LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA. LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi biochimici

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Fiora Orlando
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1 Sei in: agricoltura biologica>produzione di energia da fonti rinnovabili>biomasse LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi biochimici I processi di conversione biochimica permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l'umidità alla raccolta superiore al 30%. Risultano idonei alla conversione biochimica le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali, i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione, nonché alcune tipologie di reflui urbani ed industriali. Un processo biochimico di particolare interesse però risulta essere la digestione anaerobica che consiste nella degradazione della sostanza organica in assenza di ossigeno ad opera di alcuni ceppi batterici interessa la biomassa con un alto grado di umidità (reflui zootecnici, la parte organica dei rifiuti solidi urbani ecc.) portando alla produzione di biogas (CH4 e CO2); può avvenire sia nelle discariche che in reattori appositamente progettati chiamati digestori. Il biogas può essere ottenuto da residui zootecnici e scarti industriali agro-alimentari, come: Letame bovino Siero di latte Vinacce Sorgo zuccherino Scarti di frutta Polpe di bietola Liquame suino Insilati di mais Scarti di ortaggi Insilati foraggeri Sfalci di prati Erba medica Pane vecchio Grasso animale Umido RD

sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l'umidità alla raccolta superiore al 30%.

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2 Sei in: agricoltura biologica>produzione di energia da fonti rinnovabili>biomasse LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi biochimici Esempio di impianto a biogas da 999 kw Figura 1: Esempio di alimentazione impianto Per i materiali di alimentazione sopra indicati sono state effettuate delle stime sulla consistenza, sulla loro composizione e sul loro potenziale di produzione di biogas. Si presuppone che la tipologia, la provenienza e le condizioni delle biomasse non presentino problemi dal punto di vista igienico. Per garantire una fermentazione ottimale e un elevata produzione di gas, le biomasse vengono conferite all impianto in forma liquida o tritata e sminuzzata (dimensione media circa 10 mm). Prevedendo un contenuto di metano di circa il 55% e l utilizzo di un unità endotermica di cogenerazione con potenza elettrica di 999 kw si ottiene una produzione di circa kwh di energia elettrica all anno. Il dimensionamento dell unità endotermica viene infatti effettuato considerando il piano di alimentazione sopra elencato e stimando un funzionamento a pieno carico per circa 21,5 h al giorno, per tener conto anche delle periodiche operazioni di manutenzione programmata del cogeneratore. Detraendo il consumo energetico per il processo di fermentazione, vengono prodotti circa kwh di energia termica all anno. Il calore è disponibile tutto l anno in forma di acqua calda dal distributore di riscaldamento dell unità di cogenerazione. I dati sulla potenza erogata dipendono dalla qualità e dalla costanza di alimentazione e possono presentare oscillazioni, nel caso questa venga variata. Il calcolo dell efficienza è basato su una temperatura esterna inferiore a 30 C e sulla costruzione dell impianto ad un altezza massima di 500 m sopra il livello del mare. Dal processo di fermentazione si ottiene una massa digerita (digestato) che costituisce un ottimo fertilizzante per i terreni agricoli. L insilato di mais viene prelevato dal sito di stoccaggio esterno del committente e caricato nella specifica tramoggia dotata di nastro trasportatore. Il nastro e le coclee presenti trasportano la biomassa nel serbatoio di premiscelazione. I liquami vengono raccolti nella vasca di stoccaggio, dotata di agitatori e tetto. Da qui vengono conferiti al serbatoio di premiscelazione tramite una pompa di conferimento installata vicino alla vasca di stoccaggio del liquame. I broccoli sminuzzati vengono caricati dal committente nell imbuto del vertical mixer, da dove vengono trasportati al serbatoio di premiscelazione tramite una coclea. Le biomasse sono conferite all impianto mediante coclea e dispositivi di pompaggio, vengono poi conferite al serbatoio centrale di pre-miscelazione anteposto al fermentatore. L agitatore interno al serbatoio di pre-

consistenza, sulla loro composizione e sul loro potenziale di produzione di biogas.

3 miscelazione è posto al centro del serbatoio ed ha il compito di omogeneizzare l insieme di biomasse precedentemente tritate prima di introdurle nel fermentatore. Tempi di miscelazione, intervalli di alimentazione e quantità giornaliere delle biomasse sono a gestione PC e possono essere modificate. Una volta terminato il processo di miscelazione, le biomasse vengono nuovamente triturate ed introdotte nel fermentatore a mezzo di pompe di alimentazione. Il processo di pompaggio viene controllato da un sistema PLC ed effettuato mediante un sistema di pesatura installato sotto al serbatoio di pre-miscelazione. Il serbatoio di premiscelazione è un contenitore chiuso, non soggetto a pressione ed è dotato di un apertura per poter ispezionare il vano interno del fermentatore. I vantaggi della pre-miscelazione delle biomasse sono: Possibilità di installazione al riparo dal gelo in capannoni; Sminuzzatura e triturazione delle biomasse nel Rota-Cut (lame rotanti); Separazione dei materiali indesiderati grazie al Rota-Cut; Impedire l attorcigliarsi di filamenti e di componenti fibrosi all interno del fermentatore; Impossibilità di traboccamento del fermentatore in casi di avaria o malfunzionamento del sistema di immissione; Evitare una solidificazione delle biomasse nelle condotte di alimentazione; Possibilità di alimentazione di più fermentatori in caso di ampliamenti d impianto; Introduzione anaerobica delle biomasse; Pesatura esatta delle biomasse in entrata. I fermentatori presentano un volume netto di circa m3. Se alimentati con circa 67 m3 di biomasse al giorno esse permettono un tempo di ritenzione di circa 76 giorni. Ogni fermentatore dispone di un accumulatore pressostatico in cui il biogas viene accumulato. Il tetto del fermentatore è in materiale flessibile. Il sistema di riscaldamento è installato sulle pareti interne del fermentatore. Gli agitatori immersi sono regolabili in altezza e garantiscono una distribuzione omogenea della biomassa e del calore nel fermentatore. La desolforazione del biogas avviene con l immissione di aria in ciascun fermentatore per mezzo di un compressore. Due finestrelle consentono di ispezionare e osservare il vano interno. Per permettere una riduzione di sostanza secca delle biomasse in entrata viene prelevato della biomassa liquida in fermentazione dall interno del fermentatore attraverso il dispositivo di ricircolo. Tale biomassa prelevata (già in fermentazione) viene condotta al serbatoio di pre-miscelazione ubicato nella parte bassa dell edificio tecnico ed aggiunta ai substrati conferiti dai sistemi anteposti. La vasca di fermentazione è dotata di isolamento termico (con rivestimento in alluminio) per evitare perdite termiche e proteggerla dal gelo invernale. Per effetto di tracimazione la biomassa digerita dal fermentatore raggiunge la vasca di stoccaggio. Considerando un periodo di stoccaggio di 180 giorni, il digestato da stoccare (fase liquida) raggiunge un volume di circa m3. Le vasche di stoccaggio del digestato hanno ognuna un volume di circa m3 e sono dotate di agitatori sommersi regolabili in altezza.

Una volta terminato il processo di miscelazione, le biomasse vengono nuovamente triturate ed introdotte nel fermentatore a mezzo di pompe di alimentazione.

Dall accumulatore pressostatico, il biogas arriva all unità endotermica di cogenerazione che è installata nell edificio tecnico. Prima dell ingresso nel cogeneratore, il biogas viene deumidificato.

Poiché il cogeneratore può essere alimentato solo con biogas ad un livello di pressione costante, prima dell ingresso nello stesso, è montato un compressore di gas con frequenza regolata.

4 Dall accumulatore pressostatico, il biogas arriva all unità endotermica di cogenerazione che è installata nell edificio tecnico. Prima dell ingresso nel cogeneratore, il biogas viene deumidificato. La condensa viene scaricata nell apposito pozzetto. Poiché il cogeneratore può essere alimentato solo con biogas ad un livello di pressione costante, prima dell ingresso nello stesso, è montato un compressore di gas con frequenza regolata. In caso di aumento della pressione nel vano di raccolta del gas del fermentatore, il biogas viene bruciato mediante la torcia fissa. Il calore di scarico del cogeneratore viene riutilizzato sotto forma di acqua calda. L acqua calda viene prelevata dal sistema di distribuzione del riscaldamento e convogliata nell impianto di riscaldamento del fermentatore mediante pompe di ricircolo. L unità di distribuzione del calore offre degli allacciamenti per sistemi Figura 2: Planimetria di concetto esterni di teleriscaldamento utilizzabili dal committente. Nell edificio tecnico si trova la sala di controllo che comprende il pannello di controllo con PLC e la postazione di lavoro con PC. L impianto a biogas dispone di impianti di sicurezza, segnalatori di gas e fumo e sistemi di ventilazione al fine di garantirne la conformità alle norme di tutela della salute e del lavoro per tutti gli operatori. (maggio 2011)

5 La produzione di un impianto a biogas varia a seconda dei materiali utilizzati, come mostrato dal grafico sotto riportato. (maggio 2011)

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