Biogas da effluenti zootecnici e riduzione dell'azoto

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1 Corso di formazione «La gestione dell'azoto nell'azienda agro-zootecnica» Parma 10 aprile 2013 C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia Biogas da effluenti zootecnici e riduzione dell'azoto Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali - RE

2 Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.

3 Composizione delle matrici per biogas Tal quale (tq) Acqua (10-98% tq) Solidi totali (ST) = sostanza secca Solidi volatili (SV) = sostanza organica Ceneri = ST- SV Si misurano come: g/kg o %p/p + Ceneri (2-50% ST) Indegradabile (10-70% SV) Solidi totali Solidi volatili (2-90% tq) (50-98% ST) Degradabile (30-90% SV)

4 Cosa succede ai SV in DA? Valori tipici per effluenti zootecnici Biogas 37,5 kg SV Degradabile (50% SV) Solidi totali iniziali 100 kg Ingestato SV tot 75 kg Ceneri 25 kg SV/ST iniziale 75% SV ind Ceneri 25 kg Digestore SV ind 37,5 kg Ceneri 25 kg Digestato SV/ST finale 60% Efficienza DA 50%

5 Procedura di quantificazione effluenti e Solidi Volatili Pluviometria Perdite SV r nel ricovero Dipendono da tecniche di rimozione Mungitura Paddock Quantificazione SV escreti = f(pv) Pascolo? Acque di processo: - lavaggio sala attesa - lavaggio impianti Acque meteoriche Paglia (Q p ) Liquame Q liq e ST liq Liquame Letame Letame Q let e ST let SV liq AD SV let SV AD = Q liq *ST liq *SV/ST liq + Q let *ST let *SV/ST let -SV r

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

7 Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche 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

8 Effluenti suini: caratteristiche chimiche 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

9 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)

10 Effluenti avicoli: ovaiole (dati CRPA) Parametro Unità misura Nastro non ve ntilato Tunne l e s siccazione 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)

11 Esempio di rese di effluenti bovini

12 Esempio di rese di effluenti avicoli e suini

13 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

14 Schema impiantistico 14,5 t/gg Ivano Dosatore 30,5 t/gg Antonio 70 t/gg 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

15 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

16 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%

17 Effetti della digestione anaerobica Il processo di digestione anaerobica: Determina una riduzione della sostanza organica meno stabile; Non riduce i quantitativi di azoto e fosforo; Trasforma parte dell'azoto organico in azoto ammoniacale.

18 Le forme azotate degli effluenti zootecnici Negli effluenti l'azoto è presente in due forme: azoto organico e azoto ammoniacale; Le percentuali di queste due forme azotate dipendono da molteplici fattori (tipo di effluente, età di stoccaggio, trattamenti, ph, temperatura...) L'azoto ammoniacale a sua volta può essere presente come ione ammoniacale (N-NH 4+ ) o come ammoniaca gassosa libera (NH 3 ); Solo l'ammoniaca gassosa libera (NH 3 ) è volatile

19 Potenziale metanigeno e analisi chimiche: perchè valutarli per... valutare i costi di produzione del metano valutare le quantità di azoto da gestire valutare le quantità di digestato da gestire quantificare le biomasse necessarie verificare la compatibilità con la tipologia impiantistica e le strutture aziendali (stoccaggi, movimentazione, miscelabilità, tempi di ritenzione idraulici...)

20 Metodi di valutazione: BMP statico Biogas (CH 4 +CO 2 +H 2 +H 2 O) Substrato da valutare + Inoculo + Soluzione madre Digestato Peso ingresso (Xin) Peso biogas (X 1 out) + peso digestato (X 2 out)

21 Laboratorio biogas di CRPA Lab

22 Esempio curva produttiva

23 La variabilità delle matrici Nm 3 CH4/tSV Media Dev.ST CV Cereali insilati % SOA % Industria alimentare % Scarti vegetali % Effluenti zootecnici % Altri vegetali % Rifiuti organici % Digestato %

24 Rese produttive (BMP): Nm 3 /tsv

25 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%

26 Valore economico di una biomassa: altri principi da considerare Volume di digestato prodotto m 3 digestato/m 3 metano Incide sui volumi di stoccaggio necessari e trasporti per uso agronomico. Considerando la variabilità delle biomasse i volumi di digestato possono andare da 1 a circa 50 volte a parità di metano prodotto

27 Valore economico di una biomassa: altri principi da considerare Quantità N prodotto kg N/m 3 metano Incide sulla SAU necessaria per uso agronomico e sui costi di distribuzione. Considerando la variabilità delle biomasse i quantitativi di N possono andare da 1 a circa 10 volte a parità di metano prodotto

28 Il Decreto sulla produzione di Energia Elettrica da Fonti Rinnovabili D.M. 6 Luglio 2012

29 Decreto 6 luglio 2012 a. Premio 30 /MWh per rimozione azoto 60% del totale in ingresso impianto nella comunicazione di spandimento senza limiti di taglia. In CAR, si deve produrre fertilizzante ed essere iscritti ad apposito registro. Il fertilizzante va prodotto senza apporti di energia termica esterni e le vasche di alimentazione e stoccaggio devono essere coperte. Il recupero di azoto non deve comportare emissioni in atmosfera. b. Premio 20 /MWh per rimozione azoto 30% del totale in ingresso impianto nella comunicazione di spandimento per impianti fino a 600 kw. In assettocogenerativo si deve produrre fertilizzante ed essere iscritti ad apposito registro. Le vasche di alimentazione e stoccaggio devono essere coperte. Il recupero di azoto non deve comportare emissioni in atmosfera. c. Premio 15 /MWh per rimozione azoto 40% del totale in ingresso impianto per impianti fino a 600 kw. Le vasche di alimentazione e stoccaggio devono essere coperte. Il recupero di azoto non deve comportare emissioni in atmosfera. (Rimozione, non recupero a fertilizzante, e niente cogenerazione.)

30 Che tipo di azoto è disponibile? 70-75% N ammoniacale 45-55% N ammoniacale

31 Separazione solido-liquido E' una tecnica utilizzata per segregare le componenti particellari più o meno fini, presenti in un effluente, in una frazione palabile; A seconda delle finalità e della tipologia di effluente è possibile applicare diversi tipi di macchine; La stessa macchina può avere efficienze diverse a seconda della regolazione e del effluente su cui lavora

32 Tipologia di macchine

33 Correlazione fra efficienza di separazione ST e contenuto di solidi totali

34 Correlazione fra efficienza di separazione NTK e contenuto di solidi totali

35 Correlazione fra efficienza di separazione NTK e contenuto di solidi totali Efficienza rimozione azoto (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Centrifuga orizzontale Con polielettroliti Senza polielettroliti Concentrazione solidi totali (g/kg) Liquame suino e bovino Digestato

36 Trattamento del digestato per evaporazione Addensato Essiccazione e/o Evaporazione Digestato S/L Solfato ammonio fertilizzante Solido essiccato Esportazione Chiarificato Uso agronomico

37 Bilancio energetico di un impianto da 600 kw (esempio 1): perdite di sistema e potenza recuperabile Bilancio termico della potenza disponibile per gli usi esterni Potenza termica [kw] Temperatura esterna [ C] Circa 550 vacche in lattazione + 30% in peso da colture dedicate Biomassa Quantità (t/g) Solidi volatili (t/g) Metano (Nm 3 /g) Liquame bovino 38,4 3,1 718 Letame bovino 12,8 2,3 527 Insilato 22 6, Totale 73,2 12, Ripartizione della potenza disponibile (kw e %) Potenza necessaria per l'impianto Temperatura esterna media Potenza disponibile per la vendita Digestato producibile Quantità (t/g) Solidi totali (g/kg) Azoto tot.- NTK (mg/kg) Azoto N-NH4+ (mg/kg) 64, ,500-5,700 3,000-3,200 (55% NTK)

38 Evaporazione e azoto esportabile: esempio 1 La quantità di azoto esportabile raggiunge i limiti richiesti dalla normativa per i bonus solo in condizioni ottimali: h/a di funzionamento CHP e consumo specifico ad alte prestazioni (< 0,9 kwh/kg H 2 O)

39 Risultati conseguibili: bilancio azotato nello scenario 1 con 0,4 kwh/kg H 2 O Azoto caricato Azoto esportabile 134,8 t/a 77,4 t/a 57,5% dell Input Azoto residuo da spandere in azienda 57,3 t/a 42,5 % dell Input

40 Fitodepurazione degli effluenti zootecnici La concentrazione di azoto nel refluo può essere ridotta del 50-60% ed il tasso di rimozione può raggiungere 2 g N/m 2 /giorno. Questo significa che un impianto delle dimensioni di 1000 m 2, che tratterà m 3 refluo/giorno, può rimuovere non più di: 2 g N/m 2 /giorno x 1000 m 2 x 365 giorni/anno 700 kg N/anno Solidi sospesi totali in ingresso dovrebbero essere < 1 g/l Azoto totale in ingresso dovrebbe essere < 0,5 g/l

41 Strippaggio a caldo Lo strippaggio in assenza di DA risulta di difficile applicabilità. Infatti: serve l energia termica della cogenerazione; la D.A. trasforma N organico (non strippabile) in azoto in forma ammoniacale (strippabile) aumentandone la percentuale e l'efficienza di rimozione; la D.A. innalza il ph riducendo gli acidi volatili che possono ostacolare il passaggio dell'ammoniaca dalla soluzione acquosa a gas; la D.A. riduce notevolmente la sostanza organica responsabile della formazione di schiume;

42 Strippaggio a caldo Andamento medio della percentuale di ammoniaca rimossa durante i test CRPA (2008) condotti su liquame suino chiarificato in funzione della temperatura (50 C, 60 C e 70 C) e della durata del processo.

43 Problemi dello strippaggio Lo strippaggio è una tecnica matura se applicata nell'industria chimica. Se applicata alla frazione chiarificata post D.A. (elevato potere tamponante, elevata viscosità, elevato tenore di sostanza secca e notevoli quantità prodotte) è una tecnologia che necessita di ulteriori studi, non tanto per le efficienze di rimozione raggiungibili, quanto per i reali costi di gestione e di mantenimento operativo dell'impianto. Il solfato d'ammonio derivante può avere titoli interessanti (>6% N). La fattibilità di una sua commercializzazione è tuttavia ostacolata in quanto risulta contaminato da sostanze organiche volatili e dal costo del solfato ammonico cristallino titolo 21% di sintesi (278 euro/ton alla borsa di Modena del 11/02/2013).

44 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 disponibili scaricabili in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet

45 Grazie per l attenzione c.fabbri@crpa.it Viale Timavo 43/2 Reggio Emilia Tel Fax