Piacenza 20 Marzo 2009

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1 CORSO SULLE FILIERE AGRI-ENERGETICHE FILIERA BIOGAS C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia Biogas: situazione e prospettive Mariangela Soldano Centro Ricerche Produzioni Animali Settore Ambiente Piacenza 20 Marzo 2009

2 La digestione anaerobica è un processo biologico che, in assenza di ossigeno, trasformata la sostanza organica in biogas (una miscela di metano e anidride carbonica); la percentuale di metano nel biogas varia tra il 50% e l 80%.

3 Schema della Digestione Anaerobica

4 S o s t a n z a o r g a n ic a C a rb o id ra t i P ro t e in e L ip id i 100% B A T T E R I ID R O L IT IC I E F E R M E N T A T IV I Schema del processo biologico di digestione anaerobica 75% A c id i g ra s s i A lc o li e t c. 20% 5% B a t t e ri a c e t o g e n ic i 52% A C E TA TO 23% H + C O 2 2 B a t t e ri o m o a c e t o g e n ic i B a t t e r i m e t a n ig e n i a c e t o c la s t ic i B a t t e r i m e t a n ig e n i id r o g e n o t r o fi 72% C H 4 + C O 2 28% C H 4 + H 2O

5 La digestione anaerobica e la digestione del bovino

6 Biomasse e scarti organici avviabili a DA e loro resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili)

7 I rifiuti organici prodotti annualmente nei Paesi dell Unione Europea sono circa milioni di t

8 Rese in biogas in condizioni ottimali Dal liquame prodotto da un suino da ingrasso del peso vivo medio di 85 kg Si possono ottenere Dal liquame prodotto da una vacca da latte del peso vivo medio di 500 kg Si possono ottenere

9 Le tecniche di digestione Le tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali: Digestione a umido (wet), quando il substrato in digestione ha un contenuto di SS 10%. Digestione a secco (dry), quando il substrato in digestione ha un contenuto di SS 20%; Processi con valori di secco intermedi vengono in genere definiti processi a semisecco.

10 Le tecniche di digestione La digestione anaerobica può essere condotta in condizione mesofile (circa 35 C) o termofile (circa 55 C). Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10-25 C).

11 Schema di processo a umido monostadio REATTORE DI DIGESTIONE ANAER OBICA M ETHA NIZATION OMOGENIZZAZIONE PULPING Schiume Fl oat ing scum B iogas Rifiuto organico OF-M SW H eat Calore Fresh Acqua diwater rete CPamera re- d i p re-di ges tio ne 10% 10-15TS% TS c ham ber Disidratazione Ispessim entoing DEW ATER Ricircolo Inoc ulainoculo tion loop C Co ommpos posting taggi o Heavies Inerti WTrat ater treatm tament o acqent ue Ricircolo acqua di ess processo Recycle proc wa ter

12 Esempio di reattore CSTR (fonte UTS)

13 Esempio di reattore CSTR (fonte Thöni)

14 Esempi di sistemi di caricamento biomasse solide nel digestore

15 Impianto a semisecco: reattore cilindrico orizzontale

16 Differenti tipologie di reattore nei sistemi dry (A = processo Dranco; B = processo Kompogas; C = processo Valorga) A. B. C. Inoculum Ricircolo irecycle nocul o Feed Rifiu to R ififeed uto Digested Rifiuto stabilizzato paste Digested Rifiu to paste stabilizzato Biogas R icircolo del biogas recirculation R ifi uto Feed Rifiu to Digested stabilizzato paste

17 Processi di digestione a secco discontinui

18 Esempio di biocelle anaerobiche

19 La trasformazione del biogas in energia Può avvenire per: combustione diretta in caldaia, con produzione di sola energia termica ; combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per la produzione di energia elettrica; combustione in cogeneratori per la produzione combinata di energia elettrica e di energia termica; uso per autotrazione come metano al 9598%.

20 Biogas per autotrazione La Svezia, la Germania, la Svizzera e l Austria sono attualmente i paesi europei più avanzati nell utilizzo di biogas per autotrazione.

21 Svezia sviluppo dell uso del biogas per autotrazione

22 Resa annuale in biocarburante per ha (come gasolio/benzina equivalente) MWh/ha/a (Fonte: Biofuels FNR 2006) 14,3 14,3 15,1 49,8

23 Connessione biometano gas naturale AL R TU A N S GA Iniezione del biometano (400 m3/h) nella rete a bassa pressione distante circa 0,5 km ( di investimento)

24 RETE NAZIONALE DEI GASDOTTI

25 La diffusione in Europa Oltre 400 impianti di biogas per il trattamento delle acque reflue industriali ad alto carico organico. Circa 450 impianti operativi nel recupero di biogas dalle discariche per rifiuti urbani. Circa 1600 digestori operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione. Oltre 4000 impianti operanti su liquami zootecnici in particolare in Germania (oltre 3500), Austria, Italia, Danimarca, Svizzera e Svezia.

26 Produzione di biogas in Europa (fonte EurObservER, 2006) (Ktep/anno) PAESE Gran Bretagna Germania Italia Spagna Francia Olanda Svezia Danimarca Belgio Repubblica Ceca Polonia Austria Grecia Irlanda Finlandia Portogallo Slovenia Lussemburgo Slovacchia Ungheria Totale ,7 1294,7 335,5 295,1 207,0 126,2 105,1 89,3 73,8 50,2 45,4 45,4 36,0 29,9 26,5 4,5 6,6 5,0 5,9 3,5 4277,2 2005* 1782,6 1594,4 376,5 316,9 209,0 126,2 105,1 92,3 73,8 55,8 50,7 45,4 36,0 34,8 26,5 10,0 6,8 6,7 5,9 3,8 4959,1 Altre fonti: 17,2% Discarica RU: 64% Fanghi di depurazione civili e industriali: 18,8%

27 La Germania E il Paese europeo nel quale la digestione anaerobica ha avuto il maggior impulso. Nel 2007, 3700 impianti operativi con una potenza elettrica installata di circa 1200 MW. Più di 450 SME e settore persone operano nel Oltre l 80% degli impianti di biogas operano in codigestione (liquami zootecnici + colture energetiche + scarti organici). Nuova incentivazione del Governo tedesco (dal 2009), che ha fissato un prezzo per l energia elettrica da biogas fino a 27,67 cent di euro/kwh per 20 anni. Incentivato anche il biometano: obiettivo sostituire il 10% del gas naturale entro il 2030.

28 Fonte Doheler KTBL

29 Trend impianti biogas in Germania Fonte Doheler KTBL

30 Sistema di incentivazione tedesco Incentivazione secondo la riformata Legge Tedesca In vigore dal kw 500 kw 5 MW Tariffa base 27 11,67 9,18 8,25 Bonus preservazione della purezza dell area 27 Nr. 5. Max. emissioni del cogeneratore 40mg/m³ Fomaldehyd. Obbligatorio attestato dell autorità competente 1 1 Materia prima rinnovabile (colture, liquame) 27 Nr All. 2. Obbligatorio protocollo con i dati dei materiali alimentati e coprire il serbatoio residui (stoccaggio digestato) 7 7 Cura del paesaggio Impiego di materia prima vegetale provenente dai lavori di cura e mantenimento del paesaggio 2 2 Utilizzo liquame Min. 30% in peso durante tutto l anno. Obbligatorio l attestato di un perito. 4 1 Bonus innovazione tecnologica (es. alimentazione di residui biologici) All. 1. II Tecnologia di purificazione del biogas esclusa. Solo in combinazione con l utilizzo del calore Bonus (immisione in rete di biometano)* All.1. I. In base alla capacità di purificazione: Imp.Purif. 350Nm³ biogas grezzo/h 2c/ kwh Imp.Purif. 700Nm³ biogas grezzo/h- 1c / kwh KWK Bonus utilizzo del calore (es. trattamento del digestato per la produzione di concime). Obbligatorio l attestato di un perito Aggiornato al , Paulina Campos 4

31 Impianto aziendale in Germania: codigestione di liquami suini, pollina e energy crops;2 cogeneratori da 100 kw.

32 Impianto aziendale in Germania: codigestione di liquami suini, pollina e scarti vegetali (mercati orto-frutticoli, sfalci verde pubblico). 2 cogeneratori per un totale di 120 kwe. 2 digestori orizzontali da 260 m3 ciascuno + post-digestore coperto da 800 m3.

33 Danimarca 20 impianti centralizzati di co-digestione e circa 60 impianti aziendali annualmente (2003) vengono trattate circa t di effluenti zootecnici (circa il 5% del totale) e t di residui organici industriali e FORSU. Circa MWh prodotti nel 2000

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35 Costo di investimento: 6,2 milioni Euro L impianto di CHP: 1,5 MWe Studsgard, Herning, DK Allevatori che forniscono liquame: 54 - Volume di digestione: 6600 m3 - Temperatura di processo: 50 C - Tempo di ritenzione (HRT): 16 giorni - Carico organico all impianto : liquami zootecnci t/anno, scarti organici agro-industriali t/anno, FORSU 4000 t/anno - Volume delle vasche di stoccaggio del liquame digerito: m3 - Produzione di biogas: circa 4 milioni di m3/anno

36 L impianto di Studsgard, Herning, DK

37 AUSTRIA DISTRIBUZIONE DEGLI IMPIANTI DI BIOGAS Fonte: Thomas Amon

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39 AUSTRIA Colture energetiche+scarti industria mangimistica+ grassi animali+biowaste: 6 milioni m3 biogas/anno Distributore Biometano

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41 SVEZIA

42 SVEZIA In Svezia sono operativi 13 impianti centralizzati di cui 7 trattano anche sottoprodotti di origine animale TIPO DI RIFIUTO Effluenti zootecnici Rifiuto organico domestico da raccolta differenziata Rifiuto organico di ristoranti, mercati, grande distribuzione (da raccolta differenziata) Scarti macellazione Altri scarti dell industria alimentare Acque reflue Totale Tonnellate/anno (2002) % SUL TOTALE

43 L impianto di Linkoping Svezia Volume di digestione: 7400 m3 ( 2 reattori da 3700 m3 ciascuno) Temperatura di processo: 37 C Tempo di ritenzione (HRT): giorni Costo investimento: 14 milioni di Euro Anno 2002: Liquame zootecnico: 4700 t/anno Scarti macellazione (Cat 3) + Acque reflue macellazione: t/anno Altri scarti organici: 8400 t/anno Produzione di CH4 : circa 3,5 milioni di Nm3 /anno

44 L impianto di Linkoping Svezia

45 Biogas in Italia EurObserv ER stima per l Italia una produzione di biogas nel 2007 di 406,2 ktep (circa 4,7 TWh). GSE per il 2007 riporta una produzione lorda di EE da biogas di 1,45 TWh. Oltre l 80% di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU Il fabbisogno di EE dell Italia nel 2007 è stato di 339,9 TWh.

46 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche (2008) Censimento impianti biogas CRPA ha identificato 197 impianti, di cui 51 sono in costruzione. Il 50% opera in co-digestione di effluenti zootecnici con colture energetiche (mais, sorgo ) e residui dell agroindustria; Quasi tutti gli impianti sono localizzati nelle regioni del nord Italia

47 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas (2008) impianti (51 in costruzione)

48 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche (2008) Censimento impianti biogas Tipologia di substrato trattato Solo liquame suino Solo liquame bovino Liquame suino + bovino Liquame bovino e/o suino e/o pollina + scarti organici + colture energetiche Liquame bovino e/o suino e/o pollina + colture energetiche Colture energetiche e scarti organici Pollina+ scarti organici e/o colture energetiche Dato non disponibile Totale Impianti (n.)

49 esempi Impianto semplificato Impianto semplificato senza riscaldamento in allevamento suinicolo annesso a caseificio grana

50 Schema di impianto di biogas semplificato senza riscaldamento rotovaglio serbatoio di stoccaggio biogas agli utilizzi sistema galleggiante di raccolta gas frazione solida vasca di raccolta e sollevamento lagone o vasca di accumulo La produzione di metano ottenibile è di circa 15 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 25 m3/anno di biogas)

51 esempi Allevamento suino (PR) Allevamento suino t pv Reattori plug-flow senza miscelazione Cogeneratore da 50 kwe

52 Schema di impianto di biogas semplificato con riscaldamento sistema di copertura e raccolta biogas a singola o a doppia membrana rotovaglio vasca di raccolta e sollevamento biogas agli utilizzi frazione solida acqua calda energia elettrica biogas sistema di riscaldamento cogeneratore La produzione di metano ottenibile è di circa 21 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 35 m3/anno di biogas)

53 esempi Parametri produttivi medi impianto biogas nel periodo Ottobre 1994 Giugno 2001 Allevamento suino (PR)

54 esempi Allevamento suino (PC) Peso vivo mediamente presente t Liquame: m3/g Sostanza secca: 3,3-7,0% Digestori: 2 x 1370 m3 HRT: 21 giorni Temperatura: C CHP: 2 x 90 kw kw COV: 1 kgsv/m3/gg Costo investimento: (5.550 /kwe)

55 Peso vivo mediamente presente (2008) Peso vivo mediamente presente [t] /12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/12

56 Produzione elettrica (2008) Potenza elettrica media prodotta [kw] dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08

57 Potenza elettrica prodotta [kw] Produzione elettrica (2008) Peso vivo mediamente presente [t]

58 Riepilogo parametri caratteristici (2008) Numero totale di animali n Carico organico da liquame tsv/mese 85,5 Potenza elettrica effettiva kw 116 kw/tpv presente 0,105 Produzione di biogas m3/mese Produzione di energia elettrica Autoconsumi ausiliari kwh/mese % della produzione 4,3 Autoconsumi digestore % della produzione 15,4 Contenuto metano % Resa specifica Nm3biogas/kgSV 0,423 Produzione volumetrica Nm3biogas/m3/giorno 0,433 67

59 esempi Allevamento bovini da latte (BO) 110 capi produttivi Liquame: 11,5 m3/g Biomasse: 37,5 t/g Digestori: 2 x m3 HRT: 60 giorni Temperatura: C CHP: kw COV: 2,5 kgsv/m3/gg Costo investimento: (3.380 /kwe)

60 Schema impianto biogas Co lture d e d ic a te Punto c a m p io na m e nto liq ua m e e d ig e sta to Va lvola sovra p ressione a g ua rd ia id ra ulic a Punto c a m p io na m e nto q ua lità b io g a s Silo p e r c o lture d e d ic a te Va lvola sovra p ressione a g ua rd ia id ra ulic a 2 Dig estore a naerobico Tem p era tura : C Dia m et 1 6 m Altezza utile: 5,2 m Volum e utile: m 3 Ag ita to r1 : 1 x 1 8 kw HRT: 1 7,5 g g 3 Co v: 2,9 kg SV/m.g g 1 Dig estore anaerobico Tem p era tura : C Dia m etro: 1 6 m Alte zza utile: 5,2 m Volum e utile: m 3 Ag ita tori: 1 x 1 8 kw HRT: 1 7,5 g g 3 Cov: 2,9 kg SV/m.g g t/a Ossig eno p e r Sulfob a c ter Po m p a d i g e stio ne liq ua m e e d ig e sta to Do sa to re c o lture e so tto p ro d o tti 1 Co n b ila nc ia Post-dig estore 4 3 Chiller p e r b iog a s fina le Biog a s: 1 90 m /3h Pla te a c o p erta p e r il ritiro d i so tto p ro d o tti d e ll a g ro ind ustria Flushing sta lla Ra d ia tore a usilia rio C HP kwe So ffia nte b io g a s 4 Dia m etro: 1 6 m Altezza utile: 4,2 m 3 Volum e utile: 900 m t/a So ffia nte te lo d i c o m p e nsa zio ne Co nd ense Stoccag g io Ac q ua c a ld a ana erobico Tem p e ra tura : C Dia m etro: 1 6 m Altezza utile: 4,2 m 3 Volum e utile: 850 m Ag ita tori: 1 x 1 6 kw HRT: 1 5 g g G asometro 3 Vg a s: 500 m C Va lvola sovra p ressione a g ua rd ia id ra ulic a 5 Utilizza zio ne a g ro no m ic a So tto p ro d o tti a g ro ind ustria Va sc a c o lle tta m ento liq ua m i Sta lla : va c c he in la tta zione c uc c e tte senza p a g lia c orsia c o n fessura to e p ulizia c on flushing + rim onta t/a

61 I substrati utilizzati Cipolle Patate Polpe barbabietola Solidi totali (g/kg) Solidi volatili (g/kg) Azoto totale (%ST) Patate (96%ST) 1,59 Polpe barbabietola (88%ST) 1,99 Cipolla (90%ST) 2,17 Silomais (94%ST) 1,46 Liquame (79%ST) 4,4 Silomais Liquame

62 esempi Biomasse trattate: carico organico 3159 t SV/anno (% SV da ogni biomassa) Colture energetiche 23.6% Liquame bovino 9.4% Residui agroindustriali 67.0% Residui agroindustriali Colture energ. Liquame bovino

63 esempi Allevamento bovini da latte (BO) Produzione mensile di EE nel [kwh/mese] gen-07 feb-07 mar-07 apr-07 mag-07 giu-07 lug-07 ago-07 set-07 ott-07 nov-07 dic-07

64 Riepilogo parametri caratteristici (2007) Carico organico da liquame tsv/mese 25 Carico organico da biomasse e sottoprodotti tsv/mese 238 Potenza elettrica effettiva Produzione di biogas kw m3biogas/mese Autoconsumi ausiliari Autoconsumi digestore % della produzione % della produzione Contenuto metano Resa specifica % Nm3biogas/kgSV 53 0,454 Produzione volumetrica Nm3biogas/m3/g 1, ,0 5,5

65 Riepilogo di confronto Solo liquame suino Liquame bovino + sottoprodotti Carico organico kgsv/m3/giorno volumetrico 1,0 2,5 Produzione volumetrica Nm3/m3/giorno 0,45 1,33 Resa in biogas Nm3/kgSV 0,423 0,454 Resa in metano Nm3/kgSV 0,283 0,240 0,99 0,80 Resa in EE e kwh /kg SV

66 esempi Allevamento bovini da carne (RA) 845 kwe Liquame bovino + silosorgo + scarti vegetali

67 Schema impianto Biogas

68 Biomasse trattate: carico organico 1634 t SV nel periodo Dic 2007 Apr 2008 (% SV da ogni biomassa) Patate 1.0% M ix frutta e verdura 2.1% S orgo 56.5% Calix (liquame ) 3.0% Silomais 29.3% Po lpa barbabietole 7.9%

69 EE produzione e consumo Ott Aprile [MWh] /10 31/10 30/11 Production 31/12 30/1 Consumption 1/3 31/3

70 Parametri produttivi ed operativi: valori medi mensili nel periodo Dic Apr 2008 Dic 2007 April 2008 Unit Number of beef cattle (n.) Cattle manure production (t VS/month) 9.7 Biomass load (Energy crpos + (t VS/month) agro-industry residues) 312 Electrical power installed 845 Biogas production 1000 (kw) 3 (m /month) 235,000 Electrical energy production (kwh/month) 538,000 Methane contenent (%) m /kg VS Biogas yield 3 3 m /m day 1.334

71 esempi Impianto centralizzato di Spilamberto (MO) t/a liquame suino t/a scarti agroindustriali 2 digestori m3 1 cogeneratore 600 kwe

72 esempi Impianto centralizzato di Marsciano (PG) t/a liquame suino 2700 t/a fanghi civili 3700 t/a pollina 2 digestori m3 2 cogeneratori kwe

73 Digestione Anaerobica DA di altre biomasse Biogas in italia Oltre 120 impianti di DA sono operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione civile Diversi impianti di DA (>20)sono operativi su reflui agroindustriali (distillerie, stabilimenti per la produzione di succhi di frutta e prodotti confezionati )

74 esempi Impianto biogas CAVIRO - Faenza Biogas in italia 4 digestori da 5000 m3 ciascuno 2 cogeneratori da 1 MWe ciascuno

75 Digestione Anaerobica frazione organica RU Biogas in italia 1 impianto tratta la frazione organica da selezione meccanica a valle della raccolta 11 impianti trattano la frazione organica da raccolta selezionata (2 in costruzione)

76 Biogas in Italia (2008) CATEGORIE IMPIANTI BIOGAS Effluenti zootecnici + scarti organici + colture energetiche Fanghi di depurazione civile - 10 FORSU - 30 Reflui agro-industriali IMPIANTI Recupero biogas da discariche RU: 141 impianti 210 MWe installati (dati GSE al 30/06/2008)

77 Potenzialità biogas in Italia circa 25 TWh/anno di EE o circa 8 Miliardi m3 di CH4/anno principali substrati Deiezioni animali t/a Scarti agroindustriali t/a Scarti di macellazione(cat.3) t/a Fanghi di depurazione t/a Fraz.org. dei RU t/a Residui colturali t SS/a Colture energetiche ha

78 Conclusioni Negli ultimi anni sono stati costruti diversi impianti di biogas in Italia. Il Biogas ha una forte potenzialità di crescita in Italia e il settore agricolo, zootecnico e agroindustriale possono essere la forza motrice di questa crescita. Occorre potenziare la co-digestione anaerobica di biomasse di varia natura, di scarto e dedicate.

79 Conclusioni La digestione anaerobica offre interessanti prospettive per l autosostentamento energetico di impianti finalizzati alla riduzione del carico azotato di liquami zootecnici prodotti in Zone Vulnerabili da nitrati

80 Conclusioni La realizzazione di impianti di biogas ha buone prospettive se: diventano chiare le procedure autorizzative e di cessione alla rete elettrica si assicura l utilizzo agronomico del digestato si favorisce l utilizzo del biogas, dopo purificazione a metano

81 Grazie per l attenzione C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia m.soldano@crpa.it