L uso e la produzione di bio-gas a fini energetici

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1 L uso e la produzione di bio-gas a fini energetici Costante M. Invernizzi Università degli Studi di Brescia 28 ottobre 2008

2 Outline 1 La gestione dei reflui zootecnici 2 Il processo di digestione anaerobica 3 Un esempio: l impianto consortile di Marsciano 4 Le caratteristiche di alcuni impianti a biogas La tipologia di biomassa Le prestazioni dei motori 5 Due esempi di analisi di fattibilità tecnico economica

3 La gestione dei reflui zootecnici La popolazione suina in Italia [1] I capi di suini in Italia nell anno 2005 ammontavano a circa 9 milioni. I dati in figura danno la distribuzione in percentuale fra le varie regioni italiane. Il 44 % dei capi suini censiti nel 2000 erano allevati in Lombardia. Più della metà della produzione lombarda è nelle provincie di Brescia e Mantova. Ai capi suini vanno poi aggiunti i bovini ed i capi avicoli.

4 La gestione dei reflui zootecnici L impatto ambientale, [1] Dai dati statistici degli ultimi anni si osserva: 1 la tendenza ad un aumento del numero di capi allevati 2 una sensibile riduzione del numero di aziende presenti sul territorio Il numero crescente di allevamenti intensivi, in particolare di suini, ha provocato l applicazione di quantità eccessive di reflui zootecnici ai terreni, acuendo i rischi di impatto ambientale di alcune pratiche agronomiche. Per molte aziende la gestione delle deiezioni animali è divenuta una delle principali voci di costo e ciò che rappresentava una fonte per la salvaguardia della fertilità dei terreni rischia oggi di avere un impatto sull ambiente.

5 La gestione dei reflui zootecnici Le soluzioni tradizionali per il trattamento dei liquami, [1] Tre diverse soluzioni per il trattamento dei liquami (suinicoli, in particolare): 1 impianto di trattamento con fase biologica a processo SBR 1 ; 2 impianto di trattamento con digestione anaerobica dei fanghi e recupero energetico del biogas; 3 impianto per la gestione integrata reflui FORSU 2 1 Sequencing Batch Reactor 2 FORSU = Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano. Impianti di questo genere utilizzano in modo combinato i fanghi prodotti da impianti di depurazione delle acque reflue e la frazione organica dei rifiuti da raccolta differenziata.

6 La gestione dei reflui zootecnici Rimozione dell azoto Impianto di trattamento con fase biologica a processo SBR Gli impianti con reattori SBR effettuano un trattamento biologico alternando fasi di carico del liquame a fasi di scarico del chiarificato. Tipicamente, nei liquami sono presenti circa 4 5 kg di ammoniaca per metro cubo. Il classico processo di nitrificazione e de-nitrificazione consuma mediamente kwh per metro cubo di liquame (suino) trattato.

7 La gestione dei reflui zootecnici Rimozione dell azoto e produzione di biogas Impianto di trattamento SBR e digestione anaerobica I fanghi primari e di supero rimossi con la flottazione vengono destinati alla fase di digestione anaerobica. Dalla digestione anaerobica si ottiene biogas con un contenuto di metano variabile dal 40 al 70 %, impiegabile in motori a combustione interna. Dal cogeneratore si ottiene energia elettrica ed energia termica per il riscaldamento del digestore ed eventualmente per il servizio di utenze dedicate.

8 La gestione dei reflui zootecnici Gli impianti a biogas in Italia, [2] In Italia, al gennaio 2008, gli impianti a biogas risultavano 154. Di questi: 22 in costruzione 17 in fase di autorizzazione Tipologia di substrato trattato Impianti (no.) solo liquame suino 44 (28.6%) solo liquame bovino 38 (24.7%) liquame suino e bovino 5 (3.25%) liquame bovino e/o suino e/o pollina + scarti organici + colture energetiche 35 (22.7%) liquame bovino e/o suino e/o pollina + colture energetiche 20 (12.99%) colture energetiche e/o scarti organici 9 (5.84%) pollina + scarti organici e/o colture energetiche 3 (1.95%) TOTALE 154 (100%)

9 La gestione dei reflui zootecnici Gli impianti a biogas in Italia, [2] In Italia, al gennaio 2008, la potenza elettrica totale degli impianti a biogas risultava pari a 49 MW. Con la seguente distribuzione Potenza elettrica nominale (kw) Impianti (no.) minore di (28.6%) maggiore di (9.1%) biogas in caldaia 8 dato non disponibile 41 totale 154 (100%) Quasi il 90 % degli impianti destinati alla generazione di energia elettrica (per i quali sono disponibili i dati) ha potenze elettriche inferiori al MW.

10 Il processo di digestione anaerobica I fondamenti I, [1] La degradazione biologica della sostanza organica in condizioni di anaerobiosi (in assenza di ossigeno molecolare o legato ad altri elementi, come nel caso dell azoto nitrico, NO 3 ) determina la formazione di una miscela gassosa, i cui componenti principali sono il metano e l anidride carboonica. L attività di degradazione è svolta da diversi gruppi microbici che interagiscono fra loro: i batteri idrolitici, i batteri acidificanti, i batteri metanigeni (quelli che producono metano e CO 2 ). I batteri metanigeni occupano solo la posizione finale della catena trofica anaerobica, nella quale il metano, poco solubile in acqua, passa nella fase gassosa, mentre la CO 2 si ripartisce nella fase gassosa e in quella liquida.

11 Il processo di digestione anaerobica I fondamenti II, [1] Ad esempio, nel caso della stabilizzazione anaerobica di una matrice con formula bruta C a H b O c N d, la reazione stechiometrica complessiva può essere rappresentata dalla relazione: C a H b O c N d n C w H x O y N z +m CH 4 +s CO 2 +r H 2 O+(d n z) NH 3 con s = a n w m ed r = c n y 2s E dalla parziale distruzione del materiale organico complesso si ha la formazione di metano, anidride carbonica, acqua ed ammoniaca 3. 3 L ammoniaca così generata si ritrova nella matrice liquida e va ad aumentare, con quella di origine animale, il carico di azoto.

12 Il processo di digestione anaerobica I fondamenti III, [1] L attività biologica anaerobica è stata osservata in un ampio intervallo di temperatura (tra -5 e + 70 gradi centigradi). Più precisamente, esistono differenti specie di microrganismi classificabili in base all intervallo termico ottimale di crescita: psicrofili temperature inferiori a 20 gradi centigradi mesofili temperature comprese tra i 20 ed i 40 gradi centigradi termofili temperature superiori a 45 gradi centigradi Di solito, per la digestione anaerobica dei fanghi di supero prodotti dalle acque reflue si ricorre al cosiddetto processo wet.

13 Il processo di digestione anaerobica I fondamenti IV, [1] I processi di tipo wet operano con carichi organici piuttosto bassi, inferiori a 6 kilogrammi di solidi volatili per metro cubo al giorno. La tabella seguente riporta, per un tipico liquame, intervalli tipici dei parametri di funzionamento e delle rese. Parametro di processo Intervallo Solidi nel fango trattato, %TS ( ) 10 fino al 15 Carico organico, kg di SV (*) per m 3 al giorno 2 4 Tempo di ritenzione idraulica, giorni 10 15, fino a 30 Rese del processo Intervallo Produzione specifica biogas, m 3 per kg di SV Velocità di produzione di biogas, m 3 per m 3 al giorno 5 6 Contenuto di metano, % di CH Riduzione della sostanza volatile, % ( )TS = solidi totali. Il contenuto in sostanza secca di un campione. I solidi totali rappresentano la somma della frazione organica e di quella inerte. (*)SV = solidi volatili.

14 L impianto centralizzato di trattamento di Marsciano Un esempio, [1] L impianto di depurazione dei reflui zootecnici di Marsciano (PG) è stato realizzato nel Il sistema di collettamento dei liquami, realizzato grazie ad una rete di fognature dedicata, si estende in un bacino d utenza del raggio di circa sette chilometri. Le realtà coinvolte sono: il comune di Marsciano (proprietario dell impianto, dei terreni e si occupa della gestione del sistema) alcuni allevamenti di piccole e medie dimensioni che esercitano attività di (a) coltivazione dei campi in loro possesso; (b) esclusivamente di allevamento (suini, bovini, galline, conigli e cani) agricoltori che non si occupano di allevamento Il biogas dal trattamento biologico dei liquami è recuperato in cogeneratori annessi all impianto.

15 L impianto centralizzato di trattamento di Marsciano Descrizione dell impianto I, [1] L impianto tratta i reflui prodotti in m 2 di stalle, per un totale annuo complessivo di m 3 ed una portata giornaliera di m 3 I liquami vengono pompati verso due digestori (che operano a gradi centigradi) cilindrici completamente miscelati del volume di 6000 m 3 ciscuno. Il sistema di miscelazione è realizzato con lance immerse fino alla base dei digestori che insufflano il biogas ricircolato dalla campana gasometrica favorendo l agitazione del substrato.

16 L impianto centralizzato di trattamento di Marsciano Descrizione dell impianto II, [1] (a) Il tenore di metano del biogas prodotto è mediamente compreso tra il 56 ed il 58 %, con punte del 60 %. (b) Il biogas spillato dalla campana gasometrica viene sottoposto al lavaggio per l abbattimento dell acido solfidrico con due torri scrubber, alimentate dallo stesso liquame da depurare addittivato con ipoclorito di sodio. (c) Segue un abbattimento delle condense e l utilizzo presso la centrale di cogenerazione.

17 L impianto centralizzato di trattamento di Marsciano Descrizione dell impianto III, [1] 1 Al momento della sua realizzazione l impianto era equipaggiato con tre motori da 200 kw ciascuno. 2 Nel 2000 i tre cogeneratori sono stati sostituiti con due di maggior potenza (375 e 510 kw). 3 Nel 2004 uno dei due motori è stato sostituito con un nuovo modello da 310 kw in seguito ai continui problemi di manutenzione dovuti all elevato tenore di acido solfidrico ed altre sostanze inquinanti nel biogas.

18 L impianto centralizzato di trattamento di Marsciano Descrizione dell impianto IV, [1] Nel progetto originale erano previste anche due vasche per la nitrificazione 4 dell azoto contenuto nella frazione liquida dei liquami. A causa degli elevati consumi di energia e di additivi che questa fase comportava si è decisa la sua eliminazione. 4 La nitrificazione consiste nella trasformazione di NH 3 in NO 3. Il processo di de-nitrificazione trasforma poi NO 3 in N2, rilasciato in atmosfera. Nel caso del liquame suino i consumi di energia sono di kwh per m 3.

19 Le caratteristiche di alcuni impianti a biogas Esempi: la biomassa impiegata I Nella tabella sono riportate le caratteristiche di tre impianti di digestione anaerobica. I dati sono forniti dalla azienda che li realizza e commercializza. Potenza nominale (kwe) Input (t/giorno) Output (kw) 50 liquame bovino 4.5 potenza elettrica 50 letame bovino 2.7 potenza termica 59 insilato di mais liquame bovino 7.5 potenza elettrica 526 letame suino 5 potenza termica 576 insilato di mais 16.5 insilato di sorgo liquame bovino 26 potenza elettrica 999 insilato di mais 36 potenza termica 1100 insilato di loietto 18

20 Le caratteristiche di alcuni impianti a biogas Esempi: la biomassa impiegata II I valori, stimati, dei contributi alla produzione di biogas delle varie tipologie di biomassa utilizzate sono nella tabella seguente. Potenza nominale (kwe) Output di biogas (Nm 3 /giorno) Output di biogas (%) liquame bovino 28 letame bovino 34 insilato di mais liquame bovino 4 letame suino 2 insilato di mais 60 insilato di sorgo liquame bovino 8 insilato di mais 77 insilato di loietto 15

21 Le caratteristiche di alcuni motori Esempi Rendimento elettrico in funzione della potenza elettrica (in kw) per alcuni motori a gas. Il rendimento elettrico aumenta con la taglia del motore. Per esempio: 32 % per 90 kw, 43 % per 2500 kw. Sono dunque privilegiati, per quanto riguarda gli aspetti energetici, gli impianti di elevata potenza.

22 Analisi di fattibilità tecnico economica Due esempi, [1] Sono stati considerati due possibili impianti realizzabili per il trattamento dei liquami di allevamenti suinicoli scenario A impianto di depurazione dei reflui e di recupero energetico del biogas prodotto dalla fermentazione anaerobica. scenario B impianto per il solo trattamento anaerobico del liquame, a cui vengono aggiunte le biomasse necessarie ad ottenere la miscela ideale per la produzione di biogas. Per entrambe le situazioni ipotizzate si sono calcolati: il Net Present Value (NPV) il tasso di remunerazione interno (IRR) il Pay Back Period (PB)

23 Analisi di fattibilità tecnico economica lo scenario A I, [1] Schema di processo adottato nello scenario A. Nella fase di flottazione avviene la separazione dei solidi fini da destinare alla digestione anaerobica.

24 Analisi di fattibilità tecnico economica Lo scenario A II, [1] Per il dimensionamento dell impianto si è considerato di trattare unicamente liquame suino, prodotto in allevamenti con capacità di maiali. Le caratteristiche dei reflui entranti. Sostanza Quantità TS SV SGP (m 3 biogas/kg substrato(tvs) ) liquame suino 350 m 3 /d 4.5 kg/m 3 90 % 0.45 Produzione di biogas: 6380 Nm 3 /giorno. Tre cogeneratori con potenza elettrica nominale di 190 kw ciscuno. Nel periodo estivo un surplus di energia termica (1000 MWh) viene utilizzata per l essicazione di 3500 t di granella di mais (da un tenore di umidità del 28 % a quello del 14 %).

25 Analisi di fattibilità tecnico economica Lo scenario A III, [1] I calcoli economici sono stati fatti assumendo le tariffe (2006) 1 per la vendita di energia elettrica da fonti rinnovabili 2 ed il prezzo dei certificati verdi Tasso di attualizzazione considerato: 5 % Risultati: Pay back period 10 anni NPV (al 15mo anno) euro Tasso interno di ritorno (al 10mo anno) 5.3 %

26 Analisi di fattibilità tecnico economica Lo scenario B I, [1] Schema di processo adottato nello scenario B. Impianto per il solo trattamento anaerobico del liquame suino, con aggiunta di biomasse per ottenere la miscela ideale per la produzione di biogas.

27 Analisi di fattibilità tecnico economica Lo scenario B II, [1] In fase di progetto si è deciso di utilizzare, oltre al liquame suinicolo derivante da un allevamento di capi, dell insilato di mais e della glicerina (un prodotto derivante dalla lavorazione del biodiesel). La composizione della miscela introdotta nel digestore. Sostanza Quantità TS SV SGP (m 3 biogas/kg substrato(tvs) ) liquame suino 100 m 3 /d 4.5 kg/m 3 90 % 0.45 insilato di mais 6 t/d 340 kg/t 96 % 0.66 glicerina 10 t/d 900 kg/t 90 % 0.89 Produzione di biogas: Nm 3 /giorno. Un cogeneratore con potenza elettrica nominale di 1 MW. Nel periodo estivo autunnale, l energia termica disponibile permette l essicazione di 7000 t di granella di mais (da un tenore di umidità del 28 % a quello del 14 %).

28 Analisi di fattibilità tecnico economica Lo scenario B III, [1] I calcoli economici sono stati fatti assumendo le tariffe (2006) 1 per la vendita di energia elettrica da fonti rinnovabili 2 ed il prezzo dei certificati verdi Tasso di attualizzazione considerato: 5 % Risultati: Pay back period 6 7 anni NPV (al 15mo anno) euro Tasso interno di ritorno (al 10mo anno) 11.5 %

29 Analisi di fattibilità tecnico economica La distribuzione dei costi annuali, [1] scenario A: Distribuzione in percentuale dei costi annuali. (1) manutenzione cogeneratore 33%, (2) manutenzione digestore 8%, (3) manodopera, (4) costo degli additivi 29%, (5) assicurazione. scenario B: Distribuzione in percentuale dei costi annuali. (1) approvvigionamento glicerina 39%, (2) approvvigionamento insilato 12%, (3) manutenzione cogeneratore 31%, (4) manutenzione digestore 4%, (5) manodopera, (6) assicurazione.

30 Osservazioni conclusive La gestione dei reflui zootecnici è un problema complesso dai molteplici aspetti. La questione prioritaria oggi è la limitazione dello spargimento sui terreni di eccessive quantità di azoto (a salvaguardia delle risorse idriche) La produzione di biogas al solo fine energetico non risolve il problema dei nitrati I tradizionali processi di nitrificazione e de-nitrificazione richiedono elevati consumi di energia Le aziende agricole intensive sono anche soggette a limitazioni sugli effluenti gassosi in atmosfera ed obbligate ad applicare le migliori tecnologie esistenti (BAT) per contenere gli efflussi di ammoniaca, metano... La rimizione dei composti azotati va vista e valutata nella sua globalità.

31 Osservazioni conclusive Gli allevamenti più diffusi nel nostro Paese sono (1) quelli avicoli (171 milioni di capi, nell anno 2000), (2) quelli suini (9 milioni di capi), (3) bovini e bufalini, (4) ovini,... Il processo migliore per trattare le deiezioni avicole non è detto debba necessariamente essere la digestione anaerobica L aggiunta di biomassa ai liquami (per aumentarne la resa in biogas) ne accresce contemporaneamente il carico in ammoniaca L aumento della efficienza energetica richiederebbe l impiego di impianti centralizzati di elevata potenza Un processo potenzialmente interessante da valutare e considerare potrebbe anche essere l immissione del biogas, dopo averne elevata la concentrazione di metano al %, nella rete di distribuzione del metano

32 Andrea Salogni Fattibilità tecnico economica di un impianto di trattamento e recupero energetico di reflui zootecnici, tesi di laurea specialistica ingegneria meccanica, Università degli studi di Brescia, Facoltà di Ingegneria, anno accademico Sergio Piccinini Biogas in Italia: lo stato dell arte, intervento al convegno Digestione anaerobica: opportunità per l agricoltura e per l ambiente, Milano, 25 gennaio 2008.

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