Consorzio Italiano Compostatori La digestione anaerobica e il compostaggio: l integrazione operativa dei due sistemi Milano, 6 Dicembre 2005

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1 Consorzio Italiano Compostatori La digestione anaerobica e il compostaggio: l integrazione operativa dei due sistemi Milano, 6 Dicembre 2005 PANORAMICA DEI SISTEMI PIU DIFFUSI DI INTEGRAZIONE ANAEROBICA/AEROBICA Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzione Animali Reggio Emilia, Comitato Tecnico CIC

2 La digestione anaerobica è un processo biologico che, in assenza di ossigeno, trasformata la sostanza organica in biogas (una miscela di metano e anidride carbonica); la percentuale di metano nel biogas varia tra il 50% e l 80%.

3 Schema riassuntivo di decomposizione anaerobica delle sostanze organiche durante la digestione. CARBOIDRATI GRASSI PROTEINE Zuccheri semplici ACIDI VOLATILI ALCOOLI Glicerolo Acidi grassi ACIDI VOLATILI METANO ANIDR. CARBONICA Gruppi sub proteici Amminoacidi Amine Ammoniaca Azoto Mercaptani Indolo Skatolo Idrogeno solf.

4 Sostanza organica Carboidrati Proteine Lipidi Schema del processo biologico di digestione anaerobica 20% ACETATO 52% 100% BATTERI IDROLITICI E FERMENTATIVI 75% Acidi grassi Alcoli etc. Batteri acetogenici Batteri omoacetogenici 23% 5% H 2 + CO 2 Batteri metanigeni acetoclastici 72% CH 4 + CO 2 Batteri metanigeni idrogenotrofi CH 4 + H 2 O 28%

5 Biomasse e scarti organici avviabili a DA e loro resa in Biogas (m 3 per ton di solidi volatili) Materiali m 3 biogas/t SV Deiezioni animali (suini, bovini, avicunicoli) Residui colturali (paglia, colletti barbabietole..) Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine..) Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale ed intestinale, sangue, fanghi di flottazione ) Fanghi di depurazione Frazione organica rifiuti urbani Colture energetiche zuccherino ) (mais, sorgo

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7 Le tecniche di digestione Le tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali: Digestione a umido (wet digestion), quando il substrato ha un contenuto di SS 10%. Digestione a secco (dry digestion), quando il substrato avviato a digestione ha un contenuto di SS 20%; Processi con valori di secco intermedi vengono in genere definiti processi a semisecco.

8 Schema di processo wet a fase singola Rifiuto organico OF-MSW Calore Heat Fresh Acqua di water rete OMOGENIZZAZIONE PULPING Prechamber Camera di pre-digestione Ricircolo Inoculation inoculo loop REATTORE DI DIGESTIONE METHANIZATION ANAEROBICA Schiume Floating scum Biogas % TS % TS DEWATERING Ispessimento Disidratazione Composting Compostaggio Heavies Inerti Ricircolo Recycle acqua process di processo water Water Trattamento treatment acque

9 Differenti tipologie di reattore nei sistemi dry (A = processo Dranco; B = processo Kompogas; C = processo Valorga), in Vandevivere et al., 2001 A. B. C. Inoculum Ricircolo recycle inoculo Rifiuto Feed Digested Rifiuto paste stabilizzato Rifiuto Feed Digested paste Rifiu to stabilizzato Digested Rifiu to paste stabilizzato Biogas Ricircolo del biogas recirculation Feed Rifiuto

10 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).

11 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%.

12 Incentivazione dell energia rinnovabile Nel 2005 i produttori italiani di EE da fonte convenzionale sono obbligati ad immettere in rete il 2,7% 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 (0,097-0,117 Euro /kwh/ kwh) Oggi il valore dell EE dotata di CV ceduta alla rete elettrica è circa 0,15-0,18 0,18 Euro/kWh kwh. Attualmente la durata del CV è di 8 anni, elevabile di 4 anni per le biomasse.

13 La diffusione in Europa Circa 1600 digestori operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione. Circa 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. Oltre 2500 impianti operanti su liquami zootecnici in particolare in Germania (oltre 2000), Austria, Danimarca, Italia, Svizzera e Svezia. Circa 130 impianti di digestione anaerobica trattano ciascuno più di 2500 t/anno di frazione organica di rifiuti urbani e/o residui organici industriali.

14 La diffusione in Europa In Danimarca sono attualmente funzionanti 20 impianti centralizzati di co-digestione che trattano annualmente circa t di liquami zootecnici (circa il 3% del totale) e t di residui organici industriali e FORSU. In Svezia sono operativi 13 impianti centralizzati di cui 7 trattano anche sottoprodotti di origine animale

15 L impianto di Studsgard, Herning, DK Allevatori che forniscono liquame: 54 - Volume di digestione: 6600 m 3 (2 reattori da 3300 m 3 ciascuno) - 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 3,5 milioni di m 3 /anno

16 L impianto di Studsgard, Herning, DK

17 L impianto di Linkoping, Svezia Volume di digestione: 7400 m 3 ( 2 reattori da 3700 m 3 ciascuno) Temperatura di processo: 37 C Tempo di ritenzione (HRT): giorni Anno 2002: Liquame zootecnico: 4700 t/anno Scarti macellazione (Cat 3) + Acque reflue macellazione: t/anno Altri scarti organici: 8400 t/anno Produzione di CH4 : circa 3 milioni di Nm 3 /anno

18 L impianto di Linkoping, Svezia

19 La Germania E il Paese europeo nel quale la digestione anaerobica ha avuto il maggior impulso. I dati al 2004, parlano di circa impianti esistenti con una potenza elettrica installata di oltre 400 MW. Circa 200 SME e 6000 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 ed eroga in genere anche un contributo sull investimento.

20 Incentivi EE da Biogas in Germania ( /kwh) Totale

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23 Schema di impianto di biogas a reattore orizzontale miscelato

24 Impianto aziendale in Germania: codigestione di liquami suini, pollina e energy crops; 2 cogeneratori da 100 kw.

25 Sistemi di inserimento biomasse solide nel digestore

26 Biogas in AUSTRIA

27 Austria: Azienda Agricola senza animali, tratta liquame suino di allevamenti vicini t/anno FORSU (40 /t); vende EE a 0,13 /kwh 3 cogeneratori per un totale di 240 kwe 4 digestori per un totale di 3300 m3

28 La diffusione in Europa Per il 2003 la produzione di biogas nei 15 Paesi dell UE è stata di 3912 ktep (45 TWh); più di 1/3 è biogas da discariche di RU; per il 2010 si stimano 8600 ktep (circa 100 TWh) (EurObserv ER, 2005) Produzione U.E.di Biogas ktep G.B. D. FR. SP. IT. NL. SV. DK. A. B. Paesi GR. IR. FN. L. P

29 La situazione in Italia EurObserv ER stima per l Italia una produzione di biogas nel 2003 di 201 ktep (circa 2,3 TWh). Oltre un terzo di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU (Nel 1999, 89 impianti per circa 128 MW di potenza installata). Il fabbisogno di EE dell Italia nel 2003 è stato di 320,7 TWh.

30 Biogas: 174 impianti - 257,4 MW Biogas da deiezioni animali: 10 impianti - 3,4 MW

31 La situazione in Italia BIOMASSE INTERESSATE: Deiezioni animali : t/a. Scarti agroindustriali: t/a. Scarti di macellazione: t/a. Fanghi di depurazione: t/a. Fraz.org. dei R.U.: t/a. Residui colturali: t SS/a Colture energetiche: ha set aside

32 La situazione in Italia Impianti di biogas per liquami zootecnici Un censimento condotto nel 1999 mostrava che 72 impianti di biogas funzionavano con liquami zootecnici in Italia. Cinque di questi sono impianti centralizzati e 67 sono impianti aziendali. La quasi totalità degli impianti è localizzata nelle regioni del nord (39 in Lombardia, 7 in Emilia-Romagna, 12 in Trentino-Alto Adige). A fine 2004, gli impianti erano oltre 100 di cui circa 70 sono impianti semplificati e a basso costo, realizzati sovrapponendo una copertura di materiale plastico ad una vasca di stoccaggio dei liquami zootecnici.

33 Impianto biogas in allevamento suinicolo da t pv Cogeneratore da 50 kw

34 Impianto Reattore Temperat. di lavoro ( C) Marsciano (Perugia) CSTR (*) Carico volumetr. (m 3 d -1 ) HRT (d) Volume reattore (m 3 ) Input Liquame suino+reflui agroindustr. Uso Biogas CHP Bettona (Perugia) Spilambert o (Modena) Visano (Brescia) Lozzo Atestino (Padova) CSTR (*) CSTR (*) , Liquame suino e bovino + reflui agroindustr Liquame suino e bovino+ fanghi civili CSTR Liquame suino e bovino CSTR Fanghi agroindustr.+ FORSU+ liquame (*) : doppio stadio (secondo stadio non miscelato e non riscaldato) bovino CHP CHP CHP CHP CSTR: reattore completamente miscelato (Completely Stirred Tank Reactors) CHP: cogeneratore (Combined Heat and Power engines) HRT: tempo di ritenzione idraulica Tabella 1 Caratteristiche dei cinque impianti di biogas centralizzati operanti su liquami zootecnici in Italia (anno 1999).

35 Impianto centralizzato di Spilamberto (MO)

36 Impianto centralizzato di Marsciano (PG)

37 Impianto centralizzato di Bettona (PG)

38 Impianto centralizzato di Bettona Liquame suino e bovino Ditta costruttrice R.P.A. Perugia, Acque reflue da produzione olio d oliva Equalizzazione Liquame alimentato m 3 /d Equalizzazione Digestore anaerobico 1 stadio Biogas Cogeneratore Produzione Biogas Produzione EE di Volume totale dei digestori m 3 /d (Venduta all ENEL) kwh/anno m 3 Temperatura digestione di C liquame fango biogas Digestore anaerobico 2 stadio Trattamento aerobico Stoccaggio in laguna Disidratazione fanghi Sistema di fertirrigazione Fango disidratato Uso agronomico Uso agronomico Utilizzazione del Biogas Trasporto liquame input Trasporto liquame output Distanza trasporto Investimento Anno costruzione di di 2 cogeneratori da 410 kw, 1 cogeneratore da 285 kw 25 km di tubazioni, 10 km per gravità, 15 km in pressione Fertirrigazione con tubazioni interrate e in pressione 3-5 km 7,2 milioni di Euro( circa 14 miliardi di Lire) 1982

39 La situazione in Italia Impianti di biogas per liquami zootecnici Nel corso degli ultimi due anni anche in Italia si è mostrato interesse alla codigestione dei liquami zootecnici con le colture energetiche (mais e sorgo zuccherino) e attualmente alcuni impianti sono già operativi e/o in costruzione e/o in fase di progettazione.

40 Az. Mengoli Castenaso (BO) Bovini da latte (100 capi in produzione) 2 digestori (1200 m3 ciascuno) 1 cogen. 110 kwe

41 La situazione in Italia Il trattamento di altre biomasse Anche in Italia i digestori anaerobici sono diffusi (circa 120) nella stabilizzazione dei fanghi di supero dei depuratori delle acque reflue urbane. Diversi impianti di biogas sono stati realizzati anche nell agro-industria, in particolare in distillerie, zuccherifici, stabilimenti per la produzione di succhi di frutta e prodotti dolciari.

42 Impianto biogas CAVIRO -Faenza 4 digestori da 5000 mc ciascuno 2 cogeneratori da 1 MW ciascuno

43 Schema di flusso ottimale per il trattamento di biomasse di scarto in depuratori urbani Reflui civili Depurazione biologica aerobica Fanghi di supero Liquami zootecnici, scarti agroindustria Cogenerazione Biogas Digestione anaerobica Pretrattamenti Fanghi disidratati Uso agronomico

44 La situazione in Italia Il trattamento di altre biomasse Relativamente alla digestione anaerobica delle frazioni organiche dei rifiuti urbani, sia derivanti da raccolte differenziate (FORSU) che da selezione meccanica (FO), non vi sono molte esperienze: FO: vi è un impianto a Verona (4 digestori da 2000 m3 ciascuno, 200 t/d di FO+40 t/d di fanghi), un altro a Villacidro, CA (2 digestori da 2000 m3 ciascuno, 120 t/d di FO), un altro in avviamento a Bassano del Grappa, VI (3 digestori da 2500 m3 ciascuno, t/a di RU, 8200 t/a di FORSU e 3000 t/a di fanghi), un altro in avviamento a Roma, capace di trattare t/anno di RU;

45 La situazione in Italia Il trattamento di altre biomasse FORSU: oltre all impianto SESA (PD) che codigerisce liquami zootecnici e FORSU e quello di Treviso che codigerisce fanghi e FORSU, vi sono in avviamento un impianto a cura del Consorzio ACEA di Pinerolo (TO) e un impianto di Seta spa a Camposampiero (PD). Quest ultimo impianto rappresenta un chiaro esempio di sistema integrato aerobico/anaerobico.

46 Trattamento biologico anaerobico + aerobico in pre discarica

47 Schema ed elementi principali del bilancio di massa del ciclo di trattamento per rifiuto da raccolta indifferenziata

48 Trattamento biologico anaerobico + aerobico per produzione compost

49 FORSU, Residui organici agro-industria, fanghi, deiezioni zootecniche Scarti Verdi FORSU Pre-trattamenti Schema del ciclo di trattamento integrato anaerobico/ aerobico Aria esausta Purificazione aria esausta Digestione anaerobica Disidratazione Post compostaggio aerobico Acqua Biogas Purificazione acqua in eccesso Cogenerazione Energia elettrica e termica Surplus di energia Raffinazione Aria pura Compost maturo Acqua in eccesso

50 Schema e bilancio di massa del ciclo di trattamento per rifiuto da raccolta differenziata

51 L integrazione dei due processi può portare dei notevoli vantaggi, in particolare: si migliora nettamente il bilancio energetico dell impianto, in quanto nella fase anaerobica si ha in genere la produzione di un surplus di energia rispetto al fabbisogno dell intero impianto; si possono controllare meglio e con costi minori i problemi olfattivi; le fasi maggiormente odorigene sono gestite in reattore chiuso e le arie esauste sono rappresentate dal biogas (utilizzato e non immesso in atmosfera). Il digestato è già un materiale semi-stabilizzato e, quindi, il controllo degli impatti olfattivi durante il post-compostaggio aerobico risulta più agevole;

52 L integrazione dei due processi può portare dei notevoli vantaggi, in particolare: si ha un minor impegno di superficie a parità di rifiuto trattato, pur tenendo conto delle superfici necessarie per il post-compostaggio aerobico, grazie alla maggior compattezza dell impiantistica anaerobica; si riduce l emissione di CO 2 in atmosfera; l attenzione verso i trattamenti dei rifiuti a bassa emissione di gas serra è un fattore che assumerà sempre più importanza in futuro.

53 Andamento del costo specifico di trattamento per tonnellata di rifiuto da raccolta differenziata e di rifiuto indifferenziato al variare della taglia dell impianto

54 ESEMPIO DI SISTEMA INTEGRATO ANAEROBICO/AEROBICO L impianto di Camposampiero (PD) L impianto è in fase di avviamento a cura di Seta spa e potrà trattare: liquami civili e industriali per una capacità depurativa di A.E. (ampliabile fino a A.E.); fino a t/a di frazione organica dei rifiuti solidi urbani e scarti vegetali ( erba, ramaglie ); da a t/a di reflui zootecnici; da a t/a di fanghi dalla depurazione biologica;

55 Reflui civili Depurazione biologica aerobica Fanghi di supero Liquami zootecnici Frazione organica da raccolta differenziata Scarti lignocellulosici Cogenerazione Biogas Digestione anaerobica Pretrattamenti Triturazione Fanghi disidratati Miscelazione Schema di flusso dell impianto di Camposampiero Compostaggio aerobico Ammendante compostato di qualità

56 Reattore idrolisi Impianto Villacidro (CA) t RU/a t fanghi/a 3 pulper

57 Schema BTA per trattamento meccanico biologico RU

58 Inputs e outputs per il processo wet BTA a Villacidro

59 Processi di DA proposti da BTA

60 Impianto BTA di Ypres, Belgio t FORSU/anno 7 tunnel di compostaggio 2 digestori da 2500 m3 ciascuno 2 idropulper

61 Impianto BTA di Ypres, Belgio Avviato nel luglio 2003 Potenzialità circa t/anno di FORSU (73 /t) Produce circa t/anno di compost di qualità (14 /t) Produzione biogas m3/t FORSU, circa m3/anno Presenti 4 cogeneratori da 300 kwe ciascuno Produce EE verde per circa 2000 abitazioni (98 /MWh) Costo investimento circa 20 milioni

62 Processo di DA wet della Linde presso Ecoparc 1 Barcelona

63 Impianti con tecnologia Linde

64 Dati di impianti Linde per RU

65 Schema del processo Valorga

66 Performance di impianti Valorga

67 Balancio di massa impianto MBT Valorga presso Ecoparc 2, Barcelona

68 L impianto di Braunschweig-Watenbüttel (D) è stato costruito dalla Buhler nel 1997 e tratta circa t/a di rifiuti organici da raccolta differenziata Digestion plant Brauschweig-Watenbüttel Ventilation Biowaste Shredder Manual saparating Shredder Storage tank Biological exhaust air purification (biofilter) Metal seperation Impurities Mixer Bunker Compost storage Dewatering Digester 1 Digester 2 Composting area Biogas preparation and storage Biological wastewater treatment Presswater tank Heating system Block-type thermal power station fig. 6: Digestion plant Braunschweig-Watenbüttel Flow chart [KOGAS GmbH]

69 ESEMPI DI SISTEMI INTEGRATI ANAEROBICI/AEROBICI L impianto di Braunschweig-Watenbüttel (D)

70 ESEMPI DI SISTEMI INTEGRATI ANAEROBICI/AEROBICI L impianto di Braunschweig-Watenbüttel (D) Parametri di processo e bilanci:

71 ESEMPI DI SISTEMI INTEGRATI ANAEROBICI/AEROBICI L impianto di Braunschweig-Watenbüttel (D)

72 ESEMPI DI SISTEMI INTEGRATI ANAEROBICI/AEROBICI L impianto di Braunschweig-Watenbüttel (D) I costi L'impianto è costato, come investimento, circa circa 10,3 milioni di Euro. I costi di esercizio ammontano a circa Euro per tonnellata di rifiuto trattato.

73 La situazione in Italia Il recupero di biogas dalle discariche Il provvedimento Cip 6/92 ha incentivato la realizzazione di impianti per la generazione di energia elettrica con il biogas captato dalle discariche per rifiuti urbani. Nel 1999, 89 impianti di questo genere erano operativi in discariche italiane per un totale di circa 128 MW di potenza installata e una produzione di energia elettrica di circa 566 GWh per anno. La potenzialità teorica complessiva di tutte le discariche italiane sfiorerebbe i 1000 MW. In realtà solo una frazione di questa, circa il 30%, può essere utilizzata per fini energetici. Appare realizzabile un obiettivo di ulteriori MW al (fonte Libro Bianco sulle rinnovabili, elaborato da ENEA).

74 Il contributo alla riduzione delle emissioni di gas serra IN EUROPA Si stima per i paesi dell Unione Europea una potenziale riduzione, grazie all applicazione della digestione anaerobica, delle emissioni di metano di circa 20 milioni di m 3 /giorno. Ciò significa una riduzione di circa t/giorno di CO 2 equivalente, un valore che corrisponde a circa il 3,6% dell emissione globale (a livello europeo) di CO 2 o a circa il 50% della prevista riduzione di emissione di CO 2 per i paesi dell Unione Europea secondo gli accordi della Conferenza di Kyoto.

75 Conclusioni In Italia possono dare nuovo impulso agli impianti di biogas: gli incentivi alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (Certificati Verdi); l evoluzione nella politica ambientale (Conferenza di Kyoto) sulla riduzione dei gas serra; la nuova PAC e il Reg. CE 1774/2002.

76 Conclusioni Ne deriva l'utilità di potenziare e di razionalizzare i sistemi che sfruttano processi di co-digestione anaerobica di biomasse di varia natura (biomasse di origine zootecnica e agroindustriale, colture energetiche e residui colturali, fanghi di depurazione e frazioni organiche derivanti da raccolte differenziate dei rifiuti urbani).

77 Conclusioni Occorre anche favorire l integrazione dei processi anaerobici ed aerobici, sia nella costruzione di nuovi impianti che nel potenziamento di impianti già esistenti, quali gli oltre 100 impianti di compostaggio di media e grossa taglia già operanti in pianura padana nelle vicinanze dei siti di produzione di scarti organici agroindustriali e di effluenti zootecnici, e i grossi impianti di depurazione urbani.

78 Conclusioni La realizzazione di impianti di biogas ha buone prospettive se: si razionalizzano e si rendono chiare e percorribili le procedure autorizzative, sia per la costruzione e gestione degli impianti che per l allacciamento alla rete elettrica nazionale; si assicura l utilizzo agronomico del digestato anche quando si co-digeriscono i liquami zootecnici con colture energetiche e scarti organici selezionati.

79 Grazie per l attenzione s.piccinini@crpa.it