Progetto Life+09/ENV/IT/ GAS-OFF INTEGRATED STRATEGIES FOR GHG MITIGATION IN DAIRY FARMS

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1 Progetto Life+09/ENV/IT/ GAS-OFF INTEGRATED STRATEGIES FOR GHG MITIGATION IN DAIRY FARMS Damiano Coppolecchia Università degli studi di Milano Dipartimento VESPA Stalle per bovini da latte ed emissioni di ammoniaca e Gas ad Effetto Serra Piacenza, 3 dicembre 2013 Progetto co-finanziato dalla Unione Europea nell ambito del programma LIFE+ Environment Policy and Governance2009

2 Le emissioni in atmosfera di ammoniaca e GHG: il problema italiano Concentrazioni di ammoniaca nell atmosfera, vista da satellite (ESA MetOP, Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, 2008)

3 Quali sono le fonti di emissione?

4 Minimizzare le emissioni dai ricoveri dei bovini da latte LIFE + 09/ENV/IT/ GAS OFF Integrated strategies for GHG mitigation in dairy farms

5 Minimizzare le emissioni dalla stalla Scopo del lavoro Valutare i fattori di emissioni di GHG (CH 4, N 2 O, CO 2 ) ed NH 3 da stalle con diverse soluzioni stabulative diffuse nelle stalle della pianura Padana. Limiti di accuratezza della misura GAS Min ppm Max ppm NH 3 0, CH 4 0, N 2 0 0, C0 2 1, (Bruel&Kjaer, Multi-gas Monitor Type 1302).

6 Minimizzare le emissioni dalla stalla 4 Aziende Tipo di pavimentazione Sistema di rimozione delle deiezioni Diverse zone dell allevamento Diverse condizioni delle corsie Corsie di alimentazione Corsie di riposo Aree di riposo Pulito Sporco Cuccette Lettiera Diverse stagioni Primavera 2011 Autunno 2011 Inverno 2012 Primavera 2012 Estate 2012 Autunno 2012 Inverno 2013 Primavera 2013 Estate 2013

7 AZIENDA 1 Stalla a stabulazione libera con pavimento perforato o fessurato Zona di riposo a cuccette con materassino; corsia di alimentazione con pavimentazione fessurata e perforata. AZIENDA 2 Stalla a stabulazione su lettiera Zona di riposo a lettiera; corsia di alimentazione in pavimento pieno (con raschiatore meccanico). AZIENDA 3 Stalla a stabulazione libera con flushing superficiale Zona di riposo a cuccette con materassino o cemento; corsia di alimentazione con pavimentazione piena e dotata di una pendenza dell 1.5% per lo scorrimento del flusso di liquame chiarificato. AZIENDA 4 Stalla a stabulazione libera con raschiatore Zona di riposo a cuccette (paglia o materassino); corsia di alimentazione con materassino (con raschiatore meccanico).

8 Minimizzare le emissioni dalla stalla Risultati: le emissioni dei 4 gas in diverse zone dell allevamento Cuccette e lettiera maggiori emissioni di GHG basse emissioni di NH 3 CO 2 >CH 4 >N 2 O Corsie di alimentazione e smistamento maggiori emissioni di NH 3 basse emissioni di GHG eccezione del CH4 nel pavimento fessurato

9 Minimizzare le emissioni dalla stalla NH 3 : efficienza dei sistemi di rimozione

10 Emissioni dirette dai ricoveri DATI OTTENUTI DALLE PROVE Confronto dati delle emissioni zona di alimentazione zona di riposo fessurato pieno in cemento con raschiatore flushing pieno in materassino con raschiatore cuccette con materassino lettiera cuccette cemento cuccette con paglia NH 3 CO 2 CH 4 N 2 O kg/capo/ anno kg/capo/ anno kg CO2eq/capo/ anno kg CO2eq/capo/ anno 0,74 6,31 0,60 2,43 0,62 5,99 0,39 0,09 123,42 255,22 89,55 90,64 64, ,86 98,48 543,86 44,64 65,97 22,72 14,54 31,52 926,77 5,24 440,91 11,79 17,53 2,35 10,13 7,27 528,16 6,82 107,32

11 Minimizzare le emissioni dalla stalla Riassumendo Le emissioni di NH 3 risultano più elevate nella corsia di alimentazione, mentre i GHG sono emessi maggiormente dall area di riposo degli allevamenti. Le emissioni di NH 3 sono più elevate nelle aziende dotate di raschiatore meccanico anche se la presenza del rivestimento in gomma aumenta l efficienza di questo sistema di rimozione. La paglia rende più elevate le emissioni di N 2 O e CO 2 dalle zone di riposo. Le emissioni di CH 4 sono elevate nell azienda con pavimento fessurato a causa della permanenza delle deiezioni nella fossa. Le aziende con pavimentazione fessurata o flushing riducono le emissioni di NH 3 e dei principali GHG.

12 Ottimizzazione di un impianto di Biogas LIFE + 09/ENV/IT/ GAS OFF Integrated strategies for GHG mitigation in dairy farms

13 La digestione anaerobica e il biogas Processo biochimico che avviene in condizioni anaerobiche, in cui materia organica viene mineralizzata per ottenere principalmente metano e biossido di carbonio attraverso una serie di reazioni ad opera di diversi gruppi di microrganismi; Il gas che ne deriva può essere utilizzato per produrre elettricità e calore.

14 Ottimizzazione dell impianto di biogas Lo studio è stato condotto per ii digestore anaerobico situato presso l Azienda sperimentale V.Tadini (115 capi). Scopo Valutare l effetto che diverse modalità di alimentazione del digestore e diverse modalità di gestione del digestore, possano determinare sulla quantità e la qualità del biogas prodotto; Identificare mediante un analisi dei costi/benefici quale soluzione risulti essere più conveniente.

15 Ottimizzazione dell impianto di biogas Piano sperimentale L intera attività di ricerca è suddivisa in fasi distinte della durata di 60 giorni (HRT della biomassa all interno del digestore), ciascuna caratterizzata da una diversa modalità di alimentazione del digestore (fornendo biomassa e letame separatamente o in mix), e di trattamento durante la digestione. Fase Modalità di alimentazione Matrice Periodo (1) controllo Fossa liquami Liquami 1-30 Marzo 2011 (2) Fossa liquami (3) Fossa liquami (4) (5) Fossa liquami Dry stone cassone dosatore Fossa liquami Dry stone cassone dosatore temperatura ⁰C Liquami Silo mais Liquami Semola di mais Liquami Silo mais (20% biomassa) Loiessa (80% biomassa) Liquami Silo mais (80% biomassa) Loiessa (20% biomassa) 1-30 April e Gennaio Marzo Maggio -14 Giugno 2013

16 Ottimizzazione dell impianto di biogas Campionamenti e parametri monitorati Per lo studio sono stati monitorati alcuni parametri produttivi del digestore: TS and VS of ingestato and digestato ph di ingestato and digestato FOS/TAC 3 volte a settimana % CO 2 e CH 4 in gas 1 volta a settimana

17 Ottimizzazione dell impianto di biogas Indici di Produttività Per valutare la produttività delle due modalità di alimentazione e delle diverse matrici abbiamo usato una lista di indici che ci permettono di normalizzare la produzione di biogas e la resa di metano. Gli indici selezionati per la valutazione del digestore anaerobico sono: Nm 3 di biogas/t SV Nm 3 di biogas/t biomassa Nm 3 di biometano /t SV Nm 3 di biometano /t di biomassa kwh/t SV kwh/t di biomassa Kg di biomassa/kwh EE prodotta Indici economici Per valutare il rapporto costi-benefici sono stati utilizzati i seguenti indici: Costi di produzione /Kg di biomassa Costo dell Energia Elettrica Producibile (CEP) /kwh EE costo unitario per produrre 1kWh di energia elettrica

18 Fasi Ottimizzazione dell impianto di biogas Solidi volatili dell ingestato, elettricità prodotta e venduta dall impianto per ciascuna fase Matrice t/mese Contenuto di SV t/mese Energia totale prodotta kwh/mese Energia ceduta kwh/mese kg tal quale/kwh Kg/kWh EE (1) Fossa reflui 748,00 39, , ,6 32,30 (2) Fossa reflui 798,00 47, , ,7 25,92 Liquami 770,25 40,96 31,67 Silo mais 27,75 6,69 4,29 (3) Fossa reflui 910,79 59, , ,9 Liquami 879,79 46,34 31,98 Semola di mais 31,00 13,53 2,12 (4) Dry stone system 870,89 59, , ,7 Liquami 780,30 43,18 30,70 Silo mais 21,44 5,16 Loiessa 71,31 11,48 Mix: Silo mais, Loiessa 92,75 16,64 7,36 (5) temperature ⁰C 891,97 65, , ,8 Liquami 797,60 43,49 30,89 Silo mais 82,10 19,86 Loiessa 12,27 1,97 Mix: Silo mais, Loiessa 94,37 21,83 6,19

19 Ottimizzazione dell impianto di biogas Costi Fase Liquame/ mese Silomais/ mese Loiessa/ mese Semoladi mais/ mese Autoconsumo pompa ultra 1200 / mese Autoconsumo dry stone/mese Manodopera/ mese Totale costi t 0 /t t 55 /t m 3 /t 20 /t m 3 /t 220 /t kw h 0,119 /m kw h 0,28 /kw h ore 18,8 /h (1) 748,00 229,4 27, , , ,8 (2) 798,00 27, , , , ,7 (3) 910, , , , ,0 (4) 870,00 21,8 1201,2 71,3 1426,2 229,4 27, , ,92 22, ,6 (5) 891,97 82,1 4515,7 12,3 245,4 229,4 27, , ,47 22, ,8 Fase trattamento Modalitàdi alimentazione Costo dell Energia Elettrica Producibile Biomasse kg biomassa/kwh Costo di produzione per unitàdi biomassa CEP Kg/kWh EE /KG cent /kwh EE (1) Fossa reflui Liquami 32,30 0,002 6,90 (2) Fossa reflui Silo mais 4,29 0,028 11,92 (3) Fossa reflui Semola di mais 2,12 0,228 48,43 (4) Dry stone system Mix silo mais loiessa 7,36 0,030 22,27 (5) T C Dry stone system Mix silo mais loiessa 6,19 0,053 32,53

20 Ottimizzazione dell impianto di biogas Conclusioni L utilizzo della semola di mais è improponibile dato l elevato CEP Costo dell Energia Elettrica Producibile (dovuto essenzialmente al costo della biomassa) L utilizzo del solo refluo è la soluzione più conveniente, ma ci permetterebbe di impegnare il cogeneratore per non più del 30%. Il trattamento con temperature C non è consigliabile per i possibili rischi di overloading Alimentazione e modalità di somministrazione condizionano pesantemente la produttività. Solo una attenta analisi delle caratteristiche delle biomasse impiegate può indicare la scelta costruttiva da privilegiare. Costi «alimentari» del kwh sono fortemente influenzati sia dalla scelta costruttiva che dalle specifiche caratteristiche delle biomasse impiegate.

21 Individuazione del sistema di gestione dei reflui che ottimizza il loro contenuto energetico LIFE + 09/ENV/IT/ GAS OFF Integrated strategies for GHG mitigation in dairy farms

22 Produzione di biogas da reflui differenti Scopo Individuare il miglior sistema di gestione degli effluenti che ottimizza il loro potenziale energetico. Campionamenti e prove condotte Al fine di individuare il potenziale di biogas sviluppabile dai differenti campioni di liquame si ricorre all ABP test (Anaerobic Biomethane Potential). I campioni vengono prelevati con frequenza stagionale da stalle caratterizzate da differenti soluzioni di rimozione del liquame. LIFE + 09/ENV/IT/ GAS OFF Integrated strategies for GHG mitigation in dairy farms

23 Produzione di biogas da reflui differenti Azienda Effluente Sistema di rimozione Pavimentazione Tipologia di aziende monitorate Azienda 1 GALGAGNANO (LO) Liquame (Vacche in lattazione) Gravità Fessurato Liquame (Manze) Gravità Fessurato Azienda 2 S. BONICO (PC) Lettiera (Manze) Manualmente (bimestrale) Cemento Pieno Azienda 3 CASTIRAGA VIDARDO (LO) Liquame tal quale Separato Solido Separato liquido (Vacche in Lattazione) Flushing Cemento Pieno Azienda 4 GARIGA DI PODENZANO (PC) Liquame (Vacche in lattazione) Raschiatore meccanico Materassino in gomma

24 Stimare il biogas prodotto da reflui differenti Materiali e Metodi ABP test (Anaerobic Biomethane Potential) viene condotto in batch da 1,5 L in armadio termostatato a 40±2 ºC per circa 40 giorni. L inoculo utilizzato è costituito da digestato proveniente dal reattore dell Azienda Tadini. Esso viene filtrato e lasciato a 40 ºC per 24h prima di essere impiegato. I batch vengono riempiti con la matrice da analizzare e l inoculo nel rapporto di 1:2 in funzione dei solidi totali. La quantificazione del biogas viene eseguita con metodo volumetrico. Ogni batch è collegato ad un misuratore contenente una soluzione di acqua saturata con CaCO 3 per evitare che si solubilizzi la CO 2.

25 Armadio termostatato contenente i reattori e la relativa strumentazione per gli ABP test Produzione di biogas da reflui differenti

26 Produzione di biogas da reflui differenti ABP test E stato eseguito in tre repliche per ciascun campione di refluo al fine di ottenere un dato medio della produzione di biogas. Il grafico mostra i Nm 3 /t SV prodotti da un campione di refluo bovino, proveniente da un allevamento con pavimentazione in cemento coperto con materassino.

27 Produzione di biogas da reflui differenti Biogas prodotto dai diversi reflui, espresso in Nm 3 /tsv Refluo Estate Autunno Inverno Primavera Fessurato manze Fessurato vacche Lettiera manze Liquame tal quale (flushing) Separato solido (flushing) Separato liquido (flushing) Liquame vacche (raschiatore)

28 Produzione di biogas da reflui differenti Potenziale metanigeno espresso sulla sostanza organica

29 Produzione di biogas da reflui differenti Potenziale metanigeno espresso sulla biomassa tal quale

30 Produzione di biogas da reflui differenti Conclusioni Le rese maggiori in termini di biogas si ottengono in primavera e autunno, mentre la minore produttività dei reflui estivi può essere dovuta alle maggiori perdite di CH 4 in fase di raccolta, in seguito alle elevate temperature raggiunte. La stagionalità non sembra influenzare in modo significativo la produzione di biogas ottenuta dalla lettiera. La ridotta fermentescibilità della lignina presente nella lettiera potrebbe essere la causa della minore resa di biogas che si osserva. Le rese maggiori si ottengono dal refluo allontanato con il raschiatore o con il flushing. Ciò indica che la frequenza di rimozione del refluo consente di preservare il contenuto enegetico del refluo. Nel sistema gravimetrico si hanno le maggiori perdite di biogas, dal momento che il refluo permane al di sotto della fossa per un tempo maggiore.

31 Produzione di biogas da reflui differenti Conclusioni Le emissioni in atmosfera sono strettamente interconnesse con la gestione delle deiezioni. Per il controllo è essenziale che questi aspetti in futuro siano sempre più considerati parte delle caratteristiche prestazionali richieste ai ricoveri zootecnici sin dal momento della loro progettazione

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