Biogas, l analisi del digestato svela l efficienza dell impianto

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1 MONITORAGGIO DEL CRPA SU 30 IMPIANTI BIOGAS PER 3 ANNI Biogas, l analisi del digestato svela l efficienza dell impianto di C. Fabbri, M. Garuti, M. Soldano, S. Piccinini La valutazione dell efficienza biologica (il grado di conversione della sostanza organica in biogas) di un impianto di digestione anaerobica è un elemento di fondamentale importanza per una corretta gestione economica dello stesso e per ridurre al minimo il suo impatto ambientale. In ogni impianto abbinato a cogenerazione o produzione di biometano, la biomassa rappresenta la fonte energetica primaria che viene convertita in metano e quindi in energia elettrica o biocarburante. Se la biomassa non viene convertita efficientemente il digestato esce dall impianto in una condizione ancora non totalmente stabilizzata e potrebbe continuare a produrre biogas nella fase di stoccaggio. L entità della produzione di biogas dalla fase di stoccaggio non è di facile determinazione a causa dei trattamenti che può subire il digestato all uscita del digestore, del tempo di residenza nelle vasche di stoccaggio (che risulta variabile e dipendente dagli assetti colturali tipici dell azienda agricola), ma soprattutto delle condizioni di temperatura in cui questo si trova, variabili indicativamente fra 5 e 30 C. Potenziale metanigeno residuo del digestato La valutazione dell efficienza biologica può essere condotta in laboratorio attraverso un test che misura il potenziale metanigeno residuo (abbreviabile in «Rbp», dall inglese Residual biogas potential). Il potenziale metanigeno residuo è un parametro biologico che rappresenta la quantità di biogas potenzialmente ancora producibile dalla materia organica presente nel digestato alla fine del processo di digestione anaerobica condotto nell impianto aziendale. Le motivazioni che possono portare a una non completa conversione del- Il potenziale metanigeno residuo del digestato è un indice dell efficienza della digestione anaerobica: a parità di biomasse in ingresso nel digestore, alti valori di questo parametro sono sintomo di gravi inefficienze del processo che si riflettono sulla redditività economica e sulla performance ambientale dell impianto la materia organica in biogas possono essere molteplici, alcune delle quali non necessariamente legate al corretto equilibrio dei fattori di controllo biologici (rapporto tra acidità e alcalinità totale, ph, ecc.). Alcune delle cause che più frequentemente influenzano il potenziale metanigeno residuo del digestato sono riconducibili a insufficiente tempo di ritenzione idraulica (tempo di permanenza della biomassa all interno del digestore), miscelazione inadeguata, termoregolazione non uniforme, formazione di sedimenti, by-pass di materiale indigerito, fattori di inibizione chimici, antagonismi microbiologici, ecc. Alcuni di questi fattori non sono facilmente individuabili in situ anche con una supervisione di esperti biotecnologi. La valutazione del potenziale metanigeno delle biomasse in ingresso e dell efficienza di conversione in biogas diviene, quindi, un elemento di valutazione fra i più importanti per una corretta e profittevole gestione dell impianto. Una stima di quanto può incidere una perdita di efficienza biologica sulla redditività dell impianto è riportata nel riquadro a pag. 39. Come si valuta Presso Crpa Lab (laboratorio del Crpa dedicato alla ricerca industriale rivolto ai settori dell agroalimentare e dell ambiente ed energia), il potenziale metanigeno residuo (Rbp) del digestato viene analizzato, alla pari del potenziale biochimico metanigeno (Bmp, dall inglese Biochemical methane potential) delle biomasse in ingresso, mediante una prova di fermentazione su scala di laboratorio in condizione me- 4/2016 L Informatore Agrario 37

2 sofila (38 C). Essa è realizzata addizionando il digestato prelevato dall impianto da valutare con un inoculo batterico adattato contenente una microflora diversificata e proveniente da un impianto di biogas funzionante correttamente. Alla miscela viene aggiunta una soluzione diluente, arricchita con micro e macro nutrienti per evitare eventuali problemi di carenza presenti nell impianto da valutare. La diluizione ottenuta nel reattore di laboratorio, unitamente all inoculo, riduce la concentrazione e contemporaneamente gli effetti degli eventuali fattori inibenti (ad esempio un eccesso di acidità organica) che potrebbero essere presenti nel digestato da valutare. La prova ha una durata adeguata alla degradazione della sostanza organica presente nel reattore. Corretta interpretazione del valore ottenuto Perdita efficienza (%) Per una corretta interpretazione del potenziale metanigeno residuo, tuttavia, occorre tener presente che esso viene espresso sul contenuto di solidi volatili residui presenti nel digestato e pertanto non può essere raffrontato direttamente con il potenziale GRAFICO 1 - Perdita di efficienza biologica in relazione al potenziale metanigeno dell alimentazione e a quello residuo nel digestato Rbp digestato (Nm 3 CH 4 /t s.v.) 200 Nm 3 CH 4 /t s.v. 250 Nm 3 CH 4 /t s.v. 300 Nm 3 CH 4 /t s.v. Nm 3 CH 4 /t s.v. = normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatilli. Rbp = potenziale metanigeno residuo nel digestato. Considerando un potenziale metanigeno (Bmp) medio dell alimentazione in ingresso pari a 300 Nm 3 CH 4 /t s.v., un valore misurato per il potenziale metanigeno residuo (Rbp) del digestato pari a 60 Nm 3 CH 4 /t s.v. indicherebbe una perdita di efficienza del 4%. Con lo stesso valore di Rbp, la perdita di efficienza sarebbe del 7% se il Bmp iniziale fosse pari a 200 Nm 3 CH 4 /t s.v. metanigeno delle biomasse utilizzate (che è riferito al contenuto di solidi volatili dell alimentazione in ingresso). Per confrontare Rbp e Bmp bisogna tener conto del bilancio di massa, cioè della relazione che intercorre tra TABELLA 1 - Parametri gestionali dell impianto da 500 kwe considerato come esempio Biomasse per alimentazione Parametro insilato di mais letame bovino liquame bovino insilato triticale Totale s.t. (g/kg) 287,2 200,6 73,4 303,4 s.v. (g/kg) 272,4 156,8 56,5 280,4 Biomassa caricata (t/giorno) 25,5 2,0 32,5 3,5 63,5 s.t. complessivi kg/giorno nell alimentazione % 65,5 3,6 21,4 9,5 100 s.v. complessivi kg/giorno nell alimentazione % 68,9 3,1 18,2 9,8 100 Bmp (Nm 3 CH 4 /t s.v.) Metano nel biogas ottenuto (%) 54,0 55,6 60,5 55,1 54,9 Produzione Nm 3 CH 4 /giorno di metano % 76,0 2,0 12,6 9,4 100 Potenza elettrica kwe 379,76 9,81 63,20 46, % 76,0 2,0 12,6 9,4 100 s.t. = solidi totali. s.v. = solidi volatili. Bmp = potenziale metanigeno delle biomasse di alimentazione. Nm 3 CH 4 = normal metri cubi di metano. 38 L Informatore Agrario 4/2016 la massa dei flussi in entrata e in uscita dal digestore. Il valore espresso sul tal quale difficilmente può essere utilizzato, poiché raramente viene effettuata una misura corretta della quantità di digestato prodotto in impianto. Diventa quindi fondamentale un piano analitico che consenta di determinare il contenuto di solidi volatili nelle matrici in ingresso e nel digestato in uscita. Monitoraggio condotto dal Crpa Crpa Lab, con il proprio laboratorio specializzato nella valutazione del potenziale metanigeno, ha condotto negli ultimi tre anni un monitoraggio su 30 diversi impianti di biogas raccogliendo i dati di circa 90 test Rbp. Gli impianti monitorati hanno un alimentazione costituita da effluenti zootecnici, colture dedicate e sottoprodotti e il digestato in uscita si caratterizza per un contenuto medio di solidi totali (s.t.), pari a 73,7 g/kg, e un contenuto di solidi volatili (s.v.) pari a a 54,9 g/kg (rapporto s.v./s.t. medio di circa il 74%). Il valore di Rbp medio negli impianti monitorati è risultato essere pari a 90 ± 41 Nm 3 CH 4 /t s.v. (normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatili), con valori minimi di 13,5 Nm 3 CH 4 /t s.v. e massimi di 212 Nm 3 CH 4 /t s.v. In termini di produzione di metano per unità di peso di digestato tal quale ciò significa 5,2 ± 3,5 Nm 3 CH 4 /t. Relazione tra pontenziale residuo ed efficienza biologica Il potenziale metanigeno residuo (Rbp) è strettamente correlato al potenziale metanigeno delle biomasse utilizzate (Bmp) e l incrocio di queste due variabili consente di individuare la perdita di efficienza dell impianto. Nel grafico 1 è riportata la relazione che lega l Rbp alla relativa perdita di efficienza potenziale, in relazione a biomasse in ingresso aventi tre diversi valori di Bmp. Ad esempio, considerando un

3 QUANTO COSTA L INEFFICIENZA DELL IMPIANTO SPECIALE ENERGIA RINNOVABILE Costo di approvvigionamento (euro/kwh) Bmp medio dell alimentazione caricata in impianto pari a 300 Nm 3 CH 4 /t s.v. e un Rbp misurato nel digestato pari a 120 Nm 3 CH 4 /t s.v., la perdita di efficienza è calcolabile nel 7,7%. Per approfondimenti sulla relazione che lega i valori di Bmp e Rbp alla perdita di efficienza biologica si veda il grafico A pubblicato all indirizzo internet riportato a fine articolo. Negli impianti di produzione di biogas che utilizzano materie prime o sottoprodotti, aziendali o reperiti sul mercato, il costo di approvvigionamento può andare da 0,1 a 0,5 euro/nm 3 di metano producibile. Questo dato può incidere sul costo di produzione dell energia elettrica per 0,025-0,17 euro/kwh, in relazione al rendimento elettrico di conversione del cogeneratore (grafico A). Chiaramente, quanto più il rendimento elettrico del cogeneratore è basso tanto più il costo di alimentazione incide sulla redditività dell impianto. Nel caso, ad esempio, degli impianti funzionanti con tariffa onnicomprensiva pari a 280 euro/mwh questo comporta un incidenza variabile dal 9 al 60% sul fatturato. Qualunque azione relativa alla conduzione idraulica, alla gestione biologica o alle modifiche della dieta deve essere quindi attentamente valutata e giudicata nelle sue conseguenze. Infatti, considerando la variabilità dell incidenza dei costi di alimentazione, per un impianto da 1 MWe una differenza di efficienza biologica anche solo del 5-10% può arrivare a incidere sui bilanci economici per euro/anno. GRAFICO A - Incidenza del costo della biomassa e del rendimento del cogeneratore sul fatturato ( 1 ) 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0, ,0 32,5 35,0 37,5 40,0 42,5 Rendimento elettrico cogeneratore (%) Euro/Nm 3 CH 4 : 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Nm 3 CH 4 = normal metri cubi di metano ( 1 ) Ipotizzando che l impianto goda della tariffa onnicomprensiva pari a 280 euro/mwh. Considerando l acquisto di silomais standard (contenuto di solidi totali pari al 33% e rapporto tra solidi volatili e solidi totali pari al 96%) a un valore di mercato di 55 euro/t e con potenziale metanigeno di 350 Nm 3 CH 4 /t s.v. (normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatili) il costo di approvvigionamento è calcolabile pari a 173,6 euro/t s.v [= 55 / (33% x 96%)], corrispondente a 0,496 euro/nm 3 CH 4 (= 173,6/350). Considerando tale costo e ipotizzando che il cogeneratore abbia un rendimento elettrico del 40%, la conversione del metano in energia elettrica porta a un costo di produzione pari a 125,5 euro/mwh, ovvero il 44,8% del fatturato ottenibile Esempio di valutazione dell efficienza di un impianto 0 Incidenza sul fatturato (%) La valutazione del potenziale metanigeno residuo viene effettuata sul digestato prelevato dall ultimo stadio di fermentazione dopo opportuna miscelazione del digestore Come esempio dell utilità del potenziale metanigeno residuo nell analisi dell efficienza biologica consideriamo il caso di un impianto alimentato con la dieta riportata in tabella 1 e caratterizzato da un tempo di ritenzione idraulica di circa 50 giorni e un rendimento elettrico del cogeneratore del 38%. La quantità complessiva di solidi totali caricati risulta pari a 11,2 t/giorno, mentre la quantità di solidi volatili è di circa 10,1 t/giorno, con un rapporto s.v./s.t. di 90,2%. Tale dieta porta a una produzione di metano di circa Nm 3 /giorno, sufficienti per alimentare un cogeneratore da 500 kwe. In queste condizioni la quantità di solidi volatili convertiti in biogas risulta pari a 7 t/giorno, ovvero il 69% della quantità caricata e la rimanente parte (3,1 t/giorno) viene residuata nel digestato. Considerando nulli i depositi di ceneri (sali minerali e inerti) all interno del digestore, il rapporto s. v./s.t. nel digestato risulta pari a 73,8% [= 3,1/(11,2 7)]. Per il potenziale metanigeno residuo del digestato ottenuto dall ultimo stadio di produzione consideriamo un valore di 91 Nm 3 CH 4 /t s.v. (pari al valore medio ottenuto negli impianti monitorati dal Crpa), ovvero, ricordando la quantità di solidi volatili nel digestato prodotto (3,1 t/giorno), pari a a un produzione di metano di circa 280 Nm 3 /giorno (= 3,1 91). Tenendo conto del contenuto in metano del biogas (54,9%) e della densità di quest ultimo (1,28 kg/nm 3 ), tale quantità di metano corrisponde a una potenziale maggiore conversione di solidi volatili di circa 0,65 t/giorno [=(280/54,9%) (1,28/1.000)] e una conseguente potenziale maggiore produzione di kwh/giorno. In rapporto ai solidi volatili caricati (10,1 t s.v/giorno), tale potenziale 4/2016 L Informatore Agrario 39

4 metanigeno corrisponderebbe a una maggiore degradazione di circa il 6,5% (= 0,65/10,1), mentre in termini di potenza elettrica producibile a un incremento dell 8,8%. Utili indicazioni sulla sostenibilità dell impianto Con un utilizzo corretto degli strumenti di valutazione del potenziale metanigeno (delle biomasse in ingresso e del digestato) è possibile avere una buona stima dell efficienza energetica di conversione delle biomasse utilizzate in digestione anaerobica per produrre biogas. Tale valutazione è inerente sia alla sostenibilità economica dell impianto sia alla compatibilità ambientale. Nel primo caso è determinante ricordare che la tariffa onnicomprensiva è fissa e a valori costanti per tutta la durata del periodo di incentivazione; quindi conseguentemente il gestore dell impianto può migliorare la propria competitività e far fronte agli effetti della svalutazione solo agendo sull efficienza gestionale. Nel secondo caso risulta chiaro che un impianto deve limitare al massimo il potenziale metanigeno residuo dai lagunaggi. Tale emissione non è però strettamente legata al valore del Rbp mesofilo descritto nell articolo, in quanto le condizioni di stoccaggio sono variabili sia per dinamica di riempimento degli stessi sia per temperatura. In definitiva, la perdita di efficienza dipende da una stretta correlazione, di tipo non lineare, fra Bmp e Rbp: a parità di Rbp la perdita di efficienza è tanto maggiore quanto minore è il Bmp iniziale. Claudio Fabbri, Mirco Garuti Mariangela Soldano, Sergio Piccinini Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it Per consultare gli approfondimenti e/o la bibliografia: rdlia/16ia04_8291_web 40 L Informatore Agrario 4/2016

5 ARTICOLO PUBBLICATO SU L INFORMATORE AGRARIO N. 4/2016 A PAG. 37 Biogas, l analisi del digestato svela l efficienza dell impianto BIBLIOGRAFIA Walker M., Banks C., Heaven S., Frederickson J. (2010) - Development and evaluation of a method for testing the residual biogas potential of digestates. Waste and Resources Action Programme, January Gioelli F., Dinuccio E., Balsari P. (2011) - Residual biogas potential from the storage tanks of non-separated digestate and digested liquid fraction. Bioresource Technology, 102: Hansen T.L., Sommer S.G., Gabriel S., Christensen T.H. (2006) - Methane production during storage of anaerobically digested municipal organic waste. J. Environ. Qual., 35: GRAFICO A - Correlazione tra potenziale metanigeno dell alimentazione, potenziale metanigeno residuo del digestato e perdita di efficienza biologica Bmp = potenziale metanigeno dell alimentazione. Rbp = potenziale metanigeno residuo nel digestato. Nm 3 CH 4 / / t s.v. = normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatilli.

6 Edizioni L Informatore Agrario Tutti i diritti riservati, a norma della Legge sul Diritto d Autore e le sue successive modificazioni. Ogni utilizzo di quest opera per usi diversi da quello personale e privato è tassativamente vietato. Edizioni L Informatore Agrario S.r.l. non potrà comunque essere ritenuta responsabile per eventuali malfunzionamenti e/o danni di qualsiasi natura connessi all uso dell opera.