Opportunità di sviluppo per i piccoli impianti di biogas. Claudio Fabbri. BIOGAS E BIOMETANO: una filiera bioenergetica sostenibile

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1 per i piccoli impianti BIOGAS E BIOMETANO: una filiera bioenergetica sostenibile Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA Giovedì 14 Marzo Ore 9,30 Sala Convegni Azienda Sperimentale Marani via Romea Nord, 248 Ravenna Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

2 Conversione energetica in DA In digestione anaerobica il contenuto energetico di una matrice organica viene prima convertito in un biocombustibile per mezzo di una flora batterica e poi in energia elettrica e termica 2

3 Composizione delle matrici ATTENZIONE però alla corretta valutazione del contenuto energetico lordo che può variare da kwh/t tq (liquame suino) a kwh/t tq (lipidi) 3

4 La digestione anaerobica e la digestione nel bovino 4

5 Cosa succede ai SV in DA? 5

6 Quantificazione SV negli allevamenti 6

7 Disponibilità di biomassa in allevamento La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da: - stadio di accrescimento - coefficiente di trasformazione dell alimento - soluzione stabulativa - controllo idrico e raccolta acque meteoriche 7

8 Sostanza secca escreta: bovini da latte Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte 8

9 Sostanza secca escreta: bovini da latte esempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi Categoria animale Vacche in lattazione Vacche in asciutta Capi Sostanza secca escreta Paglia Sostanza secca disponibile [n ] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg] 85 8, , ,5 68 1, Manze 15 1,9 29 4, Manzette 21 1,8 38 2, % Vitelli 13 0,8 11 1, Totale

10 Dimensionamento del cogeneratore La potenza elettrica installabile dipende in primo luogo dalla quantità di solidi totali disponibili e dal rendimento elettrico del cogeneratore Potenza elettrica installabile (kw/capo produttivo) 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Quantità di solidi totali disponibili per capo produttivo (kg/giorno) ƞe=25% ƞe=30% ƞe=35% ƞe=40% 10

11 Sostanza secca escreta: suini ingrasso Escrezione (kg/tpv/a) Peso vivo [kg] Peso medio: 100 kg 11

12 Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche (dati CRPA) Caratteristiche indicative (1) Liquami Letami Medio Intervallo Medio Intervallo Sostanza secca - ST(%) 8,2 5,7-10, Sostanza organica SV (%) Azoto totale NTK (%) 4,7 2,8-6,6 2,8 1,8-3,8 Produzione effluenti (t/tpv/anno) (2) Con lettiera Con cuccette Resa in biogas Biogas (di cui 54-56% CH 4 ) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali 12

13 Effluenti suini: caratteristiche chimiche (dati CRPA) LIQUAMI SUINI CARATTERISTICHE INDICATIVE (1) Valore medio Intervallo Sostanza secca - ST (%) 4,4 2,8-6,0 Sostanza organica - SV (%) Azoto totale - NTK (% ST) 8,0 6,3-9,7 CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE (2) Quantità Soluzione stabulativa A. (m 3 /anno * t p.v.) Pavimento totalmente o parzialmente fessurato B. (m 3 /anno * t p.v.) PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). Rimozione con acqua (pavimento pieno, gabbie, ecc.) 0,45-0,55 (di cui il 60-65% metano) (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali 13

14 Effluenti zootecnici: lettiera di polli da carne (dati CRPA) Parametro Unità di misura Corsia di abbeverata Corsia di alimentazione Corsia di smistamento Media ph [-] 7,7 ± 1,0 7,8 ± 0,6 8,0 ± 0,7 7,9 ± 0,5 Sostanza secca (ST) Sostanza organica (SV) Azoto totale (NTK) [g/kg tq] 574 ± ± ± ± 89 [g/kg tq] 459 ± ± ± ± 78 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0,6 Azoto ammoniacale [mg/kg tq] ± ± ± ± (NH 4 ) [%NTK] 19,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2 Azoto organico [mg/kg tq] ± ± ± ± (N org ) [%NTK] 80,1 ± 12,8 90,3 ± 3,9 84,4 ± 6,5 85,5 ± 5,1 Produzione sostanza secca, compresa lettiera standard : 5,5 kg ST/posto/anno (17% ceneri 83% SV) 14

15 Effluenti avicoli: ovaiole (dati CRPA) Parametro Unità misura Nastro non ventilato Tunnel essiccazione ph ST SV NTK N-NH4+ [-] 7,1±0,2 7,7±0,7 [g/kg tq] 347±74 730±151 [%tq] 35±7,4 73±15,1 [g/kg tq] 243±48 503±103 [%ST] 70±2,1 69±2 [mg/kg tq] 22151± ±6755 [%ST] 6,4±0,4 5,1±0,4 [mg/kg tq] 2946± ±997 [%NTK] 14±3,2 6±4 Produzione sostanza secca: 10,5 kg ST/posto/anno (25-30% ceneri, 70-75% SV) 15

16 Esempio di rese di effluenti bovini 16

17 Esempi di rese di effluenti avicoli e suini 17

18 Potenziale produttivo del solido separato: effetto del tipo di lettime e dell'età 18

19 Valori medi di resa in metano (m 3 /tsv) per effluenti zootecnici Media Dev.st CV Liquame suino 293,8 69,4 23,6% Suino (solido separato) 174,8 67,3 38,5% Liquame bovino 218,9 29,1 13,3% Bovino (Solido separato) 153,1 69,1 45,1% Letame bovino 186,9 59,8 32,0% Lettiera avicola 265,5 58,7 22,1% Pollina 306,1 74,0 24,2% 19

20 Perdite di sostanza organica in allevamento Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente) nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti Sistema di rimozione: - Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%); - Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%) - Raschiatore: massima efficienza (5-10%) 20

21 Parametri dimensionali: tempo di ritenzione idraulica (HRT) 21

22 Carico organico volumetrico 150 Capi x 15 kg SV/d.capo = 2,25 t SV/d Digestore 1500 m 3 HRT 60 gg 1500/60 = 25 t tal quale/d kg X 35%ST X 95% SV/ST / 1500 m 3 = 5,5 kg SV/m 3 22

23 Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche) Liquame suino 1000 kg H 2 O 946 kg SV tot 40 kg Ceneri 4 kg Per riscaldare 1000 kg Da 5 C A 38 C Servono circa 38 kwh t In DA si producono: 40 kgsv x 0,3 m 3 CH 4 /kgsv x 9,88 kwh/m 3 =118 kwh/t Con rendimento termico del CHP 40%, sono disponibili 118 kwh x 40% = 47 kwh/t Liquami molto diluiti dovrebbero essere addensati o integrati con letami 80% delle risorse energetiche servono per scaldare il liquame al carico! 23

24 Esempio di impianto biogas a liquami bovini Consistenza zootecnica capi in lattazione (700): per il 70% circa dei capi su cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30% restante su cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato; capi in asciutta (190): lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore; Manze (310): Cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore Manzette (300): lettiera integrale 24

25 Schema impiantistico Ivano 14,5 t/gg Dosatore 30,5 t/gg 70 t/gg Antonio Trasporto (2 km) CHP 330 kw Letame Ricircolo per diluizione carico Pompa trituratrice F m 3 F m t/gg Stoccaggio 3000 m 3 Solido separato HRT gg COV 2,3-2,5 kgsv/m 3 /gg 25

26 Caratteristiche liquami Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con acque lavaggio sala mungitura Liquame senza acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6% 4,6 80,4 63,4 78,8% 4,3 Letame 163,9 137,3 83,7% 2,9 Disponibilità totale SV: 9,7 kg/capo produttivo/giorno 26

27 Caratteristiche liquami/digestato Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg ] [%ST] Miscela media al carico 97 81,3 83, ,34 Digestato tal quale (n=19) 56,36 40,86 72, ,6 Digestato chiarificato (n=2) 45,9 29,18 63, ,47 Digestato solido separato (n=1) , ,97 Efficienza di digestione: 50,4% 27

28 Caratteristiche liquami: variabilità gestionale Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con raffrescamento evaporativo 73,1 56,7 77,8 4,3 Liquame senza raffrescamento evaporativo 84,1 66,7 79,2 4,3 A parità di ST, incremento di volume del 15% OVVERO A parità di HRT 15% in meno di COV 28

29 Performances produttive Potenza elettrica media 272 kw 0,3 kw/capo produttivo Produzione biogas/metano m 3 /tsv al 54,5% CH 4 16,8-19,3 m 3 CH 4 /t effluente 29

30 Bilancio elettrico Parametro KWh/giorno % della produzione lorda Produzione lorda Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1% Autoconsumi digestore 445 6,8% Ausiliari CHP 160 2,5% Produzione netta ,5% Trattamento separazione solido-liquido 122 1,9% Produzione annua stimata MWh Fatturato annuo previsto ,4% 30

31 Dieci requisiti per una buona progettazione 1. riduzione o gestione oculata delle acque di processo e meteoriche; 2. vasca di omogeneizzazione in testa alla linea di carico degli effluenti, possibilmente preriscaldata e miscelata; 3. preparazione della miscela al carico con trituratore per le frazioni fibrose lunghe; 4. corretto dimensionamento del digestore; 5. abbondante disponibilità di potenza radiante nel sistema di riscaldamento e un ottimo isolamento del digestore; 6. ampia disponibilità di volume gasometrico; 7. scelta oculata dei sistemi di miscelazione e possibilità di manovra degli stessi (modifica altezza e direzione di lavoro); 8. controllo qualità del biogas; 9. controllo dei principali parametri di processo 10. nea ronda ispettiva di tutti gli apparati elettromeccanici installat 31

32 Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti Si tratta di uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione e gestione di un impianto di biogas che per i professionisti che devono progettare. Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico (CIG E45J ) Le linee guida sono scaricabili gratuitamente in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet 32

33 per i piccoli impianti Grazie per l attenzione BIOGAS E BIOMETANO: una filiera bioenergetica sostenibile c.fabbri@crpa.it Centro Ricerche Produzioni Animali Giovedì 14 Marzo Ore 9,30 Sala Convegni Azienda Sperimentale Marani via Romea Nord, 248 Ravenna Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.