Nelle aree agricole a elevata vocazione

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1 TECNICA T IL CRPA MONITORA UN IMPIANTO DI BIOGAS PER 15 MESI Colture dedicate e sottoprodotti per un efficiente codigestione L impianto di codigestione alimentato a colture dedicate e sottoprodotti agroindustriali raggiunge risultati tecnici incoraggianti, ma risultati economici particolarmente sofferti quando la potenza elettrica è superiore a 1 MW, perché il coefficiente di moltiplicazione dei certificati verdi riservato alle agroenergie (1,8) non è ancora applicabile di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Nelle aree agricole a elevata vocazione produttiva di colture industriali o cerealicole in cui la zootecnia è poco rappresentativa, la trasformazione industriale di colture dedicate in biogas, con relativa conversione in energia elettrica, è diventata una realtà tecnicamente sostenibile. L approvazione della legge 99 del 23 luglio 2009 ha definito gli incentivi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile, stabilendo: una tariffa omnicomprensiva di 280 euro/mwh per gli impianti di potenza inferiore a 1 MWe; un coefficiente moltiplicativo di 1,8 per gli impianti di potenza elettrica installata superiore a 1 MWe a patto che le matrici utilizzate siano in filiera agricola corta. L applicazione del coefficiente 1,8, tuttavia, non è ancora tecnicamente operativa a causa della mancanza dei decreti attuativi di definizione delle regole relative alla rintracciabilità delle biomasse. In questo articolo si riportano i risultati di un monitoraggio di lunga durata (circa 15 mesi) di un impianto di codigestione (Azienda agricola Cazzani di Medicina, Bologna) che utilizza colture dedicate (insilati di mais prevalentemente) e sottoprodotti agroindustriali di origine vegetale. Il monitoraggio è stato condotto nell ambito del progetto Life Seq-Cure. L impianto monitorato L azienda agricola Cazzani gestisce da marzo 2008 un impianto di digestione anaerobica, costruito con tecnologia Thoeni, finalizzato a produrre biogas da convertire in energia elettrica per mezzo di due cogeneratori Jenbacher da kwe ciascuno. La potenzialità produttiva di biogas dei digestori è, allo stato attuale, sufficiente per il funzionamento di un cogeneratore da kwe, quindi il secondo motore è di riserva. Tutta l energia elettrica prodotta, al netto degli autoconsumi, viene immessa in rete e ritirata dal gestore del servizio elettrico. L impianto (tabella 1) è costituito da due digestori cilindrici (volume utile totale m3), coibentati, riscaldati in regime termofilo (52-54 C) e completamente miscelati per mezzo di grandi agitatori ad aspo orizzontale e di miscelatori a elica sommersi. I due digestori lavorano in parallelo ed è possibile, per mezzo di apposite valvole e pompe, operare anche miscelazioni fra i due digestori. Entrambi i digestori sono dotati di una cupola gasometrica costruita con telo elastomerico. La biomassa viene caricata per mezzo di due tramogge esterne, dotate di celle di carico, che immettono le biomasse nei digestori, per mezzo di coclee inclinate, sulla base di un programma di carico impostato sul software supervisore. Sono presenti anche due piccole vasche interrate per il collettamento delle acque piovane e dei percolati delle trincee per lo Impianto di digestione anaerobica: tramoggia di carico, digestore anaerobico con gasometro e cogeneratori TABELLA 1 - PARAMETRI DIMENSIONALI DELL IMPIANTO Tipo di reattore ( 1 ) PARAMETRO IMPIANTO CSTR Volume totale dei due digestori (m 3 ) Volume utile dei due digestori (m 3 ) Volume di stoccaggio del digestato (m 3 ) Temperatura di processo ( C) Tempo di ritenzione idraulica (giorni) 62 Potenza elettrica installata CHP (kw) ( 2 ) ( 1 ) CSTR: reattore miscelato e riscaldato. ( 2 ) CHP: cogeneratore. 1/2010 L Informatore Agrario 57

2 T TECNICA PARTECIPANTI E FINANZIATORI Il progetto Seq-Cure Seq-Cure acronimo di «Sistemi integrati per aumentare il sequestro del carbonio e la produzione di colture energetiche usando residui organici» è un progetto coordinato dal 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. Obiettivo è quello di ridurre le emissioni di gas serra e favorire l attivazione di filiere agroenergetiche sostenibili Potenza elettrica Autoconsumi elettrici totali GRAFICO 1 - Potenza elettrica prodotta e autoconsumi dell impianto Potenza elettrica media prodotta (kw) sia dal punto di vista ambientale sia economico. Soggetti cofinanziatori del progetto sono la Regione Emilia-Romagna, 7 Province emiliano-romagnole, le aziende multiservizi Enìa 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). stema automatico di alimentazione. Tutti i parametri di funzionamento (tempi di funzionamento delle varie utenze, quantità di prodotti caricati, qualità e quantità del biogas prodotto, quantità di energia prodotta e autoconsumata) sono registrati dal software supervisore che consente di costruire un archivio storico dettagliato su base oraria, giornaliera o mensile. Il biogas prodotto da entrambi i digestori viene convogliato dapprima a una torre di lavaggio per la desolforazione biologica, quindi a un sistema frigorifero per la deumidificazione. Il biogas così raffinato viene convertito in energia elettrica per mezzo di due cogeneratori di potenza nominale pari a kwe. Allo stato attuale, uno dei due cogeneratori funge da riserva intervenendo in caso di guasto o manutenzione del primo, al fine di massimizzare le ore di produ- Autoconsumi (%) Trincee di stoccaggio per le colture dedicate (insilato di mais) coperte con uno strato di 50 cm di digestato solido separato compattato stoccaggio degli insilati e per il ritiro di sottoprodotti di consistenza liquida. Due pompe sommerse programmabili permettono il carico dei prodotti stoccati. Le biomasse palabili (insilati di colture dedicate) sono stoccati in due trincee orizzontali ( m) parallele che vengono riempite annualmente con la produzione ottenuta da terreni di proprietà, terreni in affitto e prodotti acquistati sul mercato locale. Lo spostamento del materiale avviene con due mezzi aziendali, una pala cingolata con braccio articolato per desilare e una gommata con benna per movimentare e caricare. Nel corso del 2009 sono stati installati anche un serbatoio riscaldato per prodotti liquidi ad alta viscosità (oli e grassi) e un silo per cereali con relativo mulino a martelli per la riduzione della pezzatura, sempre attrezzati con celle di carico e sizione annuali. È presente un trasformatore di media tensione (15 kv) in grado di supportare una potenza massima di 2 MWe. La linea elettrica e la relativa connessione alla rete del gestore, tuttavia, sono state costruite per una potenza elettrica massima di 7,8 MWe. Il digestato prodotto (residuo liquido del processo di digestione anaerobica) viene convogliato a un sistema di separazione solido-liquido, composto da due separatori a compressione elicoidale che lavorano in parallelo e che consentono di ridurre considerevolmente la concentrazione di solidi totali dello stesso, agevolando così le successive operazioni di stoccaggio e utilizzazione agronomica. La vasca di stoccaggio della frazione chiarificata ha un volume utile di circa m3. L azienda è attrezzata con mezzi per il trasporto e la distribuzione degli effluenti nei terreni agricoli presenti nelle immediate vicinanze dell impianto. La zona in cui è stato costruito l impianto non ha particolari problemi di surplus di azoto. Il comprensorio agricolo adiacente, infatti, ha una particolare vocazione per i cereali e per la produzione TABELLA 2 - Parametri di produzione energetica dell impianto nel periodo di monitoraggio (15,5 mesi) Produzione lorda energia elettrica (MWh) Potenza elettrica media prodotta (kw) percentuale della potenza installata (%) 91,9 Autoconsumo ausiliari cogeneratore (MWh) 478 percentuale della produzione lorda (%) 3,2 Autoconsumo impianto digestione (MWh) 537 percentuale della produzione lorda (%) 3,5 Produzione di energia elettrica vendibile (MWh) Gli autoconsumi per il finanziamento dei cogeneratori e dei digestori sono stati pari a MWh, equivalenti al 6,8% della produzione lorda. 58 L Informatore Agrario 1/2010

3 TECNICA T di colture industriali (patate, cipolle). Il digestato chiarificato e la frazione solida separata trovano, quindi, ampio margine di collocazione nei terreni del comprensorio e sono particolarmente ricercati dai cerealicoltori per le loro qualità agronomiche. Durante il monitoraggio sono stati misurati tutti i parametri fondamentali per verificare l efficienza del sistema e per determinare le caratteristiche del digestato: quantità di biomasse solide e liquide caricate, loro caratteristiche chimiche, qualità del biogas prodotto, potenza elettrica media lorda prodotta, potenza utilizzata dagli ausiliari, dal digestore e dagli accessori, caratteristiche chimiche del digestato. L impianto è entrato in produzione nel marzo 2008 ed è andato a regime nel luglio-agosto dello stesso anno. Nel corso del 2009 l impianto si è attrezzato con un piccolo laboratorio di analisi chimiche per la conduzione dei test fondamentali per la gestione della biologia del digestore anaerobico (ph e rapporto Fos/Tac, equivalente al rapporto acidità volatile e alcalinità totale). Energia prodotta Nel corso del periodo intercorso fra l avviamento dell impianto (marzo 2008) e la fine di giugno 2009, equivalente a 475 giorni di lavoro ( ore), l impianto ha funzionato con continuità producendo, complessivamente, MWhe. Gli autoconsumi (tabella 2) per il funzionamento dei cogeneratori e dei digestori sono stati pari a MWhe, equivalenti al 6,8% della produzione lorda. La potenza media prodotta, calcolata sulle 24 ore, è stata di kw, pari al 91,9% della potenza installata di un cogeneratore (il secondo è di riserva). La somma delle ore di funzionamento dei due cogeneratori è stata di ore: il primo cogeneratore ha funzionato per ore a una potenza media di kwe (90% della potenza nominale installata), il secondo cogeneratore ha funzionato per ore a una potenza media effettiva di kwe (89% della potenza nominale installata). Durante le ore piene, quando è massimo il valore di mercato 90,2% Quantità Insilato di colture dedicate Il ricavo totale medio nel periodo di osservazione (15 mesi) è stato di 146 euro/mwhe dell energia elettrica, i due cogeneratori possono entrare in funzione contemporaneamente ed erogare una potenza massima di 2 MWe. Nel grafico 1 vengono riportati l andamento della produzione della potenza elettrica totale giornaliera dell impianto e i relativi autoconsumi elettrici. Il 70% dello ore di funzionamento è avvenuto a una potenza effettiva maggiore del 90% della potenza installata di un cogeneratore (tabella 3). Dei periodi di funzionamento a meno dell 80% della potenza nominale installata, 3 sono particolarmente significativi: il periodo di avviamento, avvenuto sotto la supervisione e controllo dei tecnici della ditta costruttrice, che ha permesso di arrivare a regime nel giro di circa 1 mese. A differenza di altri impianti che hanno potuto contare sulla possibilità di avviare l impianto con significative quantità di digestato proveniente da altri impianti di digestione anaerobica, l impianto in oggetto è stato avviato riscaldando i due digestori con l ausilio di una caldaia a gasolio e una piccola quota di digestato; il periodo fine 2008 e inizio 2009, nel corso del quale si è verificato un repentino calo della produzione elettrica che si è protratto per circa 2-3 mesi. La riduzione è stata provocata da una sequenza di eventi (in particolare un brusco aumento del carico organico volumetrico e la conseguente riduzione del tempo di ritenzione idraulica e sbilanciamento del rapporto fra acidità volatile e alcalinità totale) che hanno portato a un parziale blocco dell attività biologica. L introduzione di una procedura di controllo del carico organico e la conduzione regolare di test chimici sul digestato ha permesso di migliorare e prevenire altri problemi nella produzione del biogas. La regolarità del processo è stata ripresa riducendo significativamente il carico organico fino al ristabilimento del corretto rapporto fra acidità volatile e alcalinità totale; il periodo giugno 2009, caratterizzato da una riduzione della produzione di energia provocata da una momentanea riduzione del carico organico dovuta a una manutenzione programmata dell impiantistica dei reattori anaerobici. TABELLA 3 - Distribuzione delle ore di funzionamento rispetto alla potenza effettiva Tempo di funzionamento (%) Range di potenza effettiva rispetto alla potenza nominale (%) 70,1 > 90 11,3 fra 80 e 90 6,2 fra 60 e 80 6,5 fra 40 e 60 5,9 < 40 Il 70% delle ore di funzionamento è avvenuto a una potenza effettiva maggiore del 90% della potenza installata di un cogeneratore. 95,3% Solidi volatili 9,8% 4,7% Sottoprodotti di origine vegetale GRAFICO 2 - Ripartizione delle quantità e dei solidi volatili caricati Il carico organico volumetrico, che esprime la quantità di sostanza organica caricata per giorno per metro cubo di reattore anaerobico, è risultato 4,13 kg Sv/m 3 /giorno, il 95% proviene da colture dedicate. 1/2010 L Informatore Agrario 59

4 T TECNICA TABELLA 4 - Quantità di prodotti utilizzati nel periodo monitorato Matrice Quantità (t) Solidi totali (o sostanza secca) (t) Solidi volatili (o sostanza organica) (t) Insilato di colture dedicate Sottoprodotti della lavorazione della patata Sottoprodotti della lavorazione della cipolla Sottoprodotti della lavorazione di frutta e verdura Cereali Acque meteoriche Totale Biomasse utilizzate Le biomasse utilizzate nel corso del 2008 sono riconducibili esclusivamente a insilati di colture dedicate (prevalentemente mais e in quota minore sorgo ed erba medica), mentre a partire da gennaio 2009 l impianto ha iniziato a ritirare sottoprodotti agroindustriali di origine vegetale che sono andati a sostituire parzialmente gli insilati di colture dedicate. In tabella 4 sono riportate le quantità di prodotti utilizzati nel periodo considerato, suddivisi per quantità, solidi totali e solidi volatili. Il carico organico volumetrico (Cov, chilogrammi di sostanze volativi - Sv - per metro cubo al giorno), che esprime la quantità di sostanza organica caricata per giorno e per metro cubo di reattore anaerobico è risultato mediamente pari a 4,13 kg Sv/m3/giorno, il 95% di questo proviene da colture dedicate (grafico 2). A fronte di una miscela al carico con una concentrazione di solidi totali di circa 310 3, il digestato prodotto (tabella 5) ha un contenuto medio di solidi totali di circa 98 3 e di circa 5,26 3 di azoto totale. Con la separazione solido-liquido, effettuata prima dello stoccaggio, viene prodotto da una parte un solido separato con una concentrazione di solidi totali media del 24% e un contenuto di azoto totale di circa 6 3 e dall altra parte una frazione chiarificata con una concentrazione di solidi totali media del 6,7% e un contenuto di azoto totale di circa 5,2 3. In 2 sessioni di campionamento sono state condotte anche prove di efficienza di separazione (rapporto fra quantità separata nella frazione palabile rispetto alla quantità trattata): il volume del digestato liquido viene ridotto di circa il 15%, la quantità di solidi totali e azoto totale che viene separata nella frazione palabi- le ammonta rispettivamente a circa il 41 e al 21% di quella presente nel digestato da trattare. Il tempo di ritenzione idraulico medio di tutto il periodo considerato è stato di 62 giorni circa, con valori minimi di 22 giorni e massimi di 131 giorni, e il carico di biomasse è stato mediamente di 80 t/giorno. La grande variabilità è dovuta da un lato al periodo di avviamento in cui è stato necessario «riempire» il digestore e dall altra ai periodi di ridotta produzione per problemi idraulici-biologici in cui è stato necessario ridurre il carico organico. Prezzo Nord Italia (euro/mwh) Sottoprodotti della lavorazione della frutta (meloni e cocomeri di seconda scelta) utilizzati dall impianto Resa in biogas La resa in biogas dell impianto è risultata mediamente pari a 642 Nm3/t Sv, mentre la percentuale di metano nel biogas avviato al cogeneratore è risultata mediamente del 50% (con valori massimi del 54%), cioè con una resa di trasformazione della sostanza organica in metano di 320 Nm3/t Sv. Il cogeneratore ha trasformato tale quantità di metano in energia elettrica con una resa di 1,35 kwhe/kg Sv, 2,11 kwhe/nm3 di biogas ovvero 4,23 kwhe/nm3 di metano, che si tradu Ora del giorno Media I trimestre II trimestre III trimestre Fonte: Gse, Mgp-Mercato del giorno prima. GRAFICO 3 - Andamento medio del prezzo di vendita dell energia elettrica nelle diverse ore del giorno dei primi 9 mesi del 2009 Per circa 2/3 delle ore del giorno all energia elettrica prodotta è stato ricononosciuto un prezzo superiore a 60 euro/mwhe. 60 L Informatore Agrario 1/2010

5 TECNICA T ce in un rendimento macchina TABELLA 5 - Principali caratteristiche chimiche medio del 42,3%. del digestato prodotto e delle frazioni ottenute dopo Sotto il profilo economico, separazione solido-liquido visto che la potenza elettrica Digestato installata supera il MWe, l impianto ha accesso al regime di tal quale chiarificato Unità di misura solido separato incentivazione dei certificati ph 8,05 9,02 8,06 verdi e di cessione dell energia elettrica, che prevede la vendita al prezzo di mercato (il Solidi totali (St) o sostanza secca t.q. 97, ,75 prezzo dipende dal momento Solidi volatili (Sv) 3 t.q ,4 o sostanza organica della giornata e dall area geografica). Il prezzo di vendita % St 76,5 86,9 66,7 Azoto totale (Ntk) t.q. 5,26 5,98 5,24 dell energia elettrica nell area % St 5,41 2,49 7,76 Nord Italia nelle diverse ore Azoto ammoniacale 3 t.q. 2,31 1,49 2,46 del giorno per i primi tre trimestri (N-NH 4 ) + % Ntk 43,9 24,9 46,8 del 2009 è illustrato nel Fosforo totale (Ptot) t.q. 0,58 1,79 0,48 grafico 3. % St 0,61 0,73 0,74 Il prezzo medio del periodo è risultato pari a 63 eu- % St 6,82 2,3 9,03 Potassio (K) t.q. 6,55 5,36 6,08 ro/mwhe. Nello stesso arco di A fronte di una miscela al carico con una concentrazione tempo l azienda ha immesso di solidi totali di circa il digestato prodotto sul mercato i propri certificati verdi a un valore medio di e circa 5,26 3 di azoto totale. ha un contenuto medio di sostanza secca di circa 98 3 circa 83 euro/mwhe. Il ricavo totale medio nel periodo è stato, quindi, di 146 euro/mwhe. stata garantita dalla registrazione dei parametri di funzionamento sul programma supervisore e dalla registrazione contabile. L introduzione dei sot- Integrazione tra colture toprodotti agroindustriali vegetali ha dedicate e sottoprodotti permesso di ridurre, fino alla completa eliminazione, l utilizzo degli integratori L impianto di codigestione dell azienda agricola Cazzani rappresenta un ottimo esempio di integrazione fra colture dedicate e sottoprodotti di origine vegetale in cui con un attento monitoraggio è stato possibile acquisire l esperienza necessaria a un buon funzionamento anche in assenza di effluenti zootecnici. La rintracciabilità del dato è sempre di microelementi minerali, necessari quando si utilizzano solo insilati. Tale opportunità ha consentito di individuare i momenti critici della produzione, metterli in relazione con quanto accaduto sull impianto nel periodo immediatamente precedente e attivare gli interventi gestionali-manutentivi più adatti per evitare il ripetersi degli stessi. Sottoprodotti della lavorazione della frutta (mix di pelatura di frutta) utilizzati dall impianto Nel caso preso in esame la resa di trasformazione della sostanza organica caricata in biogas è risultata pari a 0,642 Nm3/kg Sv, mentre la produzione di metano ottenibile è risultata pari a 0,320 Nm3/kg Sv. Considerando 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 1,35 kwhe/kg Sv. I due cogeneratori hanno funzionato per un totale di ore, ma in termini, invece, di potenza massima di progetto (1.425 kwe) e rapportato all annualità il sistema ha funzionato per ore/anno. In definitiva, si può ritenere che i risultati tecnici ottenuti dall impianto nel corso dei primi 15 mesi di funzionamento, tenendo conto del periodo di avviamento e della necessaria crescita gestionale, sono stati molto incoraggianti. I risultati economici del 2008 e 2009, tuttavia, sono stati particolarmente sofferti a causa dell andamento penalizzante del mercato dei certificati verdi e alla ritardata attuazione delle nuove norme di incentivazione. La prossima attuazione del fattore correttivo dei certificati verdi per gli impianti con potenza superiore a 1 MWe (pari a 1,8), approvato con la legge 99 di luglio 2009, e il completamento delle attrezzature e delle opere edili, che permetteranno di raggiungere lo sfruttamento della potenza massima installata (2.850 kwe), attualmente già in corso d opera, consentiranno di migliorare significativamente i bilanci. Da agosto 2009 l impianto, inoltre, è stato autorizzato ai sensi del regolamento Ce 1774/02 al ritiro di sottoprodotti di origine animale di Categoria 3 (scarti di macellazione che non possono essere utilizzati per la produzione di derrate alimentari destinate al mercato) e questo consentirà di ampliare le fonti di approvvigionamento di biomasse riducendo l utilizzo di colture dedicate. Claudio Fabbri Sergio Piccinini Crpa, Reggio Emilia c.fabbri@crpa.it Per consultare gli approfondimenti: 10ia01_4805_web 1/2010 L Informatore Agrario 61

6 T? TECNICA Articolo pubblicato su L Informatore Agrario n. 1/2010 a pag. 57 Colture dedicate e sottoprodotti per un efficiente codigestione RIASSUNTO Nelle aree agricole a elevata vocazione produttiva di colture industriali o cerealicole in cui la zootecnia è poco rappresentativa, la trasformazione industriale di colture dedicate in biogas, con relativa conversione in energia elettrica, è diventata una realtà tecnicamente sostenibile. L approvazione della legge 99 del 23 luglio 2009 ha definito gli incentivi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile, stabilendo una tariffa omnicomprensiva di 280 euro/mwh per gli impianti di potenza inferiore a 1 MWe e un coefficiente moltiplicativo di 1,8 (però non ancora operativo) per gli impianti di potenza elettrica installata superiore ad 1 MWe, a patto che le matrici utilizzate siano in filiera agricola corta. In questo lavoro si riportano i risultati di un monitoraggio di lunga durata (circa 15 mesi) di un impianto di codigestione (Azienda agricola Cazzani di Medicina, Bologna) che utilizza colture dedicate (insilati di mais prevalentemente) e sottoprodotti agroindustriali di origine vegetale. Il monitoraggio è stato condotto nell ambito del progetto Life Seq-Cure. I risultati tecnici ottenuti dall impianto, tenendo conto del periodo di avviamento e della necessaria crescita gestionale, sono stati molto incoraggianti. I risultati economici, tuttavia, sono stati particolarmente sofferti a causa dell andamento penalizzante del mercato dei certificati verdi. La prossima attuazione del coefficiente moltiplicativo di 1,8 dei certificati verdi per gli impianti con potenza superiore a 1 MWe e il completamento delle attrezzature e delle opere edili che permetteranno di raggiungere lo sfruttamento della potenza massima installata, attualmente già in corso d opera, consentiranno di migliorare significativamente i bilanci.