Reggio Emilia 29 Maggio 2008

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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 Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzioni Animali Settore Ambiente Reggio Emilia 29 Maggio 2008

2 Schema della Digestione Anaerobica

3 La digestione anaerobica e la digestione del bovino

4 Metano fossile e biogas

5 Biomasse e scarti organici avviabili a DA e loro resa in Biogas (m 3 per ton di solidi volatili)

6 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.

7 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).

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

9 Esempio di reattore CSTR (fonte UTS)

10 Esempio di reattore CSTR (fonte Thöni)

11 Esempi di sistemi di caricamento biomasse solide nel digestore

12 Impianto a semisecco: reattore cilindrico orizzontale

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

14 Processi di digestione a secco discontinui

15 Esempio di biocelle anaerobiche

16 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 95-98%.

17 Biogas alla cogenerazione Con un m3 di biogas è possibile produrre: circa 1,8-2 kwh di elettricità del valore di c (max incentivo); circa 2-3 kwh di calore che potrebbero essere disponibili per impieghi vari.

18 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.

19 Svezia sviluppo dell uso del biogas per autotrazione

20 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

21 Connessione biometano gas naturale NATURAL GAS Iniezione del biometano (400 m3/h) nella rete a bassa pressione distante circa 0,5 km : 0,06 c /kwh ( di investimento)

22 RETE NAZIONALE DEI GASDOTTI

23 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.

24 Produzione di biogas in Europa (fonte EueObservER, 2006) (Ktep/anno) PAESE * Gran Bretagna 1491,7 1782,6 Germania 1294,7 1594,4 Italia 335,5 376,5 Spagna 295,1 316,9 Francia 207,0 209,0 Olanda 126,2 126,2 Svezia 105,1 105,1 Danimarca 89,3 92,3 Belgio 73,8 73,8 Repubblica Ceca 50,2 55,8 Polonia 45,4 50,7 Austria 45,4 45,4 Grecia 36,0 36,0 Irlanda 29,9 34,8 Finlandia 26,5 26,5 Portogallo 4,5 10,0 Slovenia 6,6 6,8 Lussemburgo 5,0 6,7 Slovacchia 5,9 5,9 Ungheria 3,5 3,8 Totale 4277,2 4959,1 Discarica RU: 64% Altre fonti: 17,2% Fanghi di depurazione civili e industriali: 18,8%

25 La Germania E il Paese europeo nel quale la digestione anaerobica ha avuto il maggior impulso. I dati al 2007, parlano di oltre 3500 impianti operativi con una potenza elettrica installata di circa 1100 MW. Più di 450 SME e persone operano nel settore. Circa il 94% degli impianti di biogas operano in codigestione (liquami zootecnici + colture energetiche + scarti organici). Forte incentivazione del Governo tedesco, che ha fissato un prezzo per l energia elettrica da biogas fino a 21,5 centesimi di euro/kwh per un periodo di 20 anni.

26 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

27 Costo di investimento: 6,2 milioni Euro CHP: 1,5 MWe L impianto di Studsgard, Herning, DK Allevatori che forniscono liquame: 54 - Volume di digestione: 6600 m 3 - 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: m 3 - Produzione di biogas: circa 4 milioni di m 3 /anno

28 AUSTRIA Fonte: Rudolf Braun - IFA Tulln, Austria, 2006 Source Number of Plants Mio m 3 Biogas per Year % of Total Biogas Landfills Sewage sludge Agriculture 1 Industry 1 Municipalities 1 62 Grey Waste -Landfill Gas Recov. Pl. 134 Sewage sludge digesters ~350 Biogas- u. Co- Fermentation Plants 25 Anaerobic Wastewater Treatment Pl. ~15 Biowaste Digestion Plants TOTAL ) Estimation

29 AUSTRIA Colture energetiche+scarti industria mangimistica+ grassi animali+biowaste: 6 milioni m 3 biogas/anno Distributore Biometano

30 Biogas in Italia EurObserv ER stima per l Italia una produzione di biogas nel 2006 di 353,8 ktep (circa 4 TWh). Circa l 80% di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU Il fabbisogno di EE dell Italia nel 2006 è stato di 359,3 TWh.

31 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas CRPA ha identificato 154 impianti; 39 sono in costruzione o in fase autorizzativa. Il 40% 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

32 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas impianti (39 in costruzione)

33 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas età impianti n impianti > di 16 anni 10 tra i 5 e 15 anni 59 meno di 5 anni 31 Operativi (dato Età non disponibile) 15 Totale 115 In costruzione 22 In fase di autorizzazione 17 Totale 154

34 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas Tipologia di substrato trattato Impianti (n.) Solo liquame suino 44 Solo liquame bovino 38 Liquame suino + liquame bovino 5 Liquame bovino e/o suino e/o pollina + scarti organici + colture energetiche 35 Liquame bovino e/o suino e/o pollina + colture energetiche 20 Colture energetiche e/o scarti organici 9 Pollina + scarti organici e/o colture energetiche 3 Totale 154

35 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche. TIPO DI REATTORE n impianti Vasca a pareti verticali (CSTR) 77 Lagone 3 PFR 40 Altro 1 Dato non disponibile 33 Totale 154 VOLUME TOTALE DIGESTORI n impianti < 500 m 3 24 Tra 500 e 950 m 3 17 Tra 1000 e 5000 m 3 47 > 5000 m 3 20 Dato non disponibile 46 Totale 154

36 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche. TEMPERATURA DI PROCESSO n impianti Psicrofilia 8 Mesofilia 81 Termofilia 8 Dato non disponibile 57 Totale 154 TEMPO DI RITENZIONE IDRAULICA n impianti < 15 giorni 3 Tra 16 e 25 giorni 45 Tra 26 e 35 giorni 9 > 36 giorni 37 Dato non disponibile 60 Totale 154 Potenza elettrica Impianti (n.) < 100 kwe kwe kwe 19 >1 MWe 14 Biogas in caldaia 8 Dato non disponibile 41 Totale 154 Potenza elettrica installata circa 49 MWe

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

38 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 m 3 /anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 25 m 3 /anno di biogas)

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

40 Schema di impianto di biogas semplificato con riscaldamento rotovaglio sistema di copertura e raccolta biogas a singola o a doppia membrana biogas agli utilizzi vasca di raccolta e sollevamento frazione solida acqua calda energia elettrica biogas sistema di riscaldamento cogeneratore La produzione di metano ottenibile è di circa 21 m 3 /anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 35 m 3 /anno di biogas)

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

42 esempi Allevamento bovini da latte (BO) 110 capi in produzione 2 digestori (1200 m 3 ciascuno) 2 cogeneratori kwe

43 Schema impianto biogas Punto campionamento liquame e digestato Punto campionamento qualità biogas Valvola sovrapressione a guardia idraulica Silo per colture dedicate Colture dedicate Valvola sovrapressione a guardia idraulica Digestore anaerobico 2 Temperatura: C Diamet 16 m Altezza utile: 5,2 m 3 Volume utile: 1050 m Agitator1: 1 x 18 kw HRT: 17,5 gg 3 Cov: 2,9 kg /m.gg SV Digestore anaerobico 1 Temperatura: C Diametro: 16 m Altezza utile: 5,2 m 3 Volume utile: 1050 m Agitatori: 1 x 18 kw HRT: 17,5 gg 3 Cov: 2,9 kg /m.gg SV t/a 2 Ossigeno per Sulfobacter Valvola sovrapressione a guardia idraulica Post-digestore anaerobico 3 Temperatura: C Diametro: 16 m Altezza utile: 4,2 m 3 Volume utile: 850 m Agitatori: 1 x 16 kw HRT: 15 gg Gasometro 3 V : 500 m gas Pompa di gestione liquame e digestato 3 4 Flushing stalla 5 Stoccaggio finale 4 Diametro: 16 m Altezza utile: 4,2 m Volume utile: 900 m 3 1 Dosatore colture e sottoprodotti Con bilancia Platea coperta per il ritiro di sottoprodotti dell agroindustria C Soffiante telo di compensazione Acqua calda t/a 6 Chiller per biogas Condense Radiatore ausiliario Utilizzazione agronomica Biogas: 190 m /h3 Soffiante biogas CHP kwe Vasca collettamento liquami Stalla: 110 vacche in lattazione cuccette senza paglia corsia con fessurato e pulizia con flushing + rimonta t/a Sottoprodotti agroindustria

44 Biomasse trattate: carico organico 3159 t SV/anno (% SV da ogni biomassa) Energy crops 23.6% Cattle slurry 9.4% Agroindustrial residues 67.0% Agroindustrial residues Energy crops Cattle slurry

45 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

46 esempi Allevamento bovini da latte (BO) Unit Year 2007 Total animals heads (n.) 238 Number of dairy cattle (n.) 110 Cattle manure production (t VS/month) 25 Biomass load (Energy crops +agro-industry residues) (t VS/month) 238 Parametri produttivi ed operativi (valori medi mensili) Electrical power installed (kw) 355 Biogas production (m 3 /month) 119,436 Electrical energy production (kwh/month) 210,586 Methane content (%) 53 Biogas yield m 3 /kg VS m 3 /m 3 day 1.155

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

48 Schema impianto Biogas

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

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

51 Parametri produttivi ed operativi: valori medi mensili nel periodo Dic Apr 2008 Unit Dic April 2008 Number of beef cattle (n.) 1000 Cattle manure production (t VS/month) 9.7 Biomass load (Energy crpos + agro-industry residues) (t VS/month) 312 Electrical power installed (kw) 845 Biogas production (m 3 /month) 235,000 Electrical energy production (kwh/month) 538,000 Methane contenent (%) 53.4 Biogas yield m 3 /kg VS 0.73 m 3 /m 3 day 1.334

52 esempi Impianto centralizzato di Spilamberto (MO) t/a liquame suino t/a scarti agroindustriali 2 digestori m 3 1 cogeneratore 600 kwe

53 esempi Impianto centralizzato di Marsciano (PG) t/a liquame suino 2700 t/a fanghi civili 3700 t/a pollina 2 digestori m 3 2 cogeneratori kwe

54 Inserimento digestione anaerobica in impianto di depurazione aerobico in allevamento suino STABILIZZAZIONE- STOCCAGGIO USO AGRONOMICO frazione solida fango DIGESTORE ANAEROBICO digestato CENTRIFUGA liquame grezzo FLOTTATORE fango supero chiarificato chiarificato DEPURATORE AEROBICO effluente FOGNATURA PUBBLICA STOCCAGGIO FERTIRRIGAZIONE

55 Digestione Anaerobica Biogas in italia DA di altre biomasse 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 )

56 esempi Impianto biogas CAVIRO - Faenza Biogas in italia 4 digestori da 5000 m 3 ciascuno 2 cogeneratori da 1 MWe ciascuno

57 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)

58 esempi Impianto centralizzato Camposampiero (PD) Biogas in italia 1 digestore 3300 m 3-2 cogeneratori 0,5+0,5 MWe Anno 2006: FORSU t/anno Fanghi t/anno Effl. zoot t/anno Biogas m3/anno

59 Biogas in Italia IMPIANTI CATEGORIE IMPIANTI BIOGAS Effluenti zootecnici + scarti organici + colture energetiche Fanghi di depurazione civile - 9 FORSU - 22 Reflui agro-industriali

60 Potenzialità biogas in Italia circa 25 TWh/anno di EE o circa 8 Miliardi m 3 di CH 4 /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 set aside

61 Incentivazione energia rinnovabile SINO AL 31/12/2007 Nel 2007 i produttori italiani di EE da fonte convenzionale erano obbligati ad immettere in rete il 3,05% di EE prodotta da fonti rinnovabili o ad acquistare i Certificati Verdi (CV). I CV sono titoli annuali attribuiti all EE prodotta da fonti rinnovabili; il loro valore è determinato sul mercato dal gioco della domanda e dell offerta (137 Euro /MWh, valore GSE 2007) il valore dell EE dotata di CV ceduta alla rete elettrica era circa Euro/MWh. la durata del CV era di 12 anni, elevabile di 4 anni per le biomasse.

62 Incentivazione energia rinnovabile DAL 01/01/2008 per il periodo la quota di EE da fonte rinnovabile da immettere in rete è incrementata annualmente di 0,75% per impianti > 1MW fattore moltiplicativo di 1,8 dell EE prodotta nell anno precedente per il calcolo del numero di CV per impianti <1 MW tariffa omnicomprensiva pari a 0,3 /kwh immesso nel sistema elettrico la durata del CV è di 15 anni

63 I costi di investimento di un impianto di biogas Dipendono: dalle caratteristiche dell impianto(di tipo semplificato, completamente miscelato, coibentato e riscaldato ecc.); dai materiali avviati a digestione (solo liquami zootecnici, liquami zootecnici + colture energetiche e/ o scarti agroindustriali ecc.); si può definire un costo di investimento variabile tra 250 e 700 per metro cubo di digestore anaerobico, oppure di per kw elettrico installato in cogenerazione; Il tempo di ripagamento dell investimento (pbt) è in genere di circa 4-8 anni.

64 Costi e ricavi del biogas ADEcoTec DSS, un software del CRPA per gli studi di fattibilità ADEcoTec DSS valuta la redditività al variare di: costo/ricavo delle matrici del saggio di sconto bancario del prezzo dei certificati verdi del prezzo di vandita dell'energia elettrica della quota di incentivo in conto capitale

65 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.

66 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

67 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

68 Grazie per l attenzione C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia s.piccinini@crpa.it