Un mix di qualità garantisce la resa

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1 n. 8/2014 [ SPECIALE BIOGAS ] Terra e Vita 25 Un mix di qualità garantisce la resa [ DI NICOLA LABARTINO*, CLAUDIO FABBRI*, MASSIMO ZAGHI**, SERGIO PICCININI* ] Negli ultimi anni la produzione di biogas ha avuto un notevole sviluppo, tanto che la sua filiera è quella che ha avuto il più alto trend di crescita nel nord Italia fra le filiere agro energetiche. Per avere un quadro realistico delle rese produttive effettive e dei principali parametri relativi all efficienza energetica e all affidabilità gestionale degli impianti, all interno del progetto SEBE (vedi box) il Crpa ha individuato e monitorato in Emilia Romagna cinque impianti di biogas (http//sebe.crpa.it). Uno degli impianti monitorati è stato quello della Cooperativa agroenergetica territoriale (CAT), costruito dalla ditta MT Energie. La cooperativa è costituita da 27 aziende agricole, 5 cantine vinicole, tre soci tecnici, una banca e una società di consulenza e servizi come soci sovventori. La superficie agricola totale delle aziende agricole socie è di oltre ha, mentre la superficie agricola dedicata per la produzione di biomassa per l impianto a biogas è di circa 300 ha. L impianto è ubicato a Correggio, in provincia di Reggio Emilia, in una zona dove era presente la coltivazione della barbabietola da zucchero e la nascita di questa cooperativa ha permesso ai soci agricoltori di affrontare la crisi del settore saccarifero. Infatti I risultati di due anni di monitoraggio presso l impianto di biogas della cooperativa CAT di Correggio (Re) [ FIG. 1 SCHEMA DI FLUSSO DELL IMPIANTO CAT la maggior parte di loro ha dedicato parte dei terreni una volta riservati alla coltivazione della barbabietola alla produzione di colture energetiche per il biogas, potendo così continuare a tenere in vita le loro aziende agricole grazie agli introiti derivati dalla vendita di energia elettrica prodotta nell impianto di digestione anaerobica. Prima della nascita della CAT, il 16% dei terreni coltivati dai soci era dedicato alla coltivazione di barbabietole per la produzione di zucchero, mentre il 6% era in regime di set aside. Presso l impianto di biogas sono presenti tre trincee (25 x 100 m ciascuna) per l insilamento o per lo stoccaggio delle biomasse fornite dai soci della cooperativa. L impianto di digestione anaerobica è alimentato con insilato di mais, triticale e sorgo, sottoprodotti dell industria agro alimentare e liquame e letame bovino. L impianto (figura 1) è costituito da due digestori primari (F1 e F2) di volume pari a m 3 ciascuno e un digestore secondario (PF) di m 3, tutti miscelati, coibentati e riscaldati in mesofilia a una temperatura pari a circa 40 C; i digestori sono connessi tra loro tramite pompe dotate di valvole. Sono presenti anche due vasche di stoccaggio del digestato di capacità di m 3 ciascuna, di cui una coperta e miscelata. Inoltre è presente in testa all impianto una vasca miscelata e coperta per la ricezione dei liquami. In testa ai

2 26 Terra e Vita [ SPECIALE BIOGAS ] n. 8/2014 [ SEBE Un progetto transnazionale Il progetto SEBE Sustainable and Innovative European Biogas Environment ( svoltosi nell arco di 42 mesi dal 2010 al 2013 con il finanziamento dell Unione europea nell ambito del programma Central Europe ha avuto come scopo l ottimizzazione e l ampliamento dell uso del biogas a livello transnazionale. Gli obiettivi generali del progetto che ha visto coinvolti il Crpa insieme ad altri 13 partner provenienti dal settore privato e pubblico di Austria, Slovenia, Polonia, Slovacchia, Germania, Repubblica Ceca, Romania e Ungheria riguardavano la protezione e l uso responsabile delle risorse naturali. In particolare SEBE ha voluto favorire lo sviluppo del settore della produzione di di biogas con l intento di rendere i Paesi coinvolti meno dipendenti dalle importazioni estere per quanto riguarda l approvvigionamento energetico, contribuendo nel contempo al raggiungimento degli obiettivi fissati dall Ue di ridurre di almeno il 20% le emissioni di gas a effetto serra e aumentare al 20% l uso di energia da fonti rinnovabili. n digestori primari ci sono due tramogge di alimentazione per introdurre, in maniera distribuita sulle 24 ore, le matrici solide. I digestori e una delle vasche di stoccaggio sono coperti sulla sommità da un gasometro in materiale elastomerico per lo stoccaggio del biogas. Il biogas prodotto viene deumidificato e desolforizzato prima di essere utilizzato in due cogeneratori della ditta MWM, ciascuno con potenza elettrica installata pari a 499 kw. Il digestato in uscita dall impianto viene separato per ottenere una frazione liquida e una solida utilizzate come fertilizzanti sui terreni dei soci della cooperativa, in accordo con le buone pratiche agronomiche. [ PRESTAZIONI PRODUTTIVE NEL PERIODO MONITORATO Nel corso del monitoraggio (605 giorni) sono state campionate e caratterizzate le varie matrici alimentate ai digestori, sono stati [ Vista dei due digestori primari F1 e F2 e, sullo sfondo, quello secondario PF. [ FIG. 2 ANDAMENTO POTENZA MEDIA AL GIORNO E DI QUELLA IMMESSA IN RETE rilevati i parametri di processo dei digestori e sono stati caratterizzati i digestati prodotti. Inoltre sono stati determinati i parametri produttivi specifici. Nel periodo il motore numero 1 ha lavorato ore e il motore 2 ha lavorato ,3 ore. L energia elettrica totale prodotta è stata pari a ,74 kwh, con un autoconsumo totale di ,7 kwh elettrici (10,5%), equivalente a una potenza elettrica media netta immessa in rete di 858,30 kw. In figura 2 si può notare come durante il periodo di monitoraggio la produzione elettrica sia rimasta tra i 900 e i kw, a eccezione dei due periodi evidenziati, durante i quali sono state fatte operazioni di manutenzione ordinaria sui cogeneratori. [ BIOMASSE UTILIZZATE Nel periodo monitorato, l impianto è stato alimentato con insilati di colture dedicate (mais, triticale), con sottoprodotti agroindustriali di origine vegetale (graspi d uva, scarti di frutta, vinaccioli, polpe di barbabietola) e con effluenti zootecnici (essenzialmente liquami bovini, saltuariamente pollina di ovaiole). [ Vista dei due digestori primari e delle tramogge di carico.

3 n. 8/2014 [ SPECIALE BIOGAS ] Terra e Vita 27 Mediamente sono stati caricate 74 t/giorno di matrici organiche ( t/a), equivalenti a t/anno di solidi volatili (SV), con un contenuto di solidi volatili sui solidi totali di 93,5% (6.095,5 tsv/anno). Il carico organico volumetrico (COV), che esprime la quantità di solidi volatili caricati per giorno e per metro cubo di reattore anaerobico, è risultato mediamente pari a 2,03 kgsv/ m 3 /giorno, rimanendo ragionevolmente costante nel periodo monitorato come evidenziato in fig. 3. In figura 4 e 5 si può notare la varietà di matrici alimentate, che ha permesso di mantenere una buona stabilità del processo di digestione anaerobica, come indicato anche dall andamento dell indice FOS/TAC (fig. 6). [ CARATTERISTICHE DEL DIGESTATO La caratterizzazione del digestato ha evidenziato un progressivo calo della concentrazione di solidi totali (ST) e solidi volatili (SV) [ FIG. 3 ANDAMENTO DEL CARICO ORGANICO VOLUMETRICO (COV) GIORNALIERO E DEL CONSEGUENTE RENDIMENTO GIORNALIERO IN BIOGAS all interno dei digestori passando dai due digestori primari (92,6 g/kg e 93,1 g/kg di ST) alla prima vasca di stoccaggio, cioè quella di pre separazione solido/liquido del digestato (69,1 g/ kg di ST) (tab. 2). All uscita dei digestori primari il rapporto di SV/ST è risultato in media di 0,79 per il digestore primario F1 e di 0,78 per il digestore primario F2. All uscita del fermentatore secondario PF il rapporto SV/ST è risultato in media di 0,76, mentre all uscita della vasca di stoccaggio (coperta e miscelata), prima della sepa [ FIG. 4 PERCENTUALE IN PESO DELLE VARIE MATRICI ALIMENTATE ALL IMPIANTO DI BIOGAS [ FIG. 5 RIPARTIZIONE % DELLE MATRICI RIFERITA AL CONTENUTO DI SOLIDI VOLATILI [ Alcune matrici caricate: da sinistra insilato di mais, raspi d uva, polpe di barbabietola surpressate.

4 28 Terra e Vita [ SPECIALE BIOGAS ] n. 8/2014 n. 8/2014 [ SPECIALE BIOGAS ] Terra e Vita 29 [ TAB. 1 ANALISI DELLE MATRICI CARICATE NELL IMPIANTO DI BIOGAS MATRICE PH razione solido/liquido, il rapporto SV/ST era di 0,73. Considerando il rapporto SV/ST come indicatore della sostanza organica e l invarianza della quantità delle ceneri, tale riduzione corrisponde a una conversione dei solidi volatili in biogas pari all 82%. Per quanto riguarda il rapporto FOS/TAC (rapporto tra acidità volatile e alcalinità totale, che è indice dell equilibrio chimico del processo), si passa da valori di 0,4 e 0,36 rispettivamente dei digestori primari a 0,24 del digestore secondario, a 0,22 della vasca di stoccaggio coperta. In fig. 6 si nota come il rapporto FOS/ TAC sia salito subito dopo gli interventi di manutenzione avvenuti a dicembre 2011, questo perché nel periodo precedente all intervento manutentivo è stato ridotto il carico organico volumetrico e nel periodo successivo all intervento tale carico è stato aumentato in maniera repentina, provocando qualche squilibrio nel processo di digestione anaerobica dovuto a un leggero sovraccarico. Il valore del ph è stato in media di 7,8 in entrambi i digestori primari e di 7,97 nel digestore secondario e nella vasca di stoccaggio. Ciò indica un carico organico volumetrico ottimale e una buona performance per quanto riguarda la degradazione della sostanza organica. ST SV NTK N NH4+ [G/KG] [%TQ] [G/KG] [%ST] [G/KG] [%ST] [G/KG] [%NTK] Liquame al carico 7,41 ± 0,24 49,7 5,0 35,5 0,7 2,0 8,4 1,4 56,7 Insilato mais 3,79 ± 0,17 346,1 34,6 331,4 95,7 4,1 1,2 Pere 154,8 15,5 150,0 96,9 Polpa di barbabietola surpressata 4,67 ± 0 255,2 25,5 246,1 96,4 Raspi d uva 7,54 ± 0 214,5 21,5 186,2 86,8 2,7 1,2 3,9 1,3 Insilato di triticale 3,56 ± 0,01 319,0 31,9 300,7 94,0 4,2 1,4 30,5 7,4 Insilato di barbabietola + graspi 3,7 260,9 26,1 246,4 94,5 Insilato di sorgo 294,8 29,5 274,4 93,1 3,0 1,02 ST= solidi totali; SV= solidi volatili; NTK= azoto totale Kjeldahl. [ TAB. 2 ANALISI DEI CAMPIONI DELL INTERNO DEI DIGESTORI E DEI DIGESTATI IN USCITA MATRICE PH [ FIG. 6 ANDAMENTO INDICE DI FOS/TAC NEI DIGESTORI PRIMARI E IN QUELLO SECONDARIO* ST SV NTK N NH4+ PTOT KTOT [G/KG TQ] [%TQ] [G/KG TQ] [%ST] [MG/KG TQ] [%ST] [MG/KG TQ] [%NTK] [G/KG TQ] [G/KG TQ] [%ST] [ Separatore solido/liquido e frazione solida separata del digestato. Digestore F1 7,85 ± 0,13 92,59 ± 4,44 9,26 ± 0,44 74,55 ± 2,57 78,81 ± 1, ,0 4, ,33 ± 112,81 46, ± 1.080,53 0,4 ± 0,09 Digestore F2 7,84 ± 0,12 93,07 ± 2,34 9,31 ± 0,24 73,44 ± 2,66 78,26 ± 2, ,0 5, ,5 ± 172,58 48, ,88 ± 998,02 0,36 ± 0,08 Digestore PF 7,97 ± 0,11 83,48 ± 2,73 8,35 ± 0,27 63,28 ± 3 75,79 ± 1, ,5 ± 31,82 5,8 ± 0, ,71 ± 170,8 53,19 ± 2, ,63 ± 723,57 0,24 ± 0,01 Digestato tq 7,97 ± 0,18 69,11 ± 2,68 6,91 ± 0,27 50,53 ± 2,65 73,08 ± 1, ± 161,59 6,29 ± 0, ,25 ± 87,38 59,28 ± 0, ,57 ± 550,27 0,22 ± 0,02 Digestato frazione liquida separata 7,99 ± 0,11 47,94 ± 12,83 4,79 ± 1,29 32,75 ± 9,08 68,04 ± 2, ,75 ± 797,3 8,04 ± 0, ,11 ± 537,53 57,7 ± 4,23 0,62 ± 0,14 4,46 ± 0,61 8,37 ± 1,29 Frazione solida separata 9 ± 0,16 238,83 ± 26,25 23,88 ± 2,62 206,21 ± 24,25 86,27 ± 1, ± 231,57 2,47 ± 0, ,88 ± 304,5 31,72 ± 5,44 2,26 ± 0,20 5,21 ± 0,40 2,32 ± 0,70 Liquame al carico 7,41 ± 0,24 49,74 ± 18,95 4,98 ± 1,9 35,46 ± 15,1 0,7 ± 0, ± 0 8,43 ± ,0 56,7 Pollina liquida* 237,0 177,4 0,7 Insilato mais 3,79 ± 0,17 346,13 ± 37,64 34,61 ± 3,76 331,35 ± 36,87 95,71 ± 0, ,2 ± 446,73 1,2 ± 0,13 Pere* 154,8 15,5 150,0 96,9 polpa di barbabietola suppressata 4,67 ± 0 255,16 ± 11,82 25,52 ± 1,18 246,05 ± 11,4 96,44 ± 1,32 Raspi d'uva 7,54 ± 0 214,51 ± 2,09 21,45 ± 0,21 186,17 ± 17,61 86,84 ± 9, ± 520,43 1,24 ± 0,25 38,9 1,3 Insilato di triticale 3,56 ± 0,01 318,95 ± 30,83 31,9 ± 3,08 300,72 ± 30,6 93,98 ± 1, ± 577,05 1,35 ± 0, ± 70,27 7,35 ± 1,14 Insilato di barbabietola + graspi* 3,7 260,9 26,1 246,4 94,5 Insilato di sorgo* 294,8 29,5 274,4 93,1 3000,0 (*) Valori riferiti ad un unico campione N NH4+= azoto ammoniacale; Ptot= fosforo totale; Ktot= potassio totale; FOS= acidità volatile; TAC= alcalinità totale [ INDICI DI EFFICIENZA NEL PERIODO MONITORATO La produzione di biogas è stata misurata a monte dei cogeneratori ed è risultata di m 3 /giorno ( m 3 nei 605 giorni) con in media una percentuale di metano del 52,15%. Considerando la quantità totale di solidi volatili complessivamente caricata (10.103,5 t) la resa di conversione biologica delle biomasse è stata di 663,80 Nm 3 biogas/tsv corrispondente a 346,15 Nm 3 metano/tsv. La produzione di biogas rispetto alla quantità totale delle matrici caricate è risultata pari a 150,07 Nm 3 /t (78,26 Nm 3 metano/t). La produzione specifica di gas per unità di volume di digestione anaerobica (GPR, Gas Production Rate), con esclusione delle vasche di stoccaggio, è risultata pari a 1,35 m 3 biogas/m 3 digestore*giorno, mentre il tempo medio di ritenzione idraulica nei tre digestori anaerobici è stato di 112,3 giorni (142,5 se si prende in considerazione anche la prima vasca di stoccaggio, coperta e miscelata). La produzione elettrica specifica è stata di 1,38 kwh/kgsv. L impianto di cogenerazione è predisposto per il recupero del calore, utilizzato, nel periodo monitorato, solo per il riscaldamento delle biomasse all interno dei digestori anaerobici. TAC [G CACO3/L] FOS/TAC Il progetto prevedeva la cessione del calore in eccesso rispetto al riscaldamento dei digestori a una rete di teleriscaldamento progettata dal Comune di Correggio, non ancora realizzata. Nell autunno del 2013 la Cooperativa CAT, per valorizzare anche questa quota di energia termica, ha installato un impianto di essiccazione del fieno che sarà utilizzato sia dai soci della cooperativa che per conto terzi. L impianto, a flussi d aria contrapposti, è dimensionato per valorizzare una potenza termica di 750 kw. [ CONCLUSIONI Il monitoraggio di questo impianto ha confermato la buona resa, in termini di produzione di biogas, derivante del mix di colture dedicate, effluenti zootecnici e sottoprodotti dell agroindustria con cui è stato

5 30 Terra e Vita [ SPECIALE BIOGAS ] n. 8/2014 [ Vista dell impianto di essiccazione del fieno, a sinistra, e dei due container che alloggiano i cogeneratori, a destra. alimentato. A differenza di altre situazioni ove l utilizzo di sottoprodotti agroindustriali ha creato problemi di approvvigionamento e di variabilità della qualità delle matrici stesse, in questo caso tale problematica non si è verificata grazie al fatto che la cooperativa è formata da numerosi soci che hanno garantito sia l approvvigionamento delle matrici e dei sottoprodotti, che la qualità degli stessi (polpe di barbabietole e graspi sono gli esempi più eclatanti). La resa di trasformazione della sostanza organica è risultata in linea con i valori di letteratura, con una resa in metano di 346,15 Nm 3 /tsv. L affidabilità impiantistica è ben evidenziata dalla potenza media giornaliera erogata, data dalla somma dei due motori, che è stata, nel periodo monitorato, di 959 kwe con una produzione lorda di energia elettrica di 23,018 MWh per giorno. L autoconsumo elettrico medio dell impianto è stato del 10,5% e il rendimento elettrico dei cogeneratori, monitorato, è stato di circa il 40%. n * Crpa spa, Reggio Emilia sebe.crpa.it ** CAT Cooperativa Agroenergetica Territoriale