Agronomia del biogas fatto bene e fertilizzanti Rinnovabili

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1 Agronomia del biogas fatto bene e fertilizzanti Rinnovabili F. Adani, A. Schievano, L. Corno, S. Pilu GRUPPO RICICLA Padiglione/Hall B7, Stand 155/159 DiSAA - Università degli Studi di Milano Lab. Suolo e Ambiente, via Celoria 2, Milano Lab. Biomasse e Agroenergia, Parco Tecnologico Padano, Via Einstein, Loc. C.na Codazza, Lodi. Tel Fax gruppo.ricicla@unimi.it

2 Progetto BioBI Regione Lombardia 2007: Biomasse per Biogas (Gruppo Ricicla DiSAA UNIMI; Sez Agronomia DiSAA, CIB, Monsanto)

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8 Arundo donax L. Fiore sterile Ramo terziario Ramo secondario Stelo principale Nuovo germoglio Nodo Rizoma Radici Primo anno Successivi anni

9 Il ciclo vegetativo

10 Le eccezionali rese Paese Sostanza secca Fonte U.S. 171 Mg ha-1 Spencer et al., 2006 U.S. 155 Mg ha-1 Giessow, 2011 U.S. 49 Mg ha-1 Ambrose et al., 2007 India Mg ha-1 Sharma et al., 1998 Australia Mg ha-1 Williams et al., 2008 Italia 30 Mg ha-1 Angelini et al., 2005 Spagna (I anno) 1.3 Mg ha-1 Hidalgo et al., 2000 Spagna (II anno) 20 Mg ha-1 Hidalgo et al., 2000 Spagna (III anno) 45.9 Mg ha-1 Hidalgo et al., 2000 Grecia Mg ha-1 Papazoglou et al., 2007 Grecia 15.6 Mg ha-1 Soldatos et al., 2004 Nord Italia (I anno) 6 Mg ha-1 GRUPPO RICICLA Nord Italia (II anno) 26 Mg ha-1 GRUPPO RICICLA Nord Italia (III anno) 74 Mg ha-1 GRUPPO RICICLA Centro Italia Mg ha-1 Amaducci, 2012 Centro Italia 37.7 Mg ha-1 Angelini et al., 2009 Centro Italia 17 Mg ha-1 Di Candilo et al., 2012 Sud Italia (I anno) 10.6 Mg ha-1 Cosentino et al., 2006 Sud Italia (II anno) 22.1 Mg ha-1 Cosentino et al., 2006 Sud Italia Mg ha-1 Cosentino et al., metri

11 Gli utilizzi della canna comune Digestione anaerobica Bioetanolo Chips e pellet Estrazione di composti e utilizzo industriale

12 Prova di digestione anaerobica - Il campo sperimentale - Il campo sperimentale dell azienda didattico-sperimentale A. Menozzi di Landriano (PV). Trinciatura e insilamento della biomassa in trincea. Stesse modalità impiegate per il mais Conservazione per lunghi periodi Non sono necessari innesti

13 Prova di digestione anaerobica - I risultati - Biogas prodotto Mais Arundo Nm3 t ± ± 15 Nm3 t-1 SV ± ± 16 Nm3 CH4 t-1 SV ± ± 9 Nm3 CH4 t ± ± 9 CH4 % 61.6 ± ± 2.2 CO2 % 38.1 ± ± 2.1 H2S % 0.2 ± ± 0.1 H2 % 0.1 ± ± % La produzione di biogas da Arundo risulta competitiva grazie alle alte rese per ettaro:

14 Prova di digestione anaerobica Biomassa prodotta CH4 per tonnellata di biomassa t ha-1 10 m3 CH4 ha CH4 per ettaro 0 m3 CH4 ha /Ha /Ha 1200 /Ha 0

15 Costo coltura energetica (es. mais + triticale) = 8-12 c kw-1 Costo Arundo (prudenziale) = 3.5 c kw-1 Prezzo di mercato = 9 kw-1 Delta con Arundo = 5.5 kw-1 1. Aumento potenza impianti esistenti 2. Rendo economici impianti da 1 Mw con nuova tariffa. Se abbasso costi di ammortamento e gestione dai 8-9 c kw-1 del 30%, plausibile oramai: Ottengo = ( ) = 9 = grid parity Devo poi aggiungere. calore, fertilizzanti etc.

16 Prova di digestione anaerobica - I risultati - Sostituzione delle tradizionali colture con Arundo: il mais Produzione di biogas: 1 Ha coltivato con Arundo = 1.42 Ha coltivati a mais Per ottenere la stessa quantità di energia si risparmia circa il 41% di superficie La biomassa è molto conveniente!!

17 La canna comune nel 2013 by Produzione di materiale di propagazione mediante micropropagrazione in collaborazione con Arundo Italia s.r.l. ; Impianto di nuovi ettari coltivati ad Arundo in sostituzione di altre colture in 25 aziende.

18 La canna comune nel 2013 Aratura e affinamento del suolo Sarchiatura e diserbo Irrigazione 300 kg/ha di urea Attecchimento prossimo al 100% Piante di 1.5/2 metri già al primo anno Ridotti interventi agronomici

19 L insilamento Insilato mais Insilato arundo ph 3.63 ± 0 4 ± 0.02 NH4 g kg ± ± 0.04 TKN g kg ± ± 0.09 AGV mg l ± ± 177 Alcalinità mg l ± ± 97.9 Mais acido ossalico mg kg ± 1086 acido citrico mg kg ± 68 acido malico mg kg ± 88 acido succinico mg kg ± ± 304 acido lattico mg kg ± ± 430 acido acetico mg kg ± ± 322 acido propionico mg kg ± 1127 acido isobutirrico mg kg ± 730 acido Nbutirrico mg kg ± 1974 Conducibilità ms 1.69 ± ± 0.08 SS % 31.1 ± ± 0.54 TOC g kg ± ± 12.4 Solidi volatili % 95.2 ± ± 0.8 Ceneri % Gruppo 4.8 Ricicla ± 0.8- UNIMI 5.6 ± 0.8 Arundo

20 Conclusioni Alte rese con ridotti input agronomici ed energetici; Possibilità di produzione di biogas in sostituzione colture energetiche tradizionali; Le alte rese permettono produzioni di biogas superiori a costi inferiori.

21 Dove eravamo rimasti..?

22 NH3 concentrations derived from IASI observations above the Po Valley Lieven Clarisse et al., Nature Geoscience 2, (2009)

23 Perché..

24 Da: Ferrara, 2009

25 Figure 2. Contributo dell agricoltura alle emissioni (Erisman et al., 2008).

26 NH3 : come contribuisce alla formazione di PM 2.5 Concentrazioni medie di NH3 in troposfera sono comprese tra 1 e 25 PPB (parti per miliardo) (Renard et al. 2004) 2 NH3 reagisce velocemente in atmosfera con acido solforico e acido nitrico dando origine ai corrispondenti sali: ammonio solfato ammonio bisolfato ammonio nitrato 1 Il processo di formazione e volatilizzazione dell NH3 da letame animale avviene in modo istantaneo 4 Sono PM 2.5

27 Misura degli impatti derivanti dalle attività agricole: Approccio LCA: abbiamo confrontato l impatto della produzione di energia da mix energetico con l impatto della attività agricola e poi abbiamo inserito il biogas.

28 CARATTERIZZAZIONE (UNITA FZ: prod.1 kwh elettrico - metodo: ReCiPe Midpoint (H) V1.06/Europe ReCiPe H) azoto Elettrico mix coltivazioni Agricoltura

29 Alimentazione media megadigestore LOMBARDIA: 282 MW Adani et al. (2013) LA DIGESTIONE ANAEROBICA NEL CONTESTO AGRICOLO LOMBARDOISBN , pp.188.

30 CARATTERIZZAZIONE (UNITA FZ: prod.1 kwh elettrico - metodo: ReCiPe Midpoint (H) V1.06/Europe ReCiPe H) * * impianto motore fraz. solida digestato in campo Elettrico mix * azoto Gruppo Ricicla Agricoltura - UNIMI * * * coltivazioni Biogas virtuoso

31 CARATTERIZZAZIONE (UNITA FZ: prod.1 kwh elettrico - metodo: ReCiPe Midpoint (H) V1.06/Europe ReCiPe H) Fosforo da coltura energetica Gruppo Ricicla Agricoltura - UNIMI Biogas virtuoso

32 I18 indicatori specifici (midpoint) Climate change Ozone depletion Human toxicity Ionising radiation Photochemical oxidant formation Particulate matter formation Climate change Terrestrial ecotoxicity Terrestrial acidification Agricultural land occupation Urban land occupation Natural land transformation Marine ecotoxicity Marine eutrophication Freshwater eutrophication Freshwater ecotoxicity Water depletion Metal depletion Fossil depletion vengono aggregati, attraverso un set di pesatura, in 3 indicatori endpoint human health ecosystems resources

33 Latte e/o carne Solo coltura energetica a basso impatto Elettrico fossile Agricoltura Biogas virtuoso

34 La DIGESTIONE ANAEROBICA è un processo che, in ambiente controllato, trasforma i reflui zootecnici in BIOCOMBUSTIBILE FERTILIZZANTI RINNOVABILI

35 Fertilizzanti sempre disponibili?

36 Forecast for world crop production and fertilizer consumption (FAO, 2000) Lammel, 2000

37 Prezzo fertilizzanti vs. prezzo petrolio Terruzzi, 2012, by Gruppo Ricicla X 3-4

38 Digestato = risorsa

39 GESTIONE DEL DIGESTATO : DISTRIBUZIONE IN COPERTURA Progetto PILOTA SATA Regione Lombardia

40 AZZERAMENTO DELLA FERTILIZZAZIONE 20 MINERALE Az. 201 Az. 2 minerale Resa digestato minerale digestato Resa (t tq ha -1) 10 Resa (t ha -1) 10 0 Grafico 1-a: resa trinciato di mais tq nelle diverse tesi T1 = bianco - bianco T2 = digestato tq superficiale - digestato tq iniettato T3 = urea - urea T4= digestato tq iniettato - separato liquido iniettato 0 Grafico 1-b: resa trinciato di mais tq nelle diverse tesi T1 = bianco - concimazione localizzata T2 = digestato tq superficiale - concimazione localizzata T3 = urea - concimazione localizzata T4= digestato tq interrato - concimazione localizzata

41 GESTIONE DEL DIGESTATO : INIEZIONE EMISSIONI DI AMMONIACA Digestato distribuzione superficiale Carozzi, Riva, Acutis, Tambone, Adani, 2012 Progetto - NERØ Regione Lombardia Digestato distribuzione per iniezione

42 Misure odorimetriche Milzano (BS) Copertura Prove odorimetriche Laboratorio (UO m-2 h-1) Prove odorimetriche pieno campo (UO m-2suolo h-1) Grafico 5: prove odorimetriche in campo T1 = bianco T2 = Digestato tq iniettato T3 = urea T4= separato DA liquido iniettato

43 Sistema integrato di gestione dei reflui zootecnici per la produzione di energia rinnovabile (digestione anaerobica con produzione di biogas, da cui elettricità e calore in cogenerazione) e produzione di fertilizzanti rinnovabili. AZIENDA AGRICOLA BIZZONI F.lli S.s. SOCIETA AGRICOLA GRUPPO RICICLA DISAA dell Università degli Studi di Milano

44 SOSTITUIRE L AZOTO DI SINTESI: PERCORSI. il Gruppo Ricicla dell Università degli Studi di Milano e Regione Lombardia hanno proposto dei criteri tecnici per sostituire completamente l azoto di sintesi con l azoto contenuto nel digestato. La proposta tecnica si basa sul fatto che il digestato con un alto tenore di azoto ammoniacale (N-NH4/Ntot > 0.7) è assimilabile (medesima efficienza) ad un fertilizzante azotato tipo urea o solfato ammonico. Se gestito correttamente: i.e. vasche di stoccaggio coperte ed utilizzo per iniezione o interramento immediato.

45 DECRETO SVILUPPO (DL 83, 22 GIUGNO 2012) Decreto Sviluppo (dl 83, 22 giugno 2012) cita testualmente: è considerato sottoprodotto il digestato ottenuto in impianti aziendali o interaziendali dalla digestione anaerobica, Decreto Sviluppo (dl 83, 22 giugno 2012).sono definite le caratteristiche e le modalità di impiego del digestato equiparabile, per quanto attiene agli effetti fertilizzanti e all'efficienza di uso, ai concimi di origine chimica.

46 Proposta Gruppo Ricicla e Regione Lombardia: Frazione liquida = fertilizzante se: Digestione efficiente + separazioni efficienti Efficienza di utilizzo alla coltura N-NH4 > 70-80% 90% Digestione efficiente secondo parametri: Stabilità biologica Aspetti igienico-sanitari Titolo Ntot Titolo N- NH4 Efficienza di utilizzo dose N a bilancio coltura copertura vasche di stoccaggio distribuzione con iniezione, interramento immediato o fertirrigazione localizzata

47 ultrafiltrazione + osmosi inversa + zeolite Zeolite

48 Untreated After ultrafiltration After reverse osmosi

49 Solfato ammonico

50 Solfato ammonico. N = 6-8 %

51 Overall balances for DCM and DSM Disposablea Exportableb Errorc kg 100 kg-1 of kg 100 kg-1 of kg 100 kg-1 of digestate digestate digestate DCM DSM DCM DSM DCM DSM Md TS TKN N-NH TP TK acalculated as SP solid + DC solid + UF concentrate + Lime residue bcalculated as RO permeate + RO concentrate Lime residue cnegative sign indicates missing quantities in the balance dexportable fraction is calculated as RO permeate + Ammonium sulfate Ledda et al. Water Research, 47:

52 Frazione solida. Per essere fertilizzante devo compostare!!! Source: Arpav 2010 Perché!!!!!!

53 Progetto: Studio tecnico scientifico, a sostegno della domanda di riconoscimento del digestato quale fertilizzante. PSR124 - Dom. Mis Coop. svil. prodotti, processi e tecnologie nel settore agricolo/alimentare/forestale STUDIO E REALIZZAZIONE DI UN PRODOTTO FERTILIZZANTE INNOVATIVO DERIVANTE DA EFFLUENTI ZOOTECNICI E CENERI DI COMBUSTIONE, Regione Lombardia Capofila: Distretto Agroenergetico Lombardo

54 Caratteristiche frazioni solide separate: caratteristiche agronomiche SV C ORG N-tot N-org N-amm %N C/N %ss %ss %ss %ss %ss amm/tot 85,33±1,25 41,56±0,72 1,87±0,2 1,74 0,13±0,01 6,95 22,22 77,99±0,10 47,64±3,25 1,61±0, ,56±1,60 45,57±1,41 1,77±0,01 1,32 0,45±0,01 25,42 25,75 87,51±0,15 44,90±0,25 2,23±0 1,25 0,98±0,00 43,94 20,13 83,95±0,48 50,35±0,30 1,71±0 1,29 0,42±0,02 24,56 29,44 90,16±0,11 49,78±0,85 1,69±0 1,24 0,44±0,03 26,03 29,45 89,68±0,19 31,50±4,70 1,91±0,01 1,22 0,69±0,02 36,12 16,49 90,75±0,02 45,60±0,65 1,64±0,05 1,16 0,49±0,01 29,87 27,80 82,02±1,84 51,10±0,66 2,05±0,20 1,71 0,34±0,02 16,59 24,93 95,35±0,17 45,80±1,03 0,89±0,09-0,23±0,03 25,84 51,46 87,03±4,94 45,38±5,67 1,74±0,36 1,37±0,23 0,46±0,25 26,15±11 27,73±9,42

55 Caratteristiche frazioni solide separate: contenuto di metalli a confronto con compost. Matrice Cd Ni Cu Pb Zn Hg (mg/kg) A 0,35±0,02 6,15±1,37 54,86±0,02 2,58±0,44 209±16 - B 0,09±0 6,90±2,93 24,55±1,06 1,25±0,18 117±1 0,01±0 C 0,24±0,01 2,52±1,61 35,01±1,34 0,42±0,05 240±2 - D 0,29±0,02 5,33±0,29 50±1 0,63±0,01 293±2 0,33±0,05 E 0,0015±0 4,06±0,13 24,80±1,06 0,27±0,18 82,6±0,7 0,12±0,01 F 0,14±0,01 108±5 0,8±0,03 16,36±0,63 72±1 0,16±0,02 G 0,16±0,03 8,00±0,00 2,63±0,5 50,10±19,69 245±10 0,03±0 H 0,04±0,01 3,91±0,08 0,81±0,09 84,37±2,01 292±15 0,05±0 I 1,27±0,3 8,55±0,54 31,45±0,54 2,67±0,18 226±1 - L 0,02±0,01 1,28±0,15 18,56±0,3 1,23±0,11 29,78±7,38 ± media 0,26±0,37 15,47±36 24,35±19 15,99±28 180,64±96 0,12±0,1 limite max < 1,5 < 100 < 230 < 140 < 500 < 1,5

56 Drying Source: BTS Source: bss-system.nl Dried digestate Less water to deal with. More usable solid (PELLET or flake form) using heat from AD plant

57 Pellets: fertilizzante Vantaggi: Riduzione dei volumi Più attrattivo Più vendibile Igienizzato (>70 C, per 1h) Facile da trasportare Photo: enterprise-europe-network.ec.europa.eu

58 Regione Lombatrdia CARILPLO BIOREFILL - project ID Picture II Integrated bio-refinery chart (green) with the products obtainable (light blue)

59 Soci fondatori: - Università degli Studi di Milano - - Politecnico di Milano - Innovhub SSI - Consorzio Italbiotech LOMBARDY GREE CHEMISTRY ASSOCIATIO Costituito il 17 ottobre, 2013 N

60 Fabrizio Adani Full Professor Fulvia Tambone Researcher Barbara Scaglia Biologist Andrea Schievano Environmental Engineer Silvia Salati Environmental Scientist Giuliana D Imporzano Agronomist Claudio Ledda Biotechnologist Valentina Orzi Agronomist Ester Manzini Agronomist Padiglione/Hall B7, Stand 155/159 Tommy Pepè Sciarria Biologist Arjana Doda Pharmacist Samuele Lonati Agronomist Laura Terruzzi Natural scientist Carlo Riva Agronomist Michele Pognani Agronomist Luca Corno Agronomist