Sintesi dei risultati del progetto

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1 Convegno internazionale Agroenergie per lo sviluppo sostenibile Centro Loris Malaguzzi, Reggio Emilia, 25 maggio 2010 Sintesi dei risultati del progetto Paolo Mantovi Fondazione CRPA Studi e Ricerche

2 Sommario della presentazione Monitoraggio filiera BIOGAS - aspetti agronomici, gestione biomasse - impianti e risultati a confronto, benefici e criticità Monitoraggio filiera LEGNO - aspetti agronomici, gestione biomasse - risultati della conversione energetica, benefici e criticità Monitoraggio filiera OLIO - aspetti agronomici, gestione biomasse - risultati della conversione energetica, benefici e criticità Utilizzo fertilizzante dei residui dei processi di conversione energetica (digestato) Modello per la stima delle emissioni di gas serra e della dinamica della sostanza organica nei suoli

3 BIOGAS Aspetti agronomici Colture prescelte: sorgo da biomassa e triticale (per la loro rusticità, potenzialità produttive, complementarietà). Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato o pollina. Assenza di irrigazione Coltura Produzioni (t ss/ha) Asportazioni N (kg/ha) media minimo massimo media massimo Sorgo Triticale Sorgo da foraggio o fibra: + 1 t ss/ha rispetto a zuccherino. In generale, scarse produzioni in secondo raccolto (tipo di suolo, condizioni climatiche e irrigazione sono fattori decisivi). Buone risposte alla fertilizzazione del triticale (sia minerale che organica).

4 BIOGAS Aspetti agronomici Triticale: risultati del confronto varietale

5 BIOGAS Gestione biomasse Dalla raccolta al caricamento al digestore, alcune indicazioni derivate dal monitoraggio: attenzione al periodo di raccolta: per triticale rischio tenore ss troppo elevato, per sorgo il contrario per sorgo le varietà da foraggio (a più sfalci) richiedono maggiori costi di raccolta pezzatura del trinciato di circa 8-10 mm massimizza bilancio energetico buon compattamento e copertura riducono le perdite di valore energetico dell'insilato desilamento deve essere condotto riducendo al minimo l'esposizione all'aria (frese OK) Il pretrattamento dell'insilato è tematica recente e da approfondire

6 BIOGAS Layout filiera

7 BIOGAS Impianti a confronto Azienda Fontana (PC) liquami suini Consorzio Agrienergy (RA) liquami bovini, biomasse vegetali Azienda Mengoli (BO) liquami bovini, biomasse vegetali Azienda Cazzani (BO) biomasse vegetali

8 BIOGAS Impianti a confronto Ripartizione del carico organico Az. Fontana Az. Mengoli 9,4% 23,6% Cons. Agrienergy Az. Cazzani 21,0% 4,7% 5,0% 74,0% 100% 95,3% 67,0% Effluenti zootecnici Sottoprodotti agroindustria Colture dedicate Carico Organico Volumetrico (COV) [kg SV/m3/gg] 1,0 2,5 1,9 4,1 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [gg]

9 BIOGAS Impianti a confronto Caratteristiche degli impianti Azienda Tipo reattori Volume reattori Temperatura Potenza elettrica Fontana CSTR 2 x m C kw Mengoli CSTR 2 x m C kw Agrienergy PFR+CSTR x m C 845 kw Cazzani CSTR 2 x m C kw

10 BIOGAS Risultati a confronto Potenza elettrica [kw] Fontana Mengoli Potenza installata 750 Agrienergy Cazzani Potenza effettiva

11 BIOGAS Risultati a confronto Rese metano ed energia elettrica Azienda Energia elettrica (kwh/kgsv) (kw/m3) Fontana 0,28 0,99 0,042 Mengoli 0,24 0,80 0,097 Agrienergy 0,35 1,48 0,129 Cazzani 0,32 1,35 0,233 Metano (Nm3/kgSV) La co-digestione ottimizza il processo di digestione anaerobica (biogas per unità di volume di digestore) e permette di regolarizzare la produzione di energia maggiore tempo di residenza migliore digestione

12 BIOGAS Risultati a confronto Redditività degli impianti Azienda Investimento (M ) Tempo Ritorno Capitale (anni) Tasso Interno Rendimento (%) Fontana 1,0 9,2 10,9 Mengoli 1,2 6,3 17,1 Agrienergy 3,5 3,5 30,7 Cazzani 7,0 5,1 21,0

13 BIOGAS Principali benefici Permette di sfruttare biomasse vegetali e/o animali, di scarto e/o dedicate, umide e/o secche Riduce le emissioni naturali di metano, di composti organici volatili ed odorigeni (da stoccaggi effluenti zootecnici e altri scarti organici) La flessibilità impiantistica e gestionale consente l'adattamento a varie realtà aziendali Il prodotto di risulta finale (digestato) ha elevato valore fertilizzante I tempi di ritorno, con gli attuali incentivi, sono di 4-5 anni

14 BIOGAS Principali criticità È un processo di tipo biologico che richiede una conduzione attenta e professionale Il digestato deve essere gestito in modo compatibile, sia dal punto di vista economico che ambientale Il dimensionamento dell'impianto deve tenere conto sia delle biomasse utilizzabili che della disponibilità di terreni La produzione di biogas residuo (e non captato), dal digestato, può ridurre i benefici ambientali conseguiti Necessità di realizzare filiera completa (approvvigionamento della biomassa e trasformazione in biogas conversione energetica), per cui elevati investimenti

15 LEGNO Aspetti agronomici Coltura prescelta: pioppo SRF (per la sua adattabilità a diversi ambienti e perché agrotecnica consolidata). Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato Azienda Clone Produzione nel biennio (t ss/ha) Non fertilizzato Concime chimico Liquami / digestato Asicoop (RA) AF2 18,5 20,1 19,3 Stuard (PR) AF2 12,4 16,4 15,7 Monviso 16,5 21,3 21,2 Buone risposte alla fertilizzazione all'azienda Stuard (terreno a tessitura franco limosoargillosa, ph 8, S.O e NTK a inizio prova rispettivamente 2,2% e 1,6 ).

16 LEGNO Gestione biomasse Confronto cantieri di raccolta - due fasi (Asicoop) vs. una fase (Stuard) Peso delle macchine più contenuto per taglio nella raccolta a due fasi.

17 LEGNO Gestione biomasse Confronto cantieri di raccolta - caratteristiche della biomassa Raccolta Operazione / data Umidità prodotto (%) Peso prodotto (t s.s./ha) Due fasi Taglio / 20 febbraio 58 19,8 Cippatura / 10 giugno 34 19,3 Taglio e cippatura / 18 marzo 56 17,2 Stoccaggio / 30 luglio 37 11,0 Una fase

18 LEGNO Layout filiera

19 LEGNO Conversione energetica Azienda Agr. Sperimentale Stuard (PR) Superficie a pioppo SRF 1,5 ha Resa media biomassa al campo 17 t s.s./ha (taglio 2009) Perdita s.s. stoccaggio 35% in 7 mesi Potenza caldaia 100 kwt Volumetria riscaldata (uffici e serre) 1600 m3 Sostanza secca cippato 77% Consumo di cippato (inverno 2009) 20 t s.s. Resa energetica cippato post stoccaggio 2,9 kwht/kg s.s. Resa energetica cippato al campo 1,87 kwht/kg s.s. Temperatura media uffici 20 C Temperatura media serre 10,7 C Autoconsumi elettrici caldaia 4% dell'energia termica prodotta Ceneri 4% in peso su s.s. alimentata

20 LEGNO Principali benefici Cloni ad elevata produttività e resistenti a parassiti Possibilità di utilizzare residui organici di altre filiere produttive ai fini fertilizzanti Produzione può interessare zone marginali Elevato livello di sviluppo e affidabilità della tecnologia di combustione Impianti di facile conduzione - no processi biologici Rendimenti molto elevati (90%) con griglie a fiamma inversa

21 LEGNO Principali criticità Perdite di valore energetico se il cippato è stoccato con elevata umidità Evitare reidratazioni del materiale cippato essiccato Calore sfruttabile solo nelle vicinanze della caldaia Tecnologia per produzione energia elettrica a piccola scala non ha raggiunto piena maturità Smaltimento ceneri, classificate come rifiuto Necessità di attento controllo delle emissioni in atmosfera Mancata incentivazione economica della filiera aziendale

22 OLIO Aspetti agronomici Colture prescelte: girasole e colza (per alto contenuto di olio nel seme, selezione varietale, agrotecnica consolidata). Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato o pollina o fanghi Coltura Produzione (t ss/ha) Pianura Collina media minimo massimo minimo massimo Girasole 3,6 3,0 4,1 1,9 2,6 Colza 3,3 2,9 3,7 - - In generale, con fertilizzazioni organiche rese paragonabili a concimazione chimica. Per colza notevoli difficoltà ad ottenere letto di semina sufficientemente fine in terreni argillosi.

23 OLIO Gestione biomasse Dalla raccolta alla spremitura, filtrazione, alimentazione, alcune indicazioni derivate dal monitoraggio: No differenze sostanziali tra olio di girasole alto oleico o convenzionale, ai fini dell'utilizzo motoristico Pulizia del seme 'obbligatoria' pre-spremitura Filtrazione come fase fondamentale per ottenere prodotto idoneo Qualità elevata dell'olio combustibile assicura funzionamento cogeneratori a tempo pieno e al massimo rendimento Monitoraggio del motore, temperature di combustione Utilizzo panello entro 90 gg inverno, 60 gg estate

24 OLIO Layout filiera

25 OLIO Conversione energetica Komaros Agroenergie srl (AN) Capacità pressa 500 kg seme/ora Potenza cogeneratore 420 kwe Contenuto olio acheni 42,4% Olio estratto e filtrato (1 µ) 34 kg/100 kg seme Specifiche MAN / Wartsila PCI olio filtrato 37 MJ/kg >35 / - Viscosità olio filtrato 37 cst a 40 C <40 / <100 Contenuto H2O olio filtrato 521 ppm <5000 / <2000 Acidità olio filtrato 2 mg KOH/g <4 / <5 Consumi specifici cogeneratore 250 gr olio/kwh Autoconsumi degli ausiliari 4,8% Sostanza secca panello 91% Proteina grezza panello 26% PCI panello 21 MJ/kg Ceneri panello 6%

26 OLIO Principali benefici Agrotecniche consolidate per girasole e colza Possibilità di utilizzare residui organici di altre filiere produttive ai fini fertilizzanti Elevata densità energetica dei prodotti (semi, olio, panelli) Movimentazione e stoccaggio relativamente economici Co-generazione prossima ad utenza termica Imprenditore agricolo attivo a diversi livelli Impianti di facile conduzione - no processi biologici

27 OLIO Principali criticità Volume minimo critico di semente da lavorare, necessità di ampi bacini di approvvigionamento Possibilità di valorizzare i co-prodotti (calore, panello) Incentivi premianti olio nazionale o comunitario dimostrare i requisiti di tracciabilità Frammentazione della filiera, necessaria figura di coordinamento Utilizzo del panello, prodotto in quantità significative

28 Utilizzo fertilizzante residui Il DIGESTATO Il digestato è il residuo del processo di digestione anaerobica. Può essere considerato un buon materiale fertilizzante, ad effetto concimante più o meno pronto a seconda della sua origine. Dati da aziende dimostrative LIFE: Parametri chimici Unità di misura Digestato da liquami suini Digestato da liquami bovini + biomasse vegetali Digestato da biomasse vegetali ph - 8,3 7,8 7,9 Solidi Totali (ST) % t.q. 3,0 4,3 6,8 Solidi Volatili (SV) % ST Azoto Totale (NTK) g/kg t.q. 3,9 3,8 4,0 Azoto Ammoniacale % NTK Fosforo Totale g/kg t.q. 0,8 0,5 0,5

29 Prototipo digestori pilota

30 Dinamica dell'azoto La digestione anaerobica mineralizza parte dell'azoto organico ad azoto minerale (ammoniacale).

31 DIGESTATO - Pro e contro I principali vantaggi dell uso agronomico del digestato: distribuzione di materiale stabilizzato e igienizzato; apporto di sostanza organica; apporto di NPK (sostituzione dei concimi di sintesi); riduzione delle emissioni di gas serra.

32 DIGESTATO - Meno odori Misure sulle concentrazioni di odore Tesi 1: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, NON digerito Tesi 2: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, digerito

33 DIGESTATO - Sostanza organica In molti casi il contenuto di SO nei terreni è basso Organic Carbon content in topsoil in Italy (from JRC)

34 DIGESTATO - Pro e contro Possibili problematiche legate all uso agronomico del digestato: emissioni di ammoniaca in atmosfera (qualora non venga gestito con le Migliori Tecniche Disponibili); perdite di nitrati nelle acque (qualora si ecceda negli apporti e si applichi in periodi non opportuni).

35 DIGESTATO - Emissioni Misure sulle emissioni di ammoniaca Tesi 1: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, NON digerito Tesi 2: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, digerito

36 DIGESTATO - MTD, esempi.

37 Misure emissioni GHG Prove in campo e in vaso con varie matrici organiche, tra cui digestati e loro frazioni chiarificate e solide (in corso) Misure periodiche delle emissioni di anidride carbonica, protossido di azoto, metano Verifica delle concentrazioni e della qualità della sostanza organica a fine prove

38 Modelli per la stima di GHG e S.O. Le misure sono state indispensabili per la calibrazione di modelli che permettono di effettuare delle stime sulla dinamica della sostanza organica nel terreno e sulle emissioni di N2O. Modelli implementati come servizio web su INPUTS Localizzazione del sito Caratteristiche del terreno Colture praticate Fertilizzazioni OUTPUTS Emissioni N2O Dinamica sostanza organica Le serie di dati meteorologici, rese disponibili da Servizio IdroMeteoClima di ARPA Emilia-Romagna, sono recuperate automaticamente una volta definita la posizione geografica del sito cui riferire la simulazione.

39 MODELLI dati da caricare

40 MODELLI dati da caricare

41 MODELLI esempi di risultati

42 MODELLI esempi di risultati

43 MODELLI esempi di risultati

44 Convegno internazionale Agroenergie per lo sviluppo sostenibile Centro Loris Malaguzzi, Reggio Emilia, 25 maggio 2010 Sintesi dei risultati del progetto Visita il sito per scaricare le presentazioni ed i poster esposti