LA PRODUZIONE DI BIOGAS: STATO DELL ARTE E PROSPETTIVE

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1 Gas Off Integrated Strategies For GHG mitigation in Dairy Farms APPLICAZIONE DI STRATEGIE PER LA RIDUZIONE DEI GAS SERRA NELLE ESPERIENZE INTERNAZIONALI VENERDI 23 NOVEMBRE 2012 LA PRODUZIONE DI BIOGAS: STATO DELL ARTE E PROSPETTIVE Prof. Pierluigi Navarotto

2 Il BIOGAS In Italia nasce negli anni 70 come sistema di trattamento degli effluenti zootecnici con scarsa fortuna a causa: - basso valore energetico - scarsa conoscenza - costo impianto elevato - sistema di incentivazione non incentivante! L evoluzione impiantistica, a cura della Germania, si ha grazie alla intuizione di arricchire il contenuto energetico dei reflui zootecnici con sostanza organica da biomassa sia di scarto, sia prodotta specificatamente (silomais, sorgosilo, triticale, ecc ) e di premiare la produzione di energia non con sussidi per la costruzione degli impianti bensì sovrapagando il kwh verde prodotto

3 Se a questo si aggiunge il protocollo di Kyoto e l impegno del si capisce perchè la Germania abbia realizzato dal 2000 più di 6000 impianti Tutto questo è stato ben evidenziato in: - Europa con la Risoluzione del Parlamento europeo del 12 marzo 2008 sull agricoltura sostenibile e il biogas: la necessità di una revisione della legislazione dell UE (2007/2107(INI) - pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale Europea il 20 marzo Italia: Linee guida per l autorizzazione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili (DM dello Sviluppo Economico del 10 settembre 2010). - Regione Emilia Romagna: - DGR. 1198/2010: Misure di semplificazione relative a.. biogas da biomasse provenienti da attività agricole - D.A.L. n. 51 del 26/07/2011: Individuazione delle aree e dei siti per l installazione di impianti di produzione di energia elettrica mediante l utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili eolica, da biogas, da biomasse e idroelettrica - D.G.R. n. 164 del 9/11/2011: "Criteri tecnici per la mitigazione degli impatti ambientali nella progettazione e gestione degli impianti a biogas"

4 anche l Italia stà ora fortemente recuperando si consideri che al maggio 2012 erano presenti circa 700 impianti (di cui 300 solo nelle province di Cremona, Lodi e Brescia). Si tratta per lo più di impianti che operano in codigestione, ove la classe di potenza elettrica più rappresentata è dai 500 ai 1000 kw, e l energia fornita dagli effluenti di allevamento varia dallo 0 al 10% massimo. Si tratta di impianti sicuramente agricoli ma poco zootecnici!

5 Perché BIOGAS Tariffa di incentivazione più alta per impianti <300 kw e e con uso prevalente (min. 70% in peso) di sottoprodotti (inclusi EA) 2. Esonero dall obbligo di iscrizione al Registro per impianti <100 kw e non anticipare le spese di progettazione, autorizzazione e connessione alla rete elettrica richieste preventivamente per gli impianti di taglia superiore (inoltre connessione in BT e non MT) 3. Presumibile segmentazione del mercato degli impianti a biogas agricolo: <100 kw e kw e 600 kw e

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7 4. Sistema di incentivazione precedente (tuttora in vigore) leggera crescita degli impianti <100 kw e, seppure schiacciata dallo sviluppo di impianti di taglia superiore ( kw e ) [Elaborazione AIEL 2012 su CRPA, 2011]

8 L IMPIANTO DI BIOGAS Costituito da varie sezioni le cui componenti devono essere ben armonizzate tra loro per avere le necessarie garanzie di affidabilità ed efficienza. CARATTERISTICHE MECCANICHE + BIOMASSE DA TRATTARE GESTIONE OTTIMALE DEL PROCESSO MASSIMA RESA ENERGETICA

9 BIOMASSA UTILIZZABILE - Elemento fondamentale che condiziona la redditività degli impianti agricoli - Richiede una attenta analisi della compatibilità normativa del suo utilizzo - Al termine del trattamento sarà del tutto compatibile con l utilizzazione agronomica, quale ammendante e fertilizzante Principali biomasse agricole utilizzabili 1) EFFLUENTI DI ALLEVAMENTO: Liquami e letami suinicoli Liquami e letami bovini Deiezioni avicole Vantaggi: Apporto di microrganismi, microelementi, potere tampone Svantaggi: minor potenziale energetico

10 Principali biomasse agricole utilizzabili 2) RESIDUI COLTURALI: foraggi percolati dei sili paglia, frutta di scarto, stocchi, ecc Vantaggi: buon tenore di sostanza secca Svantaggi: tendenza a strati galleggianti 3) COLTURE ENERGETICHE: mais sorgo triticale,frumento, segale, ecc Vantaggi: elevato tenore di sostanza secca Svantaggi: tendenza a strati galleggianti

11 Principali biomasse agricole utilizzabili 4) SCARTI ORGANICI (sottoprodotti) siero di latte (forma liquida) marco frutta (forma solida) residui della macellazione (sangue, grassi, contenuto stomacale, ecc..) Vantaggi: buona potenzialità energetica Svantaggi: per gli scarti di macellazione occorre specifica autorizzazione del Servizio veterinario (CE 1069/2009)

12 Principali biomasse agricole utilizzabili 5) FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI fanghi di depurazione Forsu materiali catalogati come rifiuti Vantaggi: recupero della frazione energetica contenuta in questi substrati, produzione di un buon prodotto ammendante Svantaggi: per i rifiuti, disciplina normativa specifica e difficilmente percorribile per l azienda agricola

13 A. Costi operativi e utilizzo esclusivo/prevalente di EA Ricorso a minima integrazione con prodotti di origina biologica o integrazione con sottoprodotti di origine vegetale (es. stocchi di mais) Categoria di EA ST [% TQ] SVT [% ST] Biogas [Nm 3 /t SVT ] CH 4 [%] [Nm 3 CH 4 /t TQ ] [Nm 3 CH 4 /t ST ] [Nm 3 CH 4 /t SVT ] Fonte Stocchi di mais (*) Reale et al., 2009, elaborazioni AIEL, 2012 Paglia di frumento (**) Reale et al., 2009, elaborazioni AIEL, 2012 Categoria di EA ST [% TQ] SVT [% ST] Biogas [Nm 3 /t SVT ] CH 4 [%] [Nm 3 CH 4 /t TQ ] [Nm 3 CH 4 /t ST ] [Nm 3 CH 4 /t SVT ] Fonte Stocchi di mais e paglia di frumento sottoposti a estrusione BTS, 2012, elaborazioni AIEL, 2012

14 B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA a) Tra specie zootecniche (inter-aziendale) b) Tra fasi fisiologiche della stessa specie (inter-aziendale) c) Tra tipologie stabulative (inter-aziendale) d) Variabilità stagionale (intra-aziendale) e) Variabilità legata al cambiamento di pratiche gestionali (intra-aziendale) Sesso bovini da carne avviati al ristallo Materiale di lettiera utilizzato (tipo di materiale, lunghezza trinciatura) Quantità di acqua di lavaggio ecc.

15 B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA Fattori che determinano il potenziale metanigeno (BMP) ST Ceneri TQ H 2 O SVT Frazione non degradabile Frazione %CH 4 degradabile

16 B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA Fattori che determinano il potenziale metanigeno (BMP) Categoria di EA ST [% TQ] SVT [% ST] Biogas [Nm 3 /t SVT ] CH 4 [%] [Nm 3 CH 4 /t TQ ] [Nm 3 CH 4 /t ST ] [Nm 3 CH 4 /t SVT ] Fonte Liquame bovino Letame bovino fresco , , KTBL, 2012, elaborazioni AIEL, 2012 KTBL, 2012, elaborazioni AIEL, 2012 Liquame suini 4, , Fabbri, Soldano, 2009, elaborazioni AIEL, 2012 Pollina di galline ovaiole fresca , KTBL, 2012, elaborazioni AIEL, 2012 Lettiera avicoli da carne , Navarotto, 2011, elaborazioni AIEL, 2012

17 Principali problematiche tecnico-economiche C. Impianto di biogas 100 kw e : elemento centrale nella gestione degli EA Tempo di svuotamento (gg) I tempi di riempimento della fossa variano in funzione del peso vivo Peso vivo (kg) PTF PPF 1/3 Tempo di permanenza necessario per lo svuotamento Con PTF: Suinetti Ingrasso giorni giorni Con PPF 1/3: Suinetti giorni Ingrasso 4-7 giorni [Da Borso, Mezzadri, 2007]

18 C. Impianto di biogas 100 kw e : elemento centrale nella gestione degli EA I tempi di riempimento della fossa variano in funzione del peso vivo Tempo di svuotamento (gg) PTF PPF 1/3 Con spostamento dei suini a 50 e 100 kg di peso vivo Con PTF: Con PPF: giorni 4-7 giorni Peso vivo (kg) [Da Borso, Mezzadri, 2007]

19 C. Impianto di biogas 100 kw e : elemento centrale nella gestione degli EA [Da Borso, Mezzadri, 2007 da Navarotto, 2004]

20 C. Impianto di biogas 100 kw e : elemento centrale nella gestione degli EA [Da Borso, Mezzadri, 2007 da Navarotto, 2004]

21 in pratica per l impianto zootecnico : - effluenti d allevamento - residui colturali (percolati paglie) - colture energetiche (mais, sorgo, triticale) - sottoprodotti organici da attività alimentari ed agroindustriali

22 TIPOLOGIE IMPIANTISTICHE - le tecniche di digestione anaerobica si diversificano principalmente per il contenuto in solidi totali del materiale in digestione e per la temperatura di processo. - Per il contenuto di solidi: digestione a umido: il substrato di digestione ha un contenuto di ST < 10% digestione a secco: il substrato ha un contenuto di ST > 20% - Per la temperatura di processo: psicrofilia: in pratica senza controllo della temperatura mesofilia: temperatura di processo tra i C termofilia: temperatura di processo tra i C

23 COMPONENTI DELL IMPIANTO Importanti per garantire la corretta funzionalità dell impianto DIGESTORE 1. soluzione con getto di cls in opera Vantaggi: facile adattabilità alle richieste della ditta impiantistica evita l eventuale problema di dover adeguare gli impianti all opera muraria Svantaggi: qualità del manufatto legata alla qualità dei materiali impiegati e dei relativi dosaggi e alle condizioni ambientali che portano a una sua variabilità

24 COMPONENTI DELL IMPIANTO Importanti per garantire la corretta funzionalità dell impianto DIGESTORE 2. soluzione con manufatti prefabbricati Vantaggi: abbreviazione dei tempi di realizzazione costanza della qualità costruttiva possibilità di recupero dei manufatti per altri utilizzi Svantaggi: coordinamento tra costruttore ed impiantista (già nella fase progettuale).

25 COMPONENTI DELL IMPIANTO Importanti per garantire la corretta funzionalità dell impianto DIGESTORE 3. soluzione in acciaio Vantaggi: Svantaggi: soluzione elastica e adattabile alle esigenze impiantistiche rapidità di esecuzione possibilità di recupero del materiale ferroso necessita di accorgimenti atti ad evitare la corrosione (es. impiego di acciai inossidabili, rivestimenti) realizzazione di strutture aggiuntive per il fissaggio delle attrezzature di miscelazione costi legati all andamento del costo dell acciaio particolare attenzione alla coibentazione del manufatto (K almeno pari a 0,30 kcal/h m² C)

26 COMPONENTI DELL IMPIANTO ALIMENTAZIONE - la graduale diffusione di impianti che utilizzano, unitamente agli effluenti di allevamento in forma liquida, anche biomasse vegetali di consistenza solida, ha indotto varie soluzioni finalizzate ad assicurare la regolare e controllata immissione nel digestore. 1. immissione con veicolazione tramite pompaggio a. sistema con cassone dosatore, tramoggia, miscelazione con il liquido di veicolazione, trituratore e pompa di sollevamento 1. Cassone dosatore 2. Coclea dosatrice 3. Coclea di elevazione 4. Gruppo di miscelazione con liquido di trasferimento 5. Trituratore 6. Pompa di ricircolo digestato 7. Digestore 8. Liquami

27 COMPONENTI DELL IMPIANTO ALIMENTAZIONE 1. immissione con veicolazione tramite pompaggio c. sistema con vasca polmone di miscelazione 1. Vasca polmone di miscelazione 2. Mixer sommergibili ed orientabili 3. Riscaldamento a parete o sul fondo 4. Immissione biomassa liquida 5. Immissione biomassa solida (con pala caricatrice e carro miscelatore) 6. trituratore 7. Pompa di sollevamento 8. digestore 9. Pompa di ricircolo digestato

28 COMPONENTI DELL IMPIANTO ALIMENTAZIONE 2. immissione delle frazioni liquide e solide separatamente a) Contenitore in cls. trasporto del materiale sistema walking floor che, grazie al movimento alternato, sospinge il materiale di fondo verso la coclea di trasporto esterna. Si ha maggiore robustezza e durata rispetto alle soluzioni in acciaio. b) Contenitore in acciaio. E la soluzione più diffusa e presenta più alternative. Il trasporto può essere fatto tramite sistema walking floor, o con trasportatore di fondo del tipo a catena, oppure tramite parete mobile che sospinge il materiale verso l uscita. c) Cassoni con sistemi di miscelazione. Si tratta di carri miscelatori stazionari ove il materiale viene completamente miscelato, omogeneizzato e triturato.

29 COMPONENTI DELL IMPIANTO ALIMENTAZIONE NB: quando possibile si può interrare parzialmente il digestore evitando così la coclea di elevazione.

30 COMPONENTI DELL IMPIANTO PRETRATTAMENTI - Consentono di migliorare la digeribilità della sostanza organica immessa, ottenendo così una maggiore quantità di energia per unità di biomassa utilizzata, con evidenti vantaggi energetici e ambientali. MISCELAZIONE - Assicura il massimo contatto tra microrganismi e biomassa in fermentazione, ottimizzando l efficienza della d.a. - La difficoltà a mantenere le condizioni di miscelazione ottimali dipende dal volume di digestione, dalle caratteristiche delle biomasse trattate e dal tenore in solidi del materiale.

31 COMPONENTI DELL IMPIANTO MISCELAZIONE Alcuni tipi di miscelazione: MISCELAZIONE IDRAULICA Prevede la miscelazione della massa grazie al ricircolo della stessa tramite una pompa esterna si caratterizza per l assoluta mancanza di elementi meccanici in movimento all interno del digestore potenze installate tra i 20 e i 50 W/m³ ottima efficienza se sistema accuratamente progettato

32 COMPONENTI DELL IMPIANTO MISCELAZIONE MISCELAZIONE MECCANICA Può essere idraulica elettrica motorizzazione interna al digestore esterna al digestore Nel digestore sono inserite solo le parti più resistenti e affidabili del miscelatore, in caso di manutenzione sul motore non è necessario svuotare il digestore.

33 COMPONENTI DELL IMPIANTO MISCELAZIONE MISCELAZIONE MECCANICA idraulica interna al digestore Può essere elettrica motorizzazione esterna al digestore Questi miscelatori sono inseriti su colonne orientabili per ottimizzarne l effetto

34 COMPONENTI DELL IMPIANTO MISCELAZIONE MISCELAZIONE MECCANICA (soluzione intermedia tra le precedenti) Miscelatore ad asse inclinato e orientabile, dotato di motorizzazione esterna. Posizionamento in una apertura posta lateralmente ad una quota poco inferiore ( cm) al livello liquido nel digestore: in caso di sostituzione sarà sufficiente diminuire il livello liquido sino alla quota di apertura.

35 COMPONENTI DELL IMPIANTO RISCALDAMENTO Occorre garantire il mantenimento omogeneo nella massa alle temperature previste in funzione del tipo di digestione che si vuole sviluppare (mesofilia o termofilia) Il riscaldamento è necessario per far fronte alle perdite di calore dovute all immissione della biomassa e alle dispersioni che si hanno attraverso le pareti del digestore SOLUZIONI TECNOLOGICHE Serpentina interna con circolazione di acqua calda Riscaldamento, tramite scambiatore esterno, del materiale in digestione Generalmente realizzata in polipropilene reticolato, ma anche acciaio, collegata al sistema di raffreddamento del cogeneratore Indicati per biomasse con bassi tenori in solidi, e quindi evitando possibili intasamenti dovuti a tappi costituiti da biomassa grossolana. Soluzione agevolata nel caso di miscelazione idraulica

36 COMPONENTI DELL IMPIANTO GASOMETRO Elemento indispensabile per raccogliere temporaneamente il biogas prodotto, in attesa del suo uso al cogeneratore. Poco utilizzate le classiche soluzioni a campana impiegate tradizionalmente negli impianti di tipo civile Le soluzioni più diffuse prevedono: membrane flessibili, fissate alla sommità del digestore, o disposte a terra, sotto tettoia

37 COMPONENTI DELL IMPIANTO GASOMETRO la membrana viene posata in combinazione con una copertura coibentata lignea del digestore e consente, alla semplice osservazione, di verificare la quantità di biogas disponibile.

38 COMPONENTI DELL IMPIANTO GASOMETRO prima membrana: resistente agli agenti atmosferici, con funzione di protezione seconda membrana: funzione gasometrica NB: le pressioni di esercizio sono basse, dell ordine di 1,5-2 mmbar

39 COMPONENTI DELL IMPIANTO SISTEMI DI CONTROLLO LA GESTIONE DELL IMPIANTO È L ASPETTO CHE MAGGIORMENTE PREOCCUPA E CHE NE CONDIZIONA LA REDDITIVITÀ NEL LUNGO PERIODO OCCORRE DISPORRE DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI E DI RILEVAMENTO DEI PARAMETRI DI PROCESSO -ph -Redox -Solidi sospesi confronto - fos/tac - ac. grassi volatili OTTIMIZZAZONE DEL PROCESSO E CONTROLLO DELLA RAZIONE

40 COMPONENTI DELL IMPIANTO SISTEMI DI CONTROLLO E FONDAMENTALE RISPETTARE LE ESIGENZE ALIMENTARI DEI MICRORGANISMI BISOGNA INOLTRE MANTENERE IL CORRETTO EQUILIBRIO TRA BIOGAS PRODOTTO E BIOGAS RICHIESTO PER IL REGOLARE FUNZIONAMENTO DEL GRUPPO DI COGENERAZIONE ALLA PIENA POTENZA per evitare di diminuire l efficienza energetica della biomassa per evitare emissioni libere di metano in atmosfera

41 B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA [Elaborazione AIEL 2012 su: DM 7 aprile 2006 e Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf, 2012]

42 B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA [Elaborazione AIEL 2012 su: DM 7 aprile 2006 e Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf, 2012]

43 II. B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA [Elaborazione AIEL 2012 su: DM 7 aprile 2006 e Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf, 2012]

44 II. B. Elevata variabilità del potenziale metanigeno (BMP) degli EA [Elaborazione AIEL 2012 su: DM 7 aprile 2006 e Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf, 2012] [AIEL, 2012]

45 II. A. Costi operativi e utilizzo esclusivo/prevalente di EA SCENARIO 1 SCENARIO 2 SCENARIO 3 SCENARIO 4 Insilato di mais aziendale ed extra-aziendale Insilato di mais aziendale EA EA e insilato di mais aziendale (max. 30% in peso) [Ragazzoni A., 2012]

46 A. Costi operativi e utilizzo esclusivo/prevalente di EA SCENARIO 1 SCENARIO 2 SCENARIO 3 SCENARIO 4 Insilato di mais aziendale ed extra-aziendale Insilato di mais aziendale EA EA e insilato di mais aziendale (max. 30% in peso) [Ragazzoni A., 2012]

47 A. Costi operativi e utilizzo esclusivo/prevalente di EA SCENARIO 1 SCENARIO 2 SCENARIO 3 SCENARIO 4 Insilato di mais aziendale ed extra-aziendale Insilato di mais aziendale EA EA e insilato di mais aziendale (max. 30% in peso) [Ragazzoni A., 2012]

48 II. Principali problematiche tecnico-economiche A. Costi operativi e utilizzo esclusivo/prevalente di EA SCENARIO 1 SCENARIO 2 SCENARIO 3 SCENARIO 4 Insilato di mais aziendale ed extra-aziendale Insilato di mais aziendale EA EA e insilato di mais aziendale (max. 30% in peso) [Ragazzoni A., 2012]

49 CONCLUSIONI la realizzazione di un impianto di biogas richiede quindi un approccio integrato che, partendo dalla sua corretta progettazione (a partire dalla sua potenzialità) e realizzazione, preveda la necessaria strumentazione, la preparazione del personale e l assistenza tecnica, indispensabili per assicurare una gestione ottimale