Il BIOGAS da piccoli impianti

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1 Istituto Spallanzani 23 Marzo 2013 Il BIOGAS da piccoli impianti Nicola Labartino Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia

2 La digestione anaerobica è un processo biologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas (energia rinnovabile) costituito principalmente da metano e anidride carbonica; la percentuale di metano nel biogas varia a secondo del tipo di sostanza organica digerita e delle condizioni di processo, da un minimo del 50% fino all 80% circa.

3 Schema della Digestione Anaerobica

4 La digestione anaerobica e la digestione nel bovino

5 Le tecniche di digestione La digestione anaerobica può essere condotta in condizione mesofile (3540 C) o termofile (50-55 C). Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10-25 C).

6 S o s ta n z a o r g a n ic a C a r b o id r a t i P ro t e in e L ip id i Schema del processo biologico di digestione anaerobica % 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 7 5 % A c id i g ra s s i A lc o li e t c. 2 0 % 5 % B a t t e ri a c e t o g e n ic i 5 2 % A C E T A T O 2 3 % 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 ri 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 ri m e t a n ig e n i id r o g e n o t r o fi 7 2 % C H 4 + C O % C H 4 + H 2O

7 Processo biologico di digestione anaerobica Fase Idrolisi/Acidogena Aumento degli acidi organici e degli acidi grassi volatili Abbassamento del ph (favorisce i batteri acidogeni ma inibisce i metanigeni) Produzione di biogas ricco in CO2 ma non in metano Fase Metanigena Diminuzione degli acidi grassi volatili Innalzamento del ph (7-8) che favorisce la crescita dei batteri metanigeni Produzione di biogas ricco in metano

8 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.

9 Esempio di reattore CSTR (fonte Thöni)

10 Processi di digestione a secco

11 Esempio di biocelle anaerobiche

12

13 Esempi di sistemi di caricamento biomasse solide nel digestore

14 Impianto biogas in allevamento suinicolo da t pv Cogeneratore da 50 kw

15 Az. Lamieri (CR): 750 capi bovini 2 digestori da 1200 m3 ciascuno 1 cogeratore da 250 kwe 40 m3/d di liquame + 2 m3/d di letame +10 m3/d di silomais Fonte ROTA

16 Az. Rinaldi Cremona 2 cogen. 600 kwe ciascuno

17 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)

18 Cosa succede ai SV in DA?

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 95%.

20 La trasformazione del biogas in energia Con un m3 di biogas è possibile produrre: circa 1,8-2 kwh di elettricità circa 2-3 kwh di calore che potrebbero essere disponibili per impieghi vari.

21 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

22 BIOMASSE AVVIABILI ALLA PRODUZIONE DI BIOGAS BIOMASSE DEDICATE RESE ENERGETICHE ELEVATE E CERTE COSTO di PRODUZIONE o di APPROVVIGION. BIOMASSE DI SCARTO RESE VARIABILI, DA VALUTARE COSTO di APPROVVIGION. NULLO (o comunque minimo) ASPETTI FORMALI

23 Rese in biogas di substrati diversi Materiali BIOGAS BIOGAS (m3/t SV alimentati) (% metano) Fanghi di depurazione civili Frazione organica rifiuti urbani Residui colturali (paglia, colletti barbabietole, ecc.) Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine, ecc.) Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale ed intestinale, sangue, fanghi di flottazione, ecc.)

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

25 Rese in biogas e metano dei diversi composti organici (Formula di Buswell) Composti Carboidrati Proteine Grassi Biogas (m3/kgsv) 0,75 0,61 1,02 Metano nel biogas (%) C a rbo idra ti: C 6 H 12 O 6 3C O 2 + 3C H 4 G ra s s i: C 12 H 24 O 6 + 3H 2 4.5C O C H 4 P ro teine: C 13 H 25 O 7 N 3 S + 6H 2 O 6.5C O C H Metano (m3/kgsv) 0,37 0,40 0, N H 3 + H 2 S

26 Rese in biogas in condizioni ottimali Dal liquame prodotto da un suino da ingrasso del peso vivo medio di 85 kg Si possono ottenere 0,100 m3 di biogas al giorno Dal liquame prodotto da una vacca da latte del peso vivo medio di 500 kg Si possono ottenere 0,750 m3 di biogas al giorno

27 EFFLUENTI ZOOTECNICI LIQUAME Effluente d allevamento NON PALABILE costituito da FECI, URINE, RESIDUI ALIMENTARI e di lettiera, ACQUA di bevanda, ACQUA di veicolazione delle deiezioni e ACQUA di lavaggio. Materiale di consistenza liquida, fluida o densa, con contenuto di ST inferiore al 20% sul tal quale, pompabile fino al 16% di ST. LETAME Effluente d allevamento PALABILE costituito da feci, urine, residui alimentari, materiali da lettiera e acqua di bevanda. Materiale di consistenza molto densa, semisolida o solida, con contenuto di ST pari o superiore al 20% sul tal quale, non pompabile

28 DEIEZIONI ZOOTECNICHE e BIOGAS PRODUZIONE REGOLARE e ABBONDANTE!!! ELEVATA IDONEITA ALLA DIGESTIONE ANAEROBICA, anche se legata alla specie considerata (e alla soluzione stabul., età, ecc.) SUBSTRATO COMPLETO CON BUONA DOTAZIONE di SOSTANZA ORGANICA, BUON POTERE TAMPONE RESE NON ELEVATE, MA REGOLARI SOTTOPRODOTTI DISPONIBILI A COSTO NULLO

29 GLI EFFLUENTI ZOOTECNICI: SUINI FATTORI CHE INFLUENZANO QUANTITA E QUALITA DELLE DEIEZIONI in ingresso alla linea BIOGAS età degli animali, età del liquame alimentazione modalità di stabulazione e di gestione delle deiezioni Peso vivo mediamente presente [t] Escrezione (kg/tpv/a) Peso vivo [kg] /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

30 LIQUAME SUINO FRESCO E NON 1 Caratteristiche Parametri ph [-] ST [g/kg tq] SV [g/kg tq] SV [%ST] NTK [mg/kg tq] Tracimazione continua Fresco Digestato 7,14 8,2 52,4 38, ,9 64,9 57, Vacuum system Fresco Digestato 7,17 8,2 43,2 32,3 29, ,3 55, Tracimazione continua: età media del liquame 20 gg Vacuum system: età media del liquame 7gg

31 LIQUAME SUINO FRESCO E NON 2 Rese energetiche Test DA in continuo. HRT: 26 gg 38 C (Dati CRPA pubblicati) Resa in biogas CH4 nel biogas Resa in CH4 [Nm3/t SV] [%] [Nm3/t SV] Liquame da tracimazione ,5 269 Liquame da vacuum system ,2 375 Resa in biogas: +42%

32 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

33 1 impianto: solo effluenti suinicoli Capi presenti: in ingrasso Liquame: m3/g Digestori: 2 x 1370 m3 HRT: 21 giorni Temperatura: C CHP: 2 x 90 kw kw COV: 1 kgsv/m3/gg

34 Effluenti suini: caratteristiche chimiche (dati CRPA) CARATTERISTICHE INDICATIVE LIQUAMI SUINI (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 (2) Quantità Soluzione stabulativa A. (m3/anno * t p.v.) Pavimento totalmente o parzialmente fessurato Rimozione con acqua (pavimento pieno, gabbie, ecc.) CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE 3 B. (m /anno * t p.v.) PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) 0,45-0,55 (di cui il 60-65% metano) (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

35 La disponibilità di biomassa Dipende dalla quantità di solidi totali escreti, ovvero dal peso vivo presente, e dalla tipologia di stabulazione 4000 Escrezione (kg/tpv/a) Peso medio: 100 kg Peso vivo [kg]

36 Principali problematiche riscontrate Potenza elettrica prodotta [kw] Variabilità produttiva dovuta alla variabilità della disponibilità Peso vivo mediamente presente [t]

37 variabilità della disponibilità di biomassa 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

38 effluenti bovini

39 Quantificazione SV negli allevamenti

40 EFFLUENTI BOVINI CARATTERISTICHE INDICATIVE (1) LIQUAMI BOVINI Valore medio Intervallo Sostanza secca - ST (%) 8,2 5,7-10,7 Sostanza organica - SV (%) Azoto totale - NTK (% ST) 4,7 2,8-6,6 Quantità Soluzione stabulativa Stabulazione libera su fessurato, cuccette senza uso di paglia 9-16 Stabulazione libera a cuccette con uso di paglia, stabulazione su lettiera CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE (2) 3 A. (m /anno * t p.v.) B. (m3/anno * t p.v.) PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) 0,30-0,45 (di cui il 55-60% metano) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). (1) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali (2)

41 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

42 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% CH4) (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

43 Sostanza secca escreta: bovini da latte esempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi Sostanza Sostanza secca Categoria Capi Paglia secca animale escreta disponibile [n ] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg] Vacche in lattazione 85 8, , Vacche in asciutta 15 4,5 68 1, Manze 15 1,9 29 4, Manzette 21 1,8 38 2, Vitelli 13 0,8 11 1,5 18 Totale %

44 Dimensionamento del cogeneratore La potenza elettrica installabile dipende in primo luogo dalla quantità di solidi totali disponibili e dal rendimento elettrico del cogeneratore

45 Effluenti avicoli: lettiera di polli da carne (dati CRPA) Unità di misura Corsia di abbeverata Corsia di alimentazione Corsia di smistamento Media [-] 7,7 ± 1,0 7,8 ± 0,6 8,0 ± 0,7 7,9 ± 0,5 Sostanza secca (ST) [g/kg tq] 574 ± ± ± ± 89 Sostanza organica (SV) [g/kg tq] 459 ± ± ± ± 78 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0, ± ± ± ± ,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%NTK] 80,1 ± 12,8 90,3 ± 3,9 84,4 ± 6,5 85,5 ± 5,1 Parametro ph Azoto totale (NTK) Azoto ammoniacale [mg/kg tq] (NH4) [%NTK] Azoto organico (Norg) Produzione sostanza secca, compresa lettiera standard : 5,5 kg ST/posto/anno (17% ceneri 83% SV)

46 Effluenti avicoli: ovaiole (dati CRPA) Parametro ph ST SV NTK N-NH4+ Unità misura [-] [g/kg tq] [%tq] [g/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%NTK] Nas tro non ve ntilato Tunne l e s s iccazione 7,1±0,2 7,7±0,7 347±74 35±7,4 243±48 70±2, ±4047 6,4±0,4 2946±529 14±3,2 730±151 73±15,1 503±103 69± ±6755 5,1±0,4 2175±997 6±4 Produzione sostanza secca: 10,5 kg ST/posto/anno (25-30% ceneri, 70-75% SV)

47 Valori medi di resa in metano (m3/tsv) per effluenti zootecnici

48 Elemento di criticità: 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%)

49 Parametri dimensionali: tempo di ritenzione idraulica (HRT)

50 Carico organico volumetrico 150 Capi x 15 kg SV/d.capo = 2,25 t SV/d Digestore 1500 m3 HRT 60 gg 1500/60 = 25 t tal quale/d kg X 35%ST X 95% SV/ST / 1500 m3 = 5,5 kg SV/m3

51 Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche) Per riscaldare 1000 kg Liquame suino 1000 kg Da 5 C H2O 946 kg SVtot 40 kg Ceneri 4 kg A 38 C Servono circa 38 kwht 80 80%%delle dellerisorse risorse energetiche energetiche servono servonoper per scaldare il liquame scaldare il liquame alalcarico carico!! In DA si producono: 40 kgsv x 0,3 m3ch4 /kgsv x 9,88 kwh/m3 =118 kwh/t Con rendimento termico del CHP 40%, sono disponibili 118 kwh x 40% = 47 kwh/t Liquami Liquamimolto moltodiluiti diluitidovrebbero dovrebberoessere essere addensati addensatioointegrati integraticon conletami letami

52 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

53 Schema 14,5 t/gg impiantistico Ivano 70 t/gg Ricircolo per diluizione carico Dosatore Letame CHP 330 kw Antonio 30,5 t/gg Pompa trituratrice 115 t/gg F m3 F m3 Stoccaggio 3000 m3 Solido separato Trasporto (2 km) HRT gg HRT gg COV 2,3-2,5 kgsv/m3/gg COV 2,3-2,5 kgsv/m3/gg

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

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

56 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 AAparità paritàdi dist, ST,incremento incrementodi divolume volumedel del15% 15% OVVERO OVVERO AAparità paritàdi dihrt HRT15% 15%ininmeno menodi dicov COV

57 Performances produttive Potenza Potenzaelettrica elettricamedia media kW kw 0,3 produttivo 0,3kW/capo kw/capo produttivo Produzione biogas/metano Produzione biogas/metano m m/tsv /tsvalal54,5% 54,5%CH CH ,8-19,3 m 16,8-19,3 m3ch CH4/t4/teffluente effluente

58 Parametro KWh/giorno % della Bilancio elettricoproduzione lorda Produzione lorda Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1% Autoconsumi digestore 445 6,8% Ausiliari CHP 160 2,5% ,5% 122 1,9% Produzione netta Trattamento separazione solido-liquido Produzione Produzioneannua annuastimata stimata MWh MWh Fatturato Fatturatoannuo annuoprevisto previsto ,4%

59 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. Frequente ronda ispettiva di tutti gli apparati elettromeccanici installati

60 La situazione in Italia BIOMASSE INTERESSATE: Deiezioni animali : t/a. Scarti agro- industriali: 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

61 Censimento impianti biogas agrozootecnici (CRPA 05/2011) CRPA ha identificato 994 impianti. Quasi tutti gli impianti sono localizzati nelle regioni del nord Italia Il nuovo sistema incentivante premia gli impianti medio-piccoli

62 Il biogas agro-zootecnico in Italia a fine 2012 (CRPA 02/2013) 756 MWe Andamento del numero di impianti biogas Ripartizione per tipologia di alimentazione

63 Il biogas/biometano può aiutare in tutte le componenti energetiche previste dal PAN Elettricità da FER Quota di energia da FER sul consumo = finale lordo di energia Calore da FER FER per i trasporti Consumo Finale Lordo da FER Consumo Finale Lordo totale Riduzione dei consumi Fonte: GSE = 17 %

64 Cosa promuovere: biometano Il Biogas dopo purificazione a Biometano può essere immesso direttamente nella rete del gas naturale

65 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.

66 CONCLUSIONI La digestione anaerobica è una tecnologia molto versatile (biomasse diverse, taglie adeguate,..) La disponibilità di biomasse in termini di quantità, qualità e reperibilità nel tempo è elemento di valutazione fondamentale EFFLUENTI ZOOTECNICI disponibili a volontà e ottima base per la DA, ma rese non elevate Il monitoraggio degli impianti è importante per ricostruire le cause di failure e prevenirne l insorgenza per tempo

67 Conclusioni La realizzazione di impianti di biogas ha buone prospettive se: si razionalizzano e si rendono chiare e percorribili le procedure autorizzative, sia per la costruzione e gestione degli impianti che per l allacciamento alla rete elettrica nazionale; si assicura l utilizzo agronomico del digestato anche quando si co-digeriscono i liquami zootecnici con colture energetiche e scarti organici selezionati; si favorisce l utilizzo del biogas, dopo purificazione a metano al 95%, per autotrazione e immissione nella rete di distribuzione del metano.

68 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

69 Grazie per l attenzione Nicola Labartino n.labartino@crpa.it