Biomassa, come si calcola il suo valore economico

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1 RISULTATI OTTENUTI DALLA SEZIONE AMBIENTE ED ENERGIA DEL CRPA LAB Biomassa, come si calcola il suo valore economico di C. Fabbri, M. Soldano, G. Moscatelli, S. Piccinini La digestione anaerobica è una tecnica in grado di utilizzare in modo molto flessibile la maggior parte dei prodotti di origine organica (vegetale e/o animale) trasformandoli in biogas, una miscela composta prevalentemente da metano e biossido di carbonio (o anidride carbonica, CO 2 ). Tuttavia, il valore dei diversi prodotti organici che si immettono nel digestore anaerobico varia notevolmente sia in termini di densità energetica, degradabilità, qualità del biogas producibile, sia in termini di compatibilità impiantistica. Durante il processo, la complessa sequenza di trasformazioni biochimiche che avviene per opera delle diverse famiglie batteriche presenti porta dapprima a una demolizione delle molecole organiche in composti semplici (prevalentemente acido acetico, idrogeno e biossido di carbonio) e successivamente a una trasformazione in biogas. Il potenziale metanigeno massimo dipende dalla composizione molecolare Conoscere il potenziale metanigeno di una biomassa è fondamentale per conoscerne la resa in metano, stimare il valore economico dei prodotti per cui non esiste un mercato di riferimento e determinare la quantità di azoto contenuta nel digestato della matrice (principalmente carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto), mentre il potenziale effettivo dipende dalla presenza di molecole recalcitranti, che ne riducono la degradabilità, dalla disponibilità di tutte le condizioni chimico-fisiche che consentono ai batteri di riprodursi e dalla presenza di fattori di inibizione. Tutti i fattori sopra riportati hanno notevole influenza, oltre che sull effettiva producibilità e, quindi, sul valore economico, anche su alcuni parametri di cinetica di processo che possono essere utilmente applicati per verificare la compatibilità di utilizzo del prodotto nel proprio impianto o meglio per ottimizzare la progettazione. Potenziale metanigeno massimo Il Potenziale metanigeno massimo (o Bmp, dall inglese Biochemical methane potential) esprime la quantità di biogas/metano massimo potenzialmente ottenibile dalla degradazione di una biomassa, ed è espresso come Nm 3 /kg s.v., ovvero normal metri cubi di biogas per kg di solidi volatili. Nel grafico 1 viene riportata la tipica curva di produzione giornaliera e cumulata di un test Bmp (vedi approfondimento), oltre che la curva di degradazione dei solidi volatili ottenibile come conseguenza della trasformazione degli stessi in biogas. GRAFICO 1 - Esempio di curva di produzione di biogas: sono riportati gli andamenti della velocità di produzione giornaliera e la curva cumulativa oltre che la curva di degradazione dei solidi volatili Produzione di metano (Nm 3 /t s.v.) K max (giorno): 3,5 BMP (Nm 3 /t s.v.): Giorni (n.) Velocità produzione (Nm 3 metano/t s.v./giorno) Degradabilità dei solidi volatili (%) F max (giorni): 39 F9 % (giorni): 28,2 F5 % (giorni): 7, Giorni (n.) BMP: Potenziale metanigeno massimo. Kmax: giorni necessari per raggiungere la massima velocità di produzione. Fmax: percentuale massima di solidi volatili degradabili (%). F5%: intervallo di tempo per raggiungere il 5% della produzione (giorni). F9%: intervallo di tempo per raggiungere il 9% della produzione (giorni). 212 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 4/212 supplemento a L Informatore Agrario 13

2 APPROFONDIMENTO L analisi del potenziale metanigeno massimo Panoramica e dettaglio dei reattori di processo del dispositivo Crpa Lab per la misurazione del potenziale metanigeno L analisi del Potenziale metanigeno (o BMP, Biochemical methane potential) statico viene condotta in laboratorio cercando di simulare in un ambiente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico. La biomassa da valutare viene dapprima analizzata e poi miscelata a un inoculo «affamato» (cioè un substrato organico predigerito e proveniente da un impianto che possibilmente stia già utilizzando la biomassa da valutare) e a una soluzione di sali (per tamponare la produzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consorzio batterico). Per evitare un inibizione dell inoculo nelle fasi di avviamento, la quantità di solidi volatili (s.v.) del substrato non deve essere eccessiva rispetto alla quantità di solidi volatili dell inoculo. Il rapporto fra i solidi volatili del substrato da valutare e i solidi volatili dell inoculo deve essere superiore ad almeno,5. La miscela viene riposta in un piccolo digestore, tipicamente una bottiglia da ml la cui forma dipende dalla tipologia di prodotto da analizzare, e posizionata in un ambiente in cui viene mantenuta costante la temperatura di processo. Accanto al digestore utilizzato per la conduzione del test occorre prevedere la conduzione di un test con il solo inoculo, in modo da poter sottrarre alla produzione di biogas della miscela l effetto di produzione residua dell inoculo stesso. Il processo si innesca rapidamente, grazie alla presenza della flora microbica presente nell inoculo, e la produzione di biogas inizia sin dai primi giorni del test. La curva di produzione cumulativa di biogas cresce molto rapidamente nella prima parte per poi rallentare progressivamente e divenire piatta. Analisi della qualità del biogas Il test deve prevedere anche la determinazione della qualità del biogas prodotto. La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica delle sostanze contenute nel substrato e dai parametri fisico-chimici della prova. Il contenuto di metano (CH4) varia solitamente nell intervallo compreso tra il 5 e l 8% in volume, mentre il contenuto di CO2 varia nell intervallo del 2-5%. Sono presenti anche basse concentrazioni di idrogeno (1-1. ppm), ammoniaca (5-2. ppm), idrogeno solforato (5-2. ppm) e vari altri gas in tracce. Il test BMP statico generalmente viene prolungato fino a quando la produzione dell ultimo giorno di test è superiore all 1% di tutta la produzione accumulata. La misura viene fatta in continuo e la curva cumulata della produzione fornisce anche importanti informazioni in merito alla velocità di degradazione. Nel rapporto di conduzione del test devono essere riportati almeno i seguenti aspetti: descrizione del substrato; descrizione dell inoculo; andamento della formazione di biogas, descrizione qualitativa del processo fermentativo con indicazione del valore percentuale di metano; potenziale metanigeno espresso come Nm 3 /kg s.v., ovvero normal metri cubi per kg di solidi volatili. La Sezione ambiente ed energia di Crpa Lab conduce attività di ricerca finalizzata al miglioramento della conoscenza del processo di digestione anaerobica, ma svolge anche servizi diretti a imprese. Crpa Lab ha avuto il sostegno finanziario della Regione Emilia-Romagna (Por Fesr ) ed è insediato nel Tecnopolo di Reggio Emilia. 14 supplemento a L Informatore Agrario 4/ Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.

3 Diventa quindi importante valutare il potenziale metanigeno per i seguenti motivi: conoscere la disponibilità di metano potenziale della biomassa poiché al momento della progettazione o della gestione degli approvvigionamenti consente di predire per tempo il grado di autosufficienza delle scorte; stimare il valore economico, soprattutto per tutti quei prodotti per i quali non esiste un mercato di riferimento quotato con regolarità; determinare il volume di digestato potenzialmente producibile e quindi calcolare il volume delle vasche di stoccaggio necessarie; determinare le quantità di azoto da gestire poiché nella digestione anaerobica le quantità di azoto strippato sono molto limitate e pertanto la maggior parte dell azoto caricato deve poi essere gestito con il digestato; conoscere le cinetiche di processo come velocità di degradazione, percentuale di solidi volatili degradati, caratteristiche chimiche del digestato. Utilità del test Bmp Dal test Bmp è possibile ottenere dei cosiddetti parametri di cinetica, i quali possono essere di grande aiuto per il dimensionamento degli impianti e per valutare la qualità delle biomasse. Dall analisi delle curve di produzione raffigurate nel grafico 1 possono essere facilmente elaborati i seguenti parametri cinetici: Kmax: intervallo di tempo per raggiungere la massima velocità di produzione (giorni); GRAFICO 2 - Distribuzione media del parametro Kmax dei 2 campioni analizzati Frequenza (%) Kmax (giorni) Mediamente la velocità massima di produzione di biogas si raggiunge in circa 8 giorni nel 65% dei campioni analizzati. Fmax: percentuale massima di solidi volatili degradabili; F5%: intervallo di tempo per raggiungere il 5% della produzione (giorni); F9%: intervallo di tempo per raggiungere il 9% della produzione (giorni). Questi parametri sono importanti per valutare la qualità e la stabilità della biomassa: una biomassa molto facilmente degradabile, come ad esempio un composto formato da carboidrati semplici, ha un valore di Kmax più basso di una biomassa difficilmente degradabile come ad esempio una frazione fibrosa. Dall analisi dei risultati ottenuti su 2 campioni si desume che, mediamente, la velocità massima di produzione di biogas si raggiunge in circa 8 giorni nel 65% dei campioni analizzati (grafico 2). La velocità media di degradazione della biomassa, invece, si valuta con i coefficienti F5% e F9%: una biomassa molto degradabile ha valori di F5% e F9% più bassi di una biomassa difficilmente degradabile. La conoscenza di questo parametro, pertanto, permette di valutare la compatibilità dimensionale del digestore con la biomassa che si intende utilizzare: una volta noto il tempo di ritenzione idraulico di un impianto è possibile capire se questo è compatibile con i tempi di degradazione ricavati con il test Bmp. Anche in questo caso, il 77% dei campioni analizzati per l elaborazione raggiunge il 9% della degradazione dei solidi volatili al massimo in 26 giorni (grafico 3). Le informazioni rese disponibili dai test Bmp, in sostanza, permettono di Frequenza (%) analizzare la grande variabilità del potenziale delle matrici disponibili nel settore biogas. Classificazione delle matrici organiche In linea generale le matrici organiche possono essere così classificate: cereali trinciati o insilati: si tratta di prodotti derivati da colture dedicate, a elevata densità energetica, elevato standard qualitativo e ottima degradabilità. La scelta della fase fenologica del raccolto, le modalità di trinciatura e conservazione possono influenzare notevolmente la resa in biogas; sottoprodotti di origine animale (Soa): appartengono a questa categoria tutte le matrici derivanti dalla lavorazione di prodotti animali (carnicci, grassi animali, latte e suoi derivati, sangue, contenuto ruminale, uova e derivati, ecc.). Si tratta di prodotti con una notevole variabilità, molto ricchi di lipidi e proteine, generalmente a elevata densità energetica, ma con potenziali problemi di degradabilità ed elevata instabilità biologica; sottoprodotti dell industria alimentare: categoria molto vasta che racchiude gli sfridi di produzione di diversi prodotti alimentari (pane, pasta, dolciumi, caffè, ecc.). I prodotti di questa categoria sono molto ricchi in carboidrati più o meno complessi, hanno un elevata degradabilità, sono spesso disponibili in periodi limitati dell anno, difficilmente conservabili per periodi prolungati e caratterizzati da un basso livello di standardizzazione; GRAFICO 3 - Distribuzione media del parametro F9% dei campioni utilizzati per l elaborazione F9% (giorni) Il 77% dei campioni analizzati per l elaborazione raggiunge il 9% della degradazione dei solidi volatili al massimo in 26 giorni. 212 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 4/212 supplemento a L Informatore Agrario 15

4 Esempi di sottoprodotti di origine agroindustriale avviabili a digestione anaerobica. 1 Scarti di frutta. 2 Scarti di cipolle. 3 Scarti di tabacco. 4 Scarti di torrefazione dell orzo effluenti zootecnici: matrici molto importanti per la digestione anaerobica, caratterizzati da elevata variabilità, degradabilità media o medio-bassa in funzione delle modalità gestionali in allevamento; sottoprodotti vegetali: matrici residuali generate dalla lavorazione dei prodotti ortofrutticoli, residui colturali, barbabietola. Sono prodotti generalmente ricchi di frazioni fibrose, ma non mancano prodotti amidacei, di degradabilità mediamente elevata e basso standard qualitativo; sottoprodotti dell industria molitoria: prodotti a elevato standard qualitativo, ricchi di amidi, elevata degradabilità. Appartengono a questa categoria le farine, i derivati, le crusche, i farinacei dei diversi cereali. A titolo di esempio in tabella 1 viene riportato uno screening dei principali valori di resa in biogas/metano, degradabilità e velocità di degradazione delle diverse famiglie di prodotti descritte. Potenziale metanigeno del digestato Oltre alla valutazione del potenziale metanigeno delle matrici da utilizzare in impianto, la tecnica del BMP può essere utilizzata anche per valutare il loro effettivo grado di utilizzo. In questo caso si parla di BMP_Residuo, ovvero del potenziale metanigeno del digestato uscente dall impianto, che ovviamente è tanto più elevato quanto più bassa è l efficienza dell impianto di digestione anaerobica. In questo caso, su 2 campioni analizzati sono state riscontrate produzioni medie di 63 Nm 3 /t s.v., con valori minimi di 2 Nm 3 /t s.v. e massimi di 91 Nm 3 /t s.v. La degradabilità massima arriva al 15% con un Kmax di 11 giorni. La valutazione del potenziale metanigeno con test BMP può essere validamente utilizzata dai gestori degli im- TABELLA 1 - Resa in metano e degradabilità media delle diverse famiglie di prodotti analizzati Famiglia di prodotti Campioni (n.) Resa in metano (Nm 3 /t s.v.) Kmax (giorni) Fmax (%) Cereali insilati (36) 6,5 (1,9) 81,6 (6,8) Sottoprodotti di origine animale (46) 7, (2,) 72, (8,9) Sottoprodotti industria alimentare (184) 5,7 (3,4) 85,8 (21,7) Sottoprodotti vegetali (125) 7,3 (4,) 65,1 (24) Sottoprodotti industria molitoria (28,1) 3,4 (3,4) 81,3 (5,2) Fra parentesi è indicata la deviazione standard. I sottoprodotti di origine animale e dell industria alimentare hanno elevate rese in metano, pari rispettivamente a 49 e 47 Nm³/t s.v. supplemento a L Informatore Agrario 4/ Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.

5 APPROFONDIMENTO Linee guida per gli impianti di biogas da effluenti zootecnici L uscita del dm 6 luglio 212, in attuazione dell art. 24 del decreto legislativo 3 marzo 211 n. 28, ha ridefinito il quadro degli incentivi per gli impianti di biogas che saranno messi in esercizio a partire dal 213. Le più importanti novità sono rappresentate dall individuazione di tariffe onnicomprensive decrescenti al crescere della taglia dell impianto, ma anche dell istituzione di un Registro nazionale a cui iscriversi per acquisire il diritto di accesso agli incentivi. Tale registro consentirà la costruzione di impianti di biogas fino al raggiungimento di un quantitativo contingentato (art. 9, comma 4), che per il triennio è stato fissato rispettivamente in 17, e MWe. Il decreto fissa anche le priorità di accesso al diritto di costruire l impianto di biogas: al primo posto sono stati individuati gli impianti di aziende agricole alimentati da biomasse e sottoprodotti fino a 6 kw di potenza elettrica. Il decreto, peraltro, definisce anche che gli impianti fino a 1 kw di potenza elettrica possono essere realizzati senza iscrizione al Registro. Le indicazioni che emergono dal decreto, in sostanza, mettono in luce una chiara intenzione da parte del legislatore di incentivare soprattutto impianti di piccola taglia alimentati da sottoprodotti di recupero. In questo contesto, il Crpa, su incarico del Servizio sviluppo del sistema agroalimentare della Direzione generale agricoltura della Regione Emilia-Romagna, ha prodotto una linea guida per la gestione delle strutture produttive dei bovini da latte coerente con la conduzione di un impianto di biogas e i criteri di progettazione e conduzione di impianti di biogas alimentati prevalentemente a effluenti zootecnici. Una parte importante della linea guida è dedicata all analisi del potenziale metanigeno degli effluenti stessi nelle loro differenti forme: liquami, letami, solido separato in relazione alle modalità gestionali e caratteristiche strutturali delle stalle. La linea guida è disponibile in formato integrale come e-book nella sezione «Pubblicazioni», sottosezione «e-book» sul sito internet del Crpa ( pianti di biogas anche per assegnare un valore economico congruo alle singole biomasse. Tale esigenza, sempre più sentita dagli operatori del settore, può essere soddisfatta confrontando il prezzo loro offerto per tali prodotti con una matrice di riferimento di cui sia noto un prezzo di mercato e caratteristiche standard. Il prodotto di riferimento maggiormente utilizzato, allo stato attuale, negli impianti di biogas è il silomais. Si definisce Silomais Equivalente (SMeq) la «quantità equivalente di insilato di mais standard (SMst) necessaria per produrre lo stesso volume di metano». In linea generale si può definire silomais standard (SMst) un prodotto con il 33% di solidi totali, il 4% di ceneri e una produzione di metano pari a 35 Nm 3 /t s.v. Utilizzando tale approccio un prodotto con SMeq pari a,5 avrà un controvalore energetico pari al 5% di quanto ottenibile con un silomais standard e pertanto un prezzo pari al 5%. Il valore economico del prodotto così ottenuto deve poi essere corretto tenendo in considerazione altri aspetti, che possono aumentarlo ma, più frequentemente, anche diminuirlo, quali: conservabilità e relative perdite di valore energetico del prodotto: tale aspetto incide sull effettiva disponibilità del prodotto all impianto di biogas. Un prodotto non conservabile può essere ritirato solo entro i limiti quantitativi caricabili nei 2-5 giorni successivi; volume di digestato prodotto (m 3 / Nm 3 di metano prodotto): tale parametro incide sui volumi di stoccaggio necessari e sui trasporti per l uso agronomico. Considerando la variabilità delle biomasse i volumi di digestato possono andare da 1 a circa 5 volte a parità di metano prodotto; quantità di azoto (kg N/Nm 3 di metano prodotto): tale parametro incide sulla sau necessaria per l uso agronomico del digestato e sui relativi costi di distribuzione. Considerando la variabilità delle biomasse i quantitativi di azoto possono andare da 1 a circa 2 volte a parità di metano prodotto. Si può definire silomais standard un prodotto con 33% di solidi totali, 4% di ceneri e una produzione di metano di 35 Nm 3 /t s.v. Considerazioni conclusive Il valore energetico delle biomasse da destinare all uso in digestione anaerobica può essere definito applicando una tecnica analitica che consenta di individuare il potenziale metanigeno. Tale tecnica, definita nelle sue modalità dalla norma UNI EN ISO 11734:24, permette di ottenere, oltre alla quantità massima di biogas/metano ottenibile, tutti i principali parametri di cinetica di conversione della sostanza organica, la quantità di digestato producibile e la quantità di azoto per Nm 3 di metano. Confrontando il risultato di tale test con la producibilità di metano di una matrice standard, quale il silomais, è possibile, inoltre, assegnare anche un valore economico alle biomasse permettendo, in tal modo, di acquisire prodotti sul mercato al valore più congruo. L applicazione di tale tecnica al digestato, infine, consente di valutare il potenziale metanigeno residuo e pertanto il grado di sfruttamento delle biomasse utilizzate per il proprio impianto. Claudio Fabbri, Mariangela Soldano Giuseppe Moscatelli, Sergio Piccinini Crpa, Reggio Emilia Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it 212 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 4/212 supplemento a L Informatore Agrario 17