 3,53 6,85 ST g/kg tq SV NTK g/kg tq %ST 96,0% 96,5% 75,0% 97,9% 93,9% mg/kg tq %ST 1,15 1,38 7,1 6,4 1,71 mg/kg + tq nr nd N-NH 4 %NTK 0,6 0,5 5,1 nd nd -1 mg kg tq nd 184 nd P tot %ST 0,22 0,23 nd 0,1 nd Tab. 6 Caratteristiche chimiche del digestato nelle diverse sezioni dell impianto: valori medi e, fra parentesi, deviazioni standard Parametro Unità di misura FM1 FM2 FM3 SF ph - 7,8 (0,03) 7,77 (0,07) 7,91 (0,07) 7,92 (0,06) ST g/kg tq 88,7 (3,5) 88,1 (1,2) 82,3 (3,0) 73,3 (7,4) SV NTK g/kg tq 72,4 (3,6) 72,1 (1,1) 68,18 (5,1) 57,8 (7,0) %ST 81,7 (1,0) 81,8 (0,7) 82,8 (5,3) 78,8 (2,1) mg/kg tq (816) (175) (156) (100) %ST 4,89 (0,95) 5,57 (0,18) 6,07 (0,16) 6,81 (0,3) + N-NH 4 mg/kg tq (98) (119) (101) (172) %NTK 45,4 (9,3) 40,1 (1,5) 42,8 (2,6) 51,7 (4,5) FOS mghaceq/l (1.067) (1.196) (521) (927) TAC mg CaCO 3 /l (709) (584) (706) (532) FOS/TAC - 0,34 (0,11) 0,37 (0,12) 0,27 (0,04) 0,22 (0,05) mg/kg tq 913 (60) 816 (73) 861 (87) 681 (2) P tot %ST 1,0 (0,1) 0,92 (0,1) 1,03 (0,12) 1,02 (0,03) dell equilibrio chimico del processo) i valori medi passano da 0,36 nei due digestori primari a circa 0,31 nel post-digestore (FM3), per finire a circa 0,21 nella vasca di stoccaggio finale. Ciò indica, di fatto, una attività metanigena in grado di utilizzare tutti gli acidi organici volatili prodotti dalla fase idrolitica e acidogena. La combinazione fra questo valore e il basso tenore di solidi volatili presenti all interno dei digestori primari e del post-digestore porta a considerare che il carico organico volumetrico sia ottimale e che la degradazione della biomassa avvenga con buone performances. Il rapporto FOS/TAC è stato monitorato costantemente durante tutto il periodo di rilievo (mediamente 2 campionamenti per digestore per settimana) e il suo andamento è riportato in Figura 6. Il monitoraggio di questo parametro ha consentito di individuare per tempo una problematica tipicamente riscontrabile negli impianti di digestione anaerobica alimentati con monosubstrati cerealicoli. Nel periodo compreso fra febbraio e marzo tale rapporto ha iniziato ad aumentare, indice che il contenuto di acidità totale stava aumentando. Tale aumento è stato dovuto ad una carenza di micronutrienti che hanno ridotto l attività batterica metanigena con conseguente accumulo di acido acetico. L inserimento per un periodo di circa 15 giorni di un additivo integratore di micronutrienti e l aumento del ricircolo dal post-fermentatore verso i due digestori primari ha consentito da un lato di riequilibrare l attività della flora batterica metanigena e dall altro di riportare il rapporto acidità/alcalinità nel giusto equilibrio. 36

9 Fig. 6 Andamento del rapporto FOS/TAC e del ph nel corso del periodo monitorato Tab. 7 Indici di efficienza produttiva dell impianto Nello stesso periodo il valore del ph si è portato dal valore precedente pari a circa 7,8 al valore minimo, corrispondente al picco della crisi, di circa 7,6. Il contenuto di azoto totale nei due digestori primari è risultato mediamente pari a mg/l, equivalente a circa 4,9-5,6%ST, con una percentuale di azoto ammoniacale del 40-45% ( mg/l). Tali concentrazioni di azoto aumentano sensibilmente passando prima al post-digestore e poi allo stoccaggio finale, grazie alla degradazione dei solidi volatili e alla deamminazione dalle molecole aminoacidiche. Nel post-digestore la concentrazione di azoto totale aumenta a circa mg/l (6,07%ST) con una percentuale sotto forma ammoniacale del 42,8%. Le differenze maggiori si sono osservate nel digestato finale presente nelle vasche di stoccaggio dove la concentrazione di azoto totale è risultata pari a mg/l (6,89%ST) e una percentuale di azoto ammoniacale del 51,7%. Il contenuto medio di fosforo totale è risultato pari a circa l 1% dei solidi totali presenti. 3.4 Indici di efficienza In Tabella 7 vengono sintetizzati i diversi parametri di valutazione dell impianto. La produzione di biogas, misurata dall analizzatore volumetrico installato presso il cogeneratore, nel periodo monitorato è risultata pari a m 3 ( m 3 /giorno), con una percentuale di metano media di 52,8% che ha portato ad una produzione di metano pari a m 3 (5.517 m 3 /giorno). Rapportando tali produzioni all arco temporale annuale le produzioni sono risultate pari a: Indice Unità di misura Valore Carico organico volumetrico (COV) kgsv/m 3 digestore/giorno 2,29 Tempo di ritenzione idraulica Giorni 138 Resa specifica di conversione in biogas Nm 3 /t SV 638 Nm 3 /t tal quale 221 Resa specifica di conversione in metano Nm 3 /t SV 331 Nm 3 /t tal quale 114 Percentuale metano % 51,8 Produzione gas per unità di volume di digestione (GPR) Nm 3 /m 3 digestore/giorno 1,36 Resa specifica di conversione in energia elettrica kwh e /kgsv 1,37 IA protezione dell ambiente 37

10 IA protezione dell ambiente m 3 di biogas, equivalenti a m 3 di metano. Considerando la quantità di solidi volatili complessivamente caricata (7.631 t) la resa di conversione biologica delle biomasse è stata 638 Nm 3 /tsv, corrispondente a 331 Nm 3 /tsv di metano. In termini di produzione di gas rapportata al carico tal quale, la resa di biogas è risultata pari a 212 Nm 3 /t (109 Nm 3 metano/t). Tali valori non tengono conto del biogas combusto nella torcia di emergenza (74 ore di accensione nel periodo monitorato), per la quale non è disponibile la portata di gas, e le eventuali perdite in atmosfera dalle valvole di sfiato di sicurezza. Considerando, in prima approssimazione, una portata di gas similare a quella che viene utilizzata dal cogeneratore tali perdite possono essere stimate nell 1% della produzione utile. La produzione specifica di gas per unità di volume di digestione anaerobica (GPR, Gas Production Rate), escludendo quindi la volumetria delle vasche di stoccaggio, è risultata pari a 1,36 m 3 biogas/m 3 digestore/giorno, mentre il tempo di ritenzione idraulica medio pari a 138 giorni. Infine, sotto il profilo della produzione elettrica sono stati prodotti 1,37 kwh/kgsv. 3.5 Principali problematiche costruttive/gestionali Le principali problematiche costruttive/gestionali riscontrate sono legate ai seguenti aspetti: costruzione opere edili: nel corso del collaudo delle opere edili delle vasche dei digestori anaerobici sono state verificate perdite che hanno comportato interventi successivi di sigillatura; teli di copertura gasometrica: lacerazioni localizzate delle saldature da tensione eccessiva nei mesi estivi, a causa del surriscaldamento del gas contenuto e disassamento per tensioni differenziali fra le diverse esposizioni. Tali inconvenienti sono stati risolti sostituendo il telo, modificando la sezione di scarico dell aria di sostegno pneumatico e modificando i protocolli delle procedure ispettive. Inoltre nel periodo invernale, un inadeguato scarico degli sgocciolatoi ha determinato la formazione di ghiaccio, sulle bocche di aspirazione delle soffianti di sostentamento pneumatico del gasometro, determinando una riduzione di portata d aria. Come conseguenza diretta si è verificato uno sgonfiamento del telo e un accumulo di acqua, ghiaccio e neve che hanno imposto un intervento tempestivo di scarico manuale degli accumuli per evitare la rottura del telo; deumidificazione del biogas: il sistema di raffreddamento del biogas si è dimostrato per un certo periodo non sufficiente a garantire la condensazione ottimale del vapore acqueo presente nel biogas. La condensazione del vapore acqueo è fondamentale per preservare il buon funzionamento delle componenti meccaniche a valle nonché per ridurre al minimo la formazione di condense acide corrosive. Ciò ha portato a diversi fermi del motore per manutenzioni straordinarie. La sostituzione del chiller e l adeguamento dello scambiatore hanno risolto la problematica; container del gruppo cogenerativo: a seguito di un fenomeno di risonanza indotta dalle vibrazioni del gruppo cogenerativo le emissioni acustiche del container sono risultate superiori ai limiti dichiarati. Tale inconveniente è stato tamponato con un intervento di zavorramento del tetto del container. Sono stati, inoltre, riscontrati problemi nel dimensionamento dei condotti di aspirazione dell aria di raffreddamento della sala macchine e del filtro polveri installato; gestione fornitura di biomasse: le maggiori difficoltà sono state riscontrate nella notevole variabilità della qualità delle biomasse reperite sul mercato, ma anche della variabilità temporale delle colture insilate che hanno comportato l adozione di un preciso protocollo di monitoraggio e l acquisizione di una termobilancia ad infrarossi. Il materiale prodotto nel 2010 (insilato di mais) è stato raccolto con un certo anticipo a causa di una grandinata che ha compromesso, verso la fine del mese di luglio, il regolare completamento del ciclo vegetativo della pianta di mais. Ciò ha provocato una riduzione sensibile della produzione areica, stimata in circa il 15%, e un insilamento di un prodotto con una umidità sensibilmente superiore al valore ottimale (28-29% contro il 32-33% mediamente raccolto nel 2009). L elevata umidità di raccolta ha comportato un notevole percolamento dalle trincee che è stato, però, collettato dalle fognature ed avviato a di- 38

11 Fig. 7 Vista aerea dell impianto di digestione anaerobica di Volta Mantovana (MN) gestione anaerobica. Oltre ai problemi legati alla qualità del prodotto, sono stati riscontrati anche problemi gestionali legati alla logistica della raccolta: l intervallo di tempo durante il quale l umidità della pianta è ottimale per la resa produttiva e l insilamento è molto breve (10 giorni circa) e contrasta con l esigenza della dimensione del cantiere di raccolta che deve poter lavorare con celerità e senza interruzioni una superficie di circa 300 ha. Nel periodo di raccolta si sono succeduti diversi eventi meteorici piovosi che hanno interrotto il programma di raccolta e allungato il tempo di riempimento dei sili e la relativa copertura, aumentando così le perdite da respirazione del prodotto già raccolto. Nel corso del primo anno di attività il gestore dell impianto ha messo a punto un programma di apposite ronde ispettive, di manutenzione preventiva e gestione predittiva che ha permesso di ridurre al minimo la variabilità della produzione. L azienda si è inoltre dotata di un programma di monitoraggio di tutte le biomasse caricate e acquisite che hanno permesso di redigere report periodici di controllo dell efficienza. 4. CONCLUSIONI Nel settore agro-zootecnico la produzione di biogas e la relativa trasformazione in energia elettrica è divenuta una realtà consolidata. 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 impianti alimentati prevalentemente a colture energetiche, la costanza del prodotto permette di costruire impianti affidabili anche se più complessi e con esigenze di competenze sia ingegneristiche che biologiche importanti. L aggiunta di sottoprodotti agroindustriali pone il problema della costanza dell approvvigionamento sia in termini qualitativi che quantitativi, il cui effetto può essere attenuato solo se le matrici sono insilabili ovvero se la quota di carico prevalente rimane la coltura energetica. Nel caso preso in esame le rese di trasformazione della sostanza organica caricata è risultata molto vicina ai valori riscontrabili in letteratura: a fronte di un carico complessivo di t/anno (6.095 tsv/anno) la produzione di biogas è risultata pari a Nm 3 /anno ( Nm 3 metano/a). In termini specifici ciò ha comportato una resa di conversione biologica di 638 Nm 3 biogas/t SV con una percentuale di metano del 51,8% che porta ad una resa in metano di 331 Nm 3 /t SV. L affidabilità dell impiantistica è dimostrata dal fatto che in 15 mesi di monitoraggio il cogeneratore ha funzionato al 94,4% del carico massimo producendo 22,66 MWh al giorno, equivalente a circa MWh per anno. Il rendimento elettrico monitorato è stato vicino al 41%. Considerando la taglia dimensionale dell impianto di cogenerazione e i relativi rendimenti elettrici, la resa in energia elettrica ottenuta è risultata essere pari a 1,36 kwh e /kgsv. Non sono mancati problemi di carattere impiantistico e gestionale: le problematiche maggiori sono state legate alle coperture, all allestimento del gruppo di cogenerazione e alla gestione biologica. L adozione del monitoraggio continuo dell impianto, per mezzo della registrazione di tutti i parametri funzionali e di carico nonché delle caratteristiche chimiche del digestato ha consentito di gestire in modo ottimale l impianto. In particolare la registrazione del rapporto fra acidità e alcalinità totale (nel caso specifico condotta con analisi definite dal rapporto FOS/TAC) ha permesso di affrontare con an- IA protezione dell ambiente 39

12 IA protezione dell ambiente ticipo una acidosi da carenza di micronutrienti evitando il blocco biologico dell impianto. L esperienza maturata nella conduzione ha fornito, inoltre, gli elementi per redigere una programma di controlli ispettivi e di manutenzione preventiva e predittiva dell impianto. BIBLIOGRAFIA [1] CRPA Energia dal biogas Manuale pratico (II Ed.). Edito AIEL, pp. 104, [2] CRPA Biogas e cogenerazione nell allevamento suinicolo Manuale pratico. Edito ENEL spa, pp. 208, [3] Fabbri C., Piccinini S. Colture dedicate e sottoprodotti per un efficiente codigestione L informatore agrario, vol. 1, pp , [4] Fabbri C., Soldano M., Piccinini S. L agricoltore crede nel biogas e i numeri lo confermano L informatore agrario, vol. 30, pp , [5] Ligabue M., Mantovi P. Energia da biomasse con il progetto Seq-Cure. Agricoltura, luglio-agosto 2007, pp , [6] 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 , CURRICULA Claudio Fabbri Nato a Milano nel 1964, laureato con 110/110 in Scienze Agrarie presso l Università degli Studi di Milano nel 1992, dal 1993 ad oggi opera, in qualità di ricercatore senior, presso il Centro Ricerche Produzioni Animali di Reggio Emilia. Ha svolto la sua attività nell ambito di numerosi progetti di ricerca, sperimentazione ed assistenza tecnica, finanziati dalla Regione Emilia-Romagna, dall ENEA, dal CNR, dall ENEL, dall ANPA, dai Ministeri dell Ambiente e delle Politiche Agricole e Forestali, dalla Commissione Europea, occupandosi di: tecnologie elettriche a risparmio energetico, macchine e meccanizzazione agricola, emissioni in atmosfera di gas climalteranti, gas ad effetto serra e composti osmogeni, caratterizzazione, trattamento e gestione degli effluenti zootecnici e dei reflui agro-industriali, della digestione anaerobica, di analisi energetica nelle aziende zootecniche e nell agro-industria, di risanamento ambientale di aree con elevata attività agricola, zootecnica ed agro-industriale. È autore o coautore di circa 90 pubblicazioni di carattere scientifico e tecnico divulgativo. Sami Shams-Eddin Nato a Parma nel 1973 laureato in Ingegneria Meccanica con indirizzo impianti presso la Facoltà di Ingegneria dell Università degli Studi di Brescia con tesi sulla Complessità di prodotto e processo nella filiera dell elettrodomestico lavora dal 2002 al 2009 per il gruppo Huntsman presente in diversi settori della chimica a livello globale. Qui si occupa di diversi aspetti tecnico organizzativi nelle funzioni ingegneria e manutenzione: parte dallo sviluppo di nuovi progetti impiantistici nella solfonazione di alcoli naturali ed etossilati, implementa il modulo manutenzione della piattaforma SAP in relazione alla quale con responsabilità tecnico economiche su diversi siti europei si occupa di modellizzazione di processi, di gestione magazzini e centri di lavoro e centri di costo, di acquisti, di rispetto della legge Sarbanes Oxley act. Mette in atto sempre a livello europeo sistemi di manutenzione preventiva e predditiva basati sulla stessa piattaforma e porta avanti progetti 6 sigma specifici alla manutenzione industriale. Beneficia di numerose occasioni formative che spaziano dalla sicurezza ed impatto ambientale acquisiti presso le locali autorità di controllo ASL, fino ai concetti di Lean Thinking acquisiti presso il Massachusset Institute of Technology di Boston. Nel 2005 inizia ad interessarsi di bioenergie nel campo agricolo e nel 2009 lascia il gruppo Huntsman per dedicarsi interamente al settore biogas. Filippo Bondi Nato a Milano nel 1973 e laureato in economia e commercio presso la Facoltà di Economia e Commercio dell Università degli studi di Verona con tesi sul Regime delle quote latte in Italia, pratica attività professionale come commercialista a Verona fino al Svolge attività di ristrutturazione e recupero di manufatti rurali storici e segue l azienda agricola di famiglia implementando processi di miglioramento fondiario. Nel 2005 si interessa di bioenergie e dal 2009 si occupa di digestione anaerobica. Sergio Piccinini Laureato con lode in Chimica presso l Università di Modena nel 1981, dal 1983 ad oggi opera, in qualità di ricercatore e responsabile del laboratorio chimico, presso il Centro Ricerche Produzioni Animali di Reggio Emilia, Settore Ambiente; dal 1998 ha assunto la direzione del settore stesso. Ha svolto la sua attività nell ambito di numerosi progetti di ricerca, sperimentazione ed assistenza tecnica, occupandosi principalmente di caratterizzazione, trattamento e gestione dei reflui zootecnici ed agroindustriali, di aspetti di processo della depurazione aerobica, della digestione anaerobica e del compostaggio, di analisi energetica nelle aziende zootecniche e nell agro-industria e di risanamento ambientale di aree con elevata attività agricola, zootecnica ed agro-industriale. È membro dell Accademia dei Georgofili, dell ITABIA (Italian Biomass Association), della IWQ (International Water Association), del Comitato Tecnico del Consorzio Italiano Biogas, del Comitato Scientifico della Piattaforma Italiana Biofuels e del network europeo sul riciclo in agricoltura dei residui organici (Ramiran). È autore o coautore di oltre 120 pubblicazioni di carattere scientifico e tecnico. 40