Produrre biogas. un opportunità che piace agli agricoltori I SUPPLEMENTI DI ASSESSORATO AGRICOLTURA, ECONOMIA ITTICA, ATTIVITÀ FAUNISTICO-VENATORIE

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1 ASSESSORATO AGRICOLTURA, ECONOMIA ITTICA, ATTIVITÀ FAUNISTICO-VENATORIE I SUPPLEMENTI DI 48 Produrre biogas un opportunità che piace agli agricoltori A cura di MAGDA C. SCHIFF - CRPA Spa, Reggio Emilia e di ANTONIO APRUZZESE - Redazione Agricoltura

2 I SUPPLEMENTI DI 48 Produrre biogas un opportunità che piace agli agricoltori Copyright Regione Emilia-Romagna - Anno 2011 Foto di copertina Banzi, Crpa Spa, Fotolia, Samaritani/Meridiana Immagini, Foto del fascicolo interno Banzi, Cervellati, Paddok/Marchetti, Arch. Crpa Coordinamento redazionale Magda C. Schiff, Crpa Spa, Reggio Emilia e Antonio Apruzzese, rivista Agricoltura. Distribuzione Redazione Agricoltura - Viale della Fiera, Bologna - Tel Fax agricoltura@regione.emilia-romagna.it Crpa Spa - Corso Garibaldi, Reggio Emilia - Tel Fax info@crpa.it Il Sole 24 ORE (BU Business Media) - Via Monte Rosa, Milano - Tel marketing.edagricole@ilsole24ore.com

3 SOMMARIO 05 PREFAZIONE Rinnovabili compatibili con ambiente e comunità di Tiberio Rabboni 06 PRESENTAZIONE Progetto Sebe, opportunità per l agricoltura di qualità di Nicola Labartino 07 Impianti a effluenti bovini: una pratica interessante di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini, Fabio Verzellesi 12 Digestione anaerobica a colture dedicate di Claudio Fabbri, Sami Shams-Eddin, Filippo Bondi, Sergio Piccinini 19 Utilizzo della separazione solido-liquido del digestato di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini, Fabio Verzellesi 22 Biogas e Parmigiano-Reggiano: una coesistenza possibile? di Paola Vecchia, Sergio Piccinini 27 Progettazione e gestione: le prove di laboratorio di Mariangela Soldano, Giuseppe Moscatelli, Claudio Fabbri 31 Siti e impatto ambientale: le norme in Emilia-Romagna di Giuseppe Bonazzi, Lorella Rossi, Andrea Giapponesi, Leonardo Palumbo 16 Le rese in biogas del sorgo e del mais di Mariangela Soldano, Nicola Labartino

4 PREFAZIONE Rinnovabili compatibili con ambiente e comunità TIBERIO RABBONI, Assessore all Agricoltura, Economia Ittica, Attività faunistico-venatorie, Regione Emilia-Romagna La produzione di energie rinnovabili da biomasse di origine agricola e zootecnica sta assumendo, grazie ai progressi in campo scientifico e tecnologico e alla politica di incentivazione, un ruolo sempre più significativo nella formazione del bilancio energetico del nostro Paese. Le aziende agricole sono protagoniste in questo campo. La Regione ne ha sostenuto l iniziativa attraverso un piano d azione articolato in cinque misure, tra le quali un budget di 9 milioni di euro per bandi Psr di cofinanziamento, ma soprattutto cercando una soluzione per conciliare la vocazione alimentare della nostra produzione agricola con quella energetica. La via è stata quella della complementarietà tra le due produzioni attraverso l utilizzo energetico degli effluenti zootecnici, dei sottoprodotti e scarti, dei terreni marginali. Questo è il senso delle linee guida regionali per il fotovoltaico a terra che hanno fissato il limite del 10% di copertura massima delle superfici agricole aziendali disponibili. Ed è anche il senso delle successive linee guida per la localizzazione degli impianti a biogas, biomasse, eolici, idroelettrici, anche se, naturalmente, non potevano intervenire sulla causa prima del grande sviluppo delle coltivazioni agricole destinate alla trasformazione energetica, vale a dire l elevata redditività assicurata dalle attuali tariffe elettriche incentivanti nazionali. Le linee guida regionali si sono date, inoltre, un secondo grande obiettivo propedeutico allo sviluppo delle rinnovabili in un territorio rurale con elevati livelli insediativi: la compatibilità della trasformazione energetica con la qualità dell aria, dell ambiente e della vita di comunità. Insomma un quadro di reali certezze per tutti all interno del quale collocare scelte imprenditoriali particolarmente significative per il nostro futuro. 5

5 PRESENTAZIONE Progetto Sebe, opportunità per l agricoltura di qualità NICOLA LABARTINO, CRPA Spa, Reggio Emilia Il biogas, una delle filiere agro-energetiche con il più alto trend di crescita nelle regioni del nord Italia, è un ottima opportunità per raggiungere gli obiettivi del Piano Energetico Regionale dell Emilia-Romagna. Attualmente nella regione sono presenti 63 impianti di biogas, nel settore agro-zootecnico, di cui 17 in costruzione (fonte Crpa: censimento maggio 2011). Il progetto Sebe (Sustainable and Innovative European Biogas Environment) ben si inserisce in questo contesto di crescita del comparto, dato che con la sua attività mira a ottimizzare e ampliare l utilizzazione del biogas a livello transnazionale. Gli obiettivi generali del progetto Sebe - che vede coinvolti il Crpa di Reggio Emilia e l Environment Park di Torino, insieme ad altri 12 partner provenienti dal settore privato e pubblico di Austria, Slovenia, Polonia, Slovacchia, Germania, Repubblica Ceca, Romania e Ungheria - sono la protezione e l uso responsabile delle risorse naturali. In particolare Sebe ( fa parte del programma Central Europe Programme ( finanziato dall Unione Europea e volto a migliorare l innovazione, la fruibilità e la gestione ambientale per accrescere la competitività e l attrattiva dei Paesi che ne sono protagonisti. Nello specifico, Sebe vuole favorire lo sviluppo del settore della produzione di energia rinnovabile da biogas con l intento di rendere i Paesi coinvolti meno dipendenti dalle importazioni estere per quanto riguarda l approvvigionamento energetico, contribuendo nel contempo al raggiungimento degli obiettivi fissati dall UE di ridurre di almeno il 20% le emissioni di gas a effetto serra e aumentare al 20% il consumo di fonti rinnovabili. All interno del progetto il Crpa ha individuato in Emilia-Romagna quattro impianti di biogas (Az. agricola Antonio di Molinella - BO; Az. Agricola Cazzani di Medicina-Buda - BO; Cat di Correggio - RE; Persiceto Bioenergia di San Giovanni in Persiceto - BO) per monitorarne i principali parametri relativi all efficienza energetica, all affidabilità gestionale e alla convenienza economica. In questi impianti vengono organizzate giornate dimostrative per i portatori di interesse (stakeholder) del settore. In varie province dell Emilia-Romagna, inoltre, il Crpa svolge corsi di formazione sul biogas. Per dare supporto tecnicoinformativo è stato anche attivato un servizio sul sito italiano del progetto (http//sebe.crpa.it) per rispondere ai quesiti inerenti la produzione di biogas da biomasse agro-zootecniche. Questo supplemento riporta una serie di esperienze del Crpa nell ambito della produzione di biogas, che focalizzano l attenzione sulle principali problematiche tecnico-gestionali. Produrre biogas, infatti, può essere una buona integrazione di reddito per gli agricoltori, a patto però che l impianto, le biomasse e il digestato vengano gestiti nella maniera più appropriata e nel rispetto delle linee guide regionali, le quali tengono conto delle peculiarità territoriali e produttive di qualità dell agricoltura emiliano-romagnola. 6

6 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Impianti a effluenti bovini: una pratica interessante CLAUDIO FABBRI, SERGIO PICCININI, FABIO VERZELLESI - Crpa Spa, Reggio Emilia Negli ultimi anni la costruzione di impianti di biogas ha coinvolto in modo consistente il mondo agricolo tanto che, secondo un indagine condotta dal Crpa nel maggio 2011 (Fabbri et al. - L Informatore Agrario. Supplemento al n. 26/2011), si è arrivati alla realizzazione di circa 521 impianti per circa 350 MW di potenza elettrica installata. Di questi, il 57,9% sono impianti di co-digestione di effl uenti zootecnici, sottoprodotti agroindustriali e colture dedicate, il 29% utilizza solo effl uenti e il 13,1% colture energetiche e/o sottoprodotti agroindustriali. L utilizzo in digestione anaerobica solo degli effluenti zootecnici comporta molti vantaggi: produzione di energia rinnovabile senza modifiche all assetto colturale dell azienda; diminuzione delle emissioni di odori e gas ad effetto serra (principalmente metano) in atmosfera; ottenimento, alla fine del processo, di una riduzione di circa il 50% del contenuto di sostanza secca e del 2-5% del volume degli effluenti, che diventano più facilmente pompabili; stabilizzazione della sostanza organica residua che mantiene un elevato valore ammendante; miglioramento dell efficienza d uso dell azoto, quando utilizzato secondo le buone pratiche agricole. Al fine di consentire una corretta valutazione del grande potenziale energetico disponibile, soprattutto nelle aree a elevata vocazione zootecnica, vengono riportati in questo articolo i risultati di un esperienza della durata di circa sei mesi condotta in un impianto di digestione anaerobica alimentato con soli effluenti zootecnici. Si tratta di un impianto di biogas realizzato da Brevetti Cremonesi presso l allevamento di bovini da latte dell azienda F.lli Pedrotti di Reggio Emilia. Descrizione dell azienda La F.lli Pedrotti produce latte per Parmigiano-Reggiano ed è composta da due distinti siti aziendali, distanti tra loro circa un paio di chilometri. I bovini in lattazione sono circa 700, 190 sono i capi in asciutta e 700 circa sono i vitelli, le manzette e le manze nel loro complesso, per un totale di quasi capi presenti. Nei piani aziendali è previsto un ampliamento dell allevamento per ulteriori 150 bovini in lattazione, fino a portare la mandria ad un totale di circa capi (tabella 1). Tab. 1 - TIPOLOGIA DI STABULAZIONE. CAPI IN LATTAZIONE per il 70% circa dei capi cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite quotidianamente con raschiatore; per il 30% restante cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato CAPI IN ASCIUTTA lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore MANZE cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore MANZETTE lettiera integrale 7

7 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Le sale di mungitura sono due: in un caso le acque di lavaggio vengono gestite separatamente dagli effluenti della stalla, mentre nell altro viene fatta la miscelazione. In tabella 2 sono riportate le caratteristiche dei due effl uenti, la cui produzione è risultata pari complessivamente a t/giorno in primavera e a t/giorno nei mesi estivi, per effetto della diluizione dei liquami provocata dai sistemi di raffrescamento evaporativo presenti nelle stalle delle vacche produttive. La disponibilità di solidi totali è risultata mediamente pari a quasi kg/giorno, con una percentuale media di solidi volatili dell 81% circa, pari a 12,3 kg ST/giorno/capo produttivo o 9,7 kg SV/giorno/capo produttivo. Descrizione dell impianto L impianto è composto da un sistema di pretrattamento degli effluenti al carico, due digestori anaerobici completamente miscelati e riscaldati in regime mesofilo coperti con teli gasometrici a doppia membrana (tabella 3), un sistema di separazione solido/liquido a compressione elicoidale del digestato e una vasca di stoccaggio della frazione chiarificata coperta con telo per il contenimento delle emissioni gassose residue. Il biogas prodotto viene avviato ad un cogeneratore di potenza elettrica installata pari a 330 kwe, già dimensionato, quindi, per la consistenza prevista dal nuovo ampliamento dell allevamento. 8

8 Risultati Nel corso del periodo monitorato sono stati raccolti i da- 1,2 ti di funzionamento e di resa 1,0 dell impianto relativi sia alla 0,8 fase di avviamento che a regime. Durante la fase di avviamento, durata circa 2,5 mesi, 0,6 0,4 è stato progressivamente aumentato il carico di effluenti, 0,2 con brevi intervalli per modifiche dovute all esigenza di 0,0 febbraio marzo mettere a punto il sistema di pretrattamento, miscelazione e carico. Nel periodo di funzionamento a regime il carico organico volumetrico è risultato pari a circa 2,3-2,5 kg SV/m 3 /giorno. Nel grafico 1 sono riportate le curve di produzione specifica di biogas rapportate sia alla volumetria 250 utile del digestore che alla 200 quantità di solidi volatili 150 caricati. In entrambe le 100 curve è evidente una prima fase di avviamento in 50 cui all aumentare del carico organico e della messa a 0 regime del processo biologico le rese specifiche aumentano progressivamente; segue una fase stabile in cui i valori oscillano in un intervallo piuttosto ristretto. Le variazioni di produzione sono riconducibili principalmente a due motivi: interventi sulle componenti elettromeccaniche di regolazione (miscelazione, riscaldamento, carico, regolazione delle pressioni, regolazioni del motore, ecc.) necessari al fine di individuare i parametri ottimali di funzionamento; variabilità delle matrici dovuta principalmente alla diluizione provocata dalle precipitazioni qualora gli scarichi Potenza elettrica media sulle 24h Produzione specifica di biogas GRAF. 1 - RESA DI CONVERSIONE IN GAS DELL IMPIANTO. aprile maggio giugno luglio agosto m 3 biogas/kg SV m 3 biogas/m 3 digestore/giorno GRAF. 2 - POTENZA ELETTRICA MEDIA SULLE 24 ORE [kw]. marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre potenza elettrica media sulle 24 ore dei pluviali o la raccolta degli sgrondi dai paddock non siano regimentati a dovere (in questo caso le quantità di effluente prodotte giornalmente possono anche raddoppiare o triplicare), oppure alla modifica della dieta o alla variazione della quantità di lettime. Nel periodo a regime la produzione media di biogas è risultata di m 3 biogas/t SV. La percentuale di metano nel biogas prodotto è stata mediamente pari al 54,5%, mentre la produzione specifica di metano è risultata pari a 0,22 m 3 metano/kg SV. 9

9 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ La produzione elettrica generata dall impianto è stata mediamente di circa kwh/giorno, per una potenza elettrica rapportata alle 24 ore pari a 272 kwe (figura 2), equivalenti a 0,30 kwe/capo produttivo presente o kwhe/capo produttivo/anno. Gli autoconsumi elettrici, invece, sono risultati pari a 940 kwh/giorno, cioè il 14,4% della produzione totale. La produzione netta giornaliera è quindi risultata di circa kwh, mentre il risultato produttivo totale arriva a quasi MWh/anno. Con l applicazione della tariffa omnicomprensiva di 280 /MWh il fatturato lordo ammonta a euro, pari a 800 /bovino in lattazione. In tabella 4 sono riportati i dati analitici del digestato tal quale e delle due frazioni dopo separazione solido-liquido. Conclusioni La variabilità e la non sempre regolare disponibilità di effluenti bovini messe in evidenza nel corso delle attività di monitoraggio impone, per gli impianti alimentati esclusivamente con questa biomassa, una progettazione accurata. Allo scopo servono una analisi preliminare particolarmente approfondita delle modalità di gestione degli effluenti nella stalla - dalla tecnica di rimozione alla gestione delle acque di lavaggio della sala mungitura e delle acque meteoriche - fino all uso di altre tecniche che potrebbero influire sulla diluizione dei prodotti e delle relative caratteristiche chimico-fisiche. Rispetto ad altri impianti alimentati a biomasse vegetali 10

10 dedicate, inoltre, gli autoconsumi elettrici sono più alti perché le rese per unità di solidi volatili e le concentrazioni di sostanza secca sono più basse e ciò comporta un maggior dispendio per la movimentazione e la miscelazione. Nonostante il breve periodo di monitoraggio dell impianto (6 mesi), si può comunque affermare che la produzione di biogas da soli effluenti zootecnici permette di ottenere risultati molto interessanti sia in termini energetici che economici. Le rese produttive sono state dell ordine dei m 3 biogas/t SV con il 54,5% di metano, equivalenti a circa il 40% in meno di quanto producibile mediamente con la stessa quantità di sostanza organica da un buon insilato di mais, ma a costi di approvvigionamento molto bassi o nulli. Non sono poi da sottovalutare i benefici ambientali derivanti dalla riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra, come pure il contenimento dell impatto olfattivo al momento dell utilizzo agronomico del digestato, rispetto all effluente zootecnico non sottoposto a digestione anaerobica. Tab. 2 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI EFFLUENTI AVVIATI A DIGESTIONE ANAEROBICA. TIPOLOGIA DI EFFLUENTE ph ST SV NTK N-NH4+ [-] [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] [mg/kg] [%NTK] Liquame con acque lavaggio 7,11 48,9 40,9 82, , ,9 sala mungitura Liquame senza acque lavaggio 7,25 80,4 63,4 78, , ,2 sala mungitura Letame 8,03 163,9 137,3 83, , ,4 Tab. 3 - CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DELL IMPIANTO. PARAMETRO UNITÀ MISURA VALORE Tipologia [-] CSTR Numero digestori [n ] 2 Volume totale lordo [m 3 ] Volume totale netto [m 3 ] Carico organico volumetrico (COV) [kg SV/m 3 /giorno] 2,3-2,5 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [giorni] Tab. 4 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI EFFLUENTI AVVIATI A DIGESTIONE ANAEROBICA E DEL DIGESTATO PRODOTTO. TIPOLOGIA DI EFFLUENTE ph ST SV NTK N-NH4+ [-] [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] [mg/kg] [%NTK] Miscela media al carico 7, ,3 83, , ,9 Digestato tal quale 7,82 56,36 40,86 72, , ,4 Digestato chiarificato 7,94 45,9 29,18 63, , ,6 Digestato solido separato 8, , , ,2 11

11 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Digestione anaerobica a colture dedicate CLAUDIO FABBRI, SAMI SHAMS-EDDIN, FILIPPO BONDI, SERGIO PICCININI - Crpa Spa, Reggio Emilia - Azienda Cominello, Volta Mantovana (MN) Fin dalla sua nascita il mercato del biogas non ha avuto uno sviluppo omogeneo sul territorio nazionale, ma si è concentrato in particolare in Lombardia, Piemonte, Veneto ed Emilia-Romagna. Il più delle volte si è trattato di aziende agricole che hanno convertito la propria produzione di cereali da granella alla produzione di energia, ma ci sono stati anche casi di aziende zootecniche che hanno ampliato la propria superficie agricola coltivata per coniugare le due attività. L impianto di Volta Mantovana Tra queste l azienda agricola Cominello di Volta Mantovana (MN), che ha realizzato un impianto di digestione anaerobica alimentato a colture dedicate e sottoprodotti agroindustriali, nel quale confluiscono matrici da circa 180 ha dei diversi soci agricoltori, oltre che da ulteriori 150 ha di fornitori non soci. L impianto è entrato in produzione nel settembre L impianto di produzione di biogas è costituito da due digestori primari completamente miscelati e riscaldati per operare in mesofilia del volume utile di circa m 3 cadauno, connessi con due tramogge automatiche su celle di carico che provvedono al caricamento degli insilati di mais a intervalli di tempo prefissati (tabella 1). Il digestato uscente dai reattori primari viene pompato nel reattore secondario di m 3 e da qui alle vasche di stoccaggio finale coperte (due vasche da m 3 ). Il volume lordo totale dedicato direttamente al processo di digestione anaerobica è pari a m 3 (7.280 m 3 utili), il volume di stoccaggio (6.760 m 3 lordi), invece, viene utilizzato nella digestione limitatamente al periodo in cui il digestato è presente. Nei momenti di massima presenza di digestato in im- Tab. 1 - CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DELL IMPIANTO. PARAMETRO UNITÀ MISURA VALORE Tipo di reattore (1) CSTR Numero digestori n 3 Volume totale lordo m Volume totale netto m Volume di stoccaggio del digestato m Temperatura di processo C Tempo ritenzione idraulica (2) giorni Potenza elettrica installata CHP(3) kw 999 (1) CSTR: reattore completamente miscelato e riscaldato (2) considerando il solo carico di biomasse solide (insilati) e escludendo il volume delle vasche di stoccaggio; (3) CHP: cogeneratore. 12

12 pianto, di conseguenza, il volume di processo è pari a m 3 lordi ( m 3 netti), equivalenti a 13,5 m 3 /kwe installato. Tutte le vasche realizzate, comprese quelle di stoccaggio, sono dotate di copertura gasometrica a doppio telo con sostentamento pneumatico a pressione differenziata. Per l utilizzo del biogas prodotto e raffinato viene utilizzato un cogeneratore da 999 kwe. Lo stoccaggio delle colture dedicate (prevalentemente insilato di mais) viene fatto in tre trincee di cemento armato costruite in opera. Verifica dell efficienza Presso l impianto dell azienda Cominello il Crpa ha realizzato un programma di monitoraggio per verificare l efficienza di conversione delle biomasse utilizzate, ma anche per rilevare i principali parametri di funzionamento dell impianto e individuare eventuali problemi gestionali. Il periodo considerato è stato di quello compreso fra l avvio dell impianto (settembre 2009) e la fine di novembre 2010, per un totale di 457 giorni di lavoro ovvero ore. In questo lasso di tempo l impianto ha prodotto MWhe. Gli autoconsumi (tabella 2) per il funzionamento dei cogeneratori e dei digestori sono stati pari a 947 MWhe, equivalenti al 9,2% della produzione lorda. La potenza media prodotta, calcolata sulle 24 ore, è stata di 944 kwe, pari al 94,4% della potenza installata del cogeneratore. In figura 1 viene riportato l andamento del- FIG. 1 - POTENZA ELETTRICA PRODOTTA NEL PERIODO MONITORATO. FIG. 2 - RIPARTIZIONE DEI SOLIDI VOLATILI CARICATI NELL IMPIANTO PER TIPOLOGIA DI MATRICI ORGANICHE. Tab. 2 - SINTESI DEI PARAMETRI DI PRODUZIONE ENERGETICA DELL IMPIANTO NEL PERIODO DI MONITORAGGIO (15 MESI) E PER ANNO. PARAMETRO UNITÀ DI MISURA PERIODO MONITORATO (15 MESI) PER ANNO Produzione lorda energia elettrica MWh Potenza elettrica media prodotta kw percentuale della potenza installata % 94,4 94,4 Autoconsumo ausiliari cogeneratore MWh percentuale della produzione lorda % 3,8 3,8 Autoconsumo impianto digestione MWh percentuale della produzione lorda % 5,4 5,4 Produzione di energia elettrica vendibile MWh

13 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ la produzione della potenza elettrica totale giornaliera dell impianto. Rapportando i valori monitorati all arco temporale annuale, la produzione elettrica lorda è risultata pari a MWhe (equivalente ad un funzionamento giornaliero del cogeneratore a pieno carico di 22,6 h), mentre la produzione netta vendibile è stata di MWhe. Carico della biomassa nelle tramogge dosatrici. Mediamente sono state caricate 50,3 t di matrici organiche ( t/anno, per il 95% da insilati (ST) è possibile calcolare una conversione dei solidi di mais), equivalenti a 16,7 t/giorno di solidi volatili volatili in biogas pari al 78%. La resa di conversione (6.095 t SV/anno). In tabella 3 sono riportate le caratteristiche chimiche medie del digestato: considerando corrispondente a 331 Nm 3 /t SV di metano (212 Nm 3 biologica delle biomasse è stata pari a 638 Nm 3 /t SV, la percentuale di solidi volatili (SV) sui solidi totali biogas/t di biomassa). Vista aerea dell impianto di digestione anaerobica. 14

14 Conclusioni Nel caso degli impianti alimentati prevalentemente a colture energetiche, la costanza del prodotto permette di costruire impianti affidabili anche se più complessi e con esigenze di competenze sia ingegneristiche che biologiche importanti. Nel caso preso in esame le rese di trasformazione della sostanza organica caricata è risultata molto vicina ai valori riscontrabili in letteratura: a fronte di un carico complessivo di t/anno (6.095 t SV/anno) la produzione di biogas è risultata pari a Nm 3 /anno ( Nm 3 metano/anno). In termini specifici ciò ha comportato una resa di conversione biologica di 638 Nm 3 biogas/t SV con una percentuale di metano del 51,8% che porta ad una resa in metano di 331 Nm 3 /t SV. Non sono mancati problemi di carattere impiantistico e gestionale: le problematiche maggiori sono state legate alle coperture, all allestimento del gruppo di cogenerazione e alla gestione biologica. L adozione del monitoraggio continuo attraverso la registrazione di tutti i parametri funzionali e di carico, nonché delle caratteristiche chimiche del digestato, hanno consentito di gestire in modo ottimale l impianto. L esperienza maturata nella conduzione ha fornito, inoltre, gli elementi per redigere una programma di controlli ispettivi e di manutenzione preventiva e predittiva dell impianto, anche con l adozione di un protocollo di valutazione della qualità dei trinciati che ha permesso di ridurre al minimo la variabilità della produzione. Tab. 3 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEL DIGESTATO NELLE DIVERSE SEZIONI DELL IMPIANTO. PARAMETRO UNITÀ DI MISURA FM1 FM2 FM3 SF ph - 7,8 7,77 7,91 7,92 ST g/kgtq 88,7 88,1 82,3 73,3 SV g/kgtq 72,4 72,1 68,18 57,8 %ST 81,7 81,8 82,8 78,8 NTK mg/kgtq %ST 4,89 5,57 6,07 6,81 N-NH4+ mg/kgtq %NTK 45,4 40,1 42,8 51,7 FM1 e FM2: digestori primari, FM3: postfermentatore, SF: stoccaggio Tab. 4 - INDICI DI EFFICIENZA PRODUTTIVA DELL IMPIANTO. INDICE UNITÀ DI MISURA VALORE Carico organico volumetrico (COV) kgsv/m 3 digestore/giorno 2,29 Tempo di ritenzione idraulica giorni 138 Resa specifica di conversione in biogas Nm 3 /t SV 638 Nm 3 /t tal quale 221 Resa specifica di conversione in metano Nm 3 /t SV 331 Nm 3 /t tal quale 114 Percentuale metano % 51,8 Produzione gas per unità di volume di digestione (GPR) Nm 3 /m 3 digestore/giorno 1,36 Resa specifica di conversione in energia elettrica kwhe/kgsv 1,37 15

15 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Le rese in biogas del sorgo e del mais MARIANGELA SOLDANO, NICOLA LABARTINO - Crpa Spa, Reggio Emilia utilizzo delle colture energetiche nella filiera del biogas, L con relativa conversione in energia elettrica, è diventato una realtà consolidata soprattutto nelle aree agricole ad elevata vocazione produttiva cerealicola, in cui la zootecnia è poco rappresentativa. Allo stato attuale l insilato di mais rappresenta la coltura più utilizzata negli impianti di codigestione anaerobica grazie all elevato valore energetico, all ottimo equilibrio tra la quantità di amido e fibra e alle eccellenti conversioni in biogas. La conversione in biogas delle colture dedicate dipende principalmente dalla specie e ibrido/varietà utilizzata, dal periodo di raccolta, dalla corretta applicazione della tecnica di insilamento e, quindi, dal contenuto di nutrienti presenti nella coltura. L utilizzo del mais trinciato integrale per la produzione di biogas, tuttavia, soffre di alcune limitazioni che vanno dalla sua elevata esigenza di mezzi tecnici, irrigui in primis e nutrizionali in secondo luogo, e di concorrenza con altri usi, zootecnici per la produzione di latte e carne ma anche umani. L individuazione di una coltura alternativa al mais rappresenta da sempre un obiettivo di tutti i gestori di impianti di biogas che devono fare i conti con la terra disponibile per gli approvvigionamenti e la quantità di metano necessario ad alimentare i propri cogeneratori. Se tutte le pratiche agronomiche e gestionali citate sopra vengono attuate correttamente, il sorgo può rappresentare una valida alternativa al mais negli impianti di biogas, soprattutto in virtù dei suoi positivi aspetti agronomici e colturali. Questa coltura, infatti, ha un elevata resistenza alla siccità e una buona capacità di utilizzare l acqua e l azoto disponibile nel terreno, nonché una quasi totale assenza di parassiti che possono comprometterne il risultato produttivo. Il suo uso, quindi, risulta molto interessante nei comprensori non irrigui o che si caratterizzano per un costo elevato dell acqua (Bortolazzo et al, Agricoltura n. 89/2009). Naturalmente, anche il sorgo ha alcune caratteristiche che ne limitano la diffusione: facilità di allettamento quando seminato con densità non appropriata o concimato con Tab. 1 - CARATTERISTICHE CHIMICHE MEDIE E DEVIAZIONE STANDARD DEL SILOMAIS CARICATO NEI DIGESTORI. ph ST SV NTK TOC [C/N] P TOT K [-] [g/kg tq] [g/kg tq] [% ST] [mg/kg tq] [% st] [% ST] [-] [mg/kg tq] [% ST] [mg/kg tq] [% ST] SILOMAIS Media 3,3 305,1 291,4 95, ,8 1,2 46,15 39,75 557,9 0, ,88 Dev.ST 0,0 46,1 45,3 0,5 32,9 0,0 4,0 4,6 43,6 0,0 83,4 0,0 SILOSORGO Media 3,8 317,7 289,3 91, ,3 0,8 45,2 59,05 508,2 0, ,5 1,95 Dev.ST 0,0 7,1 4,9 0,6 761,9 0,3 3,0 15,6 25,7 0,1 27,6 0,1 ST: sostanza secca; SV: sostanza organica; NTK: azoto totale; TOC: carbonio organico; C/N: carbonio/azoto; P tot: fosforo totale; K: potassio. 16

16 troppo azoto, ridotta produzione in carenza di acqua e contenuto amidico inferiore e scelta varietale molto più limitata rispetto al mais, suo diretto concorrente. I cicli di analisi del Crpa Lab Allo scopo di valutare e confrontare i rendimenti in biogas e, quindi, energetici del silosorgo e del silomais, il Crpa - attraverso il proprio laboratorio specialistico Crpa Lab - ha attivato una serie di prove di digestione anaerobica. L attività ha riguardato l esecuzione di tre cicli di analisi del potenziale metanigeno dei due insilati, della durata di 50 giorni circa ciascuno; la prova è stata effettuata in minidigestori da laboratorio alimentati in continuo (foto a lato), di volume totale pari a 23 litri, miscelati e riscaldati, con misura in continuo della quantità di biogas prodotto (metodo manometrico) e misura discontinua della qualità del biogas. La metodologia applicata ha permesso, quindi, di valutare le rese effettivamente ottenibili in impianti in scala reale e di controllare le condizioni di processo. Il mais e il sorgo sono stati campionati presso due distinte aziende agricole e sono stati insilati tramite minisilo-bag, introducendo quantitativi di circa 1 kg di prodotto in sacchetti sottovuoto e conservando gli stessi al buio in camera termostatata a 26 C. Con questa metodica si annullano di fatto le perdite per percolamento e, quindi, le perdite di potenziale produttivo delle matrici, ottenendo al contempo una matrice omogenea durante tutto il ciclo di prova. Impianto di digestione anaerobica in continuo localizzato presso il laboratorio biogas del CRPA Lab. Il sorgo zuccherino utilizzato durante i test appartiene alla varietà Sucro 405, di particolare interesse per gli usi energetici data la maggiore dotazione di zuccheri semplici rispetto ad altre varietà. Le matrici, dopo l insilamento, sono state caratterizzate chimicamente per ciascun ciclo e in tabella 1 viene riportata l analisi media per i tre cicli di prova. Le due biomasse sono state utilizzate in miscela con un liquame bovino proveniente da un allevamento di bovini da latte. Per la co-digestione con effl uenti è stata scelta questa tipologia di effluente, in quanto più comunemente impiegata in codigestione con biomasse vegetali negli impianti aziendali e perchè ricca di tutti i micronutrienti importanti per un giusto sviluppo della flora microbica. Per valutare la produzione di biogas della componente liquame presente in 17

17 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ entrambe le miscele con insilati sono state condotte altrettante prove di digestione con il solo liquame. La temperatura di conduzione è sempre stata nell ambito mesofilo (38-39 C), i tempi di ritenzione per le due tesi sono stati di 50 giorni, mentre il carico organico volumetrico (quantità di solidi volatili o sostanza organica caricata per metro cubo di digestore e per giorno) è stato pari a 1,85 kg SV/m 3 /giorno (56% da liquame e 43% da insilato). I valori medi di produzione, elaborati per depurare dalla produzione di biogas l apporto a carico dei solidi volatili del liquame, ottenuti dai test, hanno indicato: per il silomais: una resa pari mediamente a 745 Nm 3 biogas/kg SV (393 Nm 3 metano/kg SV pari al 52,7%; per il silosorgo: una resa pari mediamente a 732 Nm 3 /kg SV (387 Nm 3 metano/kg SV). Nella figura 1 è riportato un esempio di periodo di rilevamento durante il quale si evidenzia l andamento della velocità di produzione volumetrica, ovvero il volume di biogas prodotto per unità di volume di digestore e per giorno per le due miscele testate. Si osserva che i trend di produzione sono piuttosto simili, allineati nel tempo e dell ordine di 1,57 m 3 biogas/ m 3 /digestore giorno per la miscela liquame bovino + silomais e 1,65 m 3 biogas/m 3 /digestore giorno per la miscela liquame bovino + silosorgo. I rendimenti a confronto I risultati emersi dai test del potenziale metanigeno hanno evidenziato, quindi, rendimenti in biogas e in metano dell insilato di sorgo del tutto simili a quelli dell insilato di mais. Fondamentale per l ottenimento di questi risultati è stata la costanza nelle caratteristiche degli insilati caricati nell impianto di laboratorio e la qualità dei prodotti. Ovviamente, sui risultati di laboratorio hanno inciso in modo determinante la buona conservazione dei prodotti stessi, che ha permesso di mantenerne praticamente inalterato il contenuto energetico, ma anche il buon mix con gli effluenti zootecnici che ha garantito un ottimale equilibrio fra acidità organica e alcalinità, il giusto apporto di macro e micronutrienti e l assenza di fenomeni inibenti. In definitiva, il sorgo è una coltura molto interessante come biomassa di sostituzione/integrazione per la produzione di biogas, che si predispone bene all insilamento e alla fermentazione - a patto che venga raccolta al giusto grado di maturazione e di umidità - che ha un elevata rusticità, una buona produzione e un potenziale energetico del tutto confrontabile a quello del mais. La sua idoneità all uso nella filiera del biogas, quindi, è garantita purché vengano rispettate le condizioni in azienda di un insilamento di prima qualità, che ne riduca la variabilità e le perdite per percolamento, e adeguate condizioni di processo di digestione anaerobica, quali un giusto tempo di ritenzione idraulica e di carico organico giornaliero. FIG. 1 - PRODUZIONE DI BIOGAS PER UNITÀ DI VOLUME UTILE DI DIGESTORE PER GIORNO. Biogas/volume utile digestore [dm 3 /dm 3 /gg] Giorni di prova 18

18 Utilizzo della separazione Il digestato è il frutto di una serie molto complessa di reazioni che - seppur non variando in modo significativo il quantitativo di azoto introdotto nel digestore - ne modificano la composizione. Durante il processo di digestione anaerobica, infatti, parte della sostanza organica delle diverse forme di azoto organico viene demolita per produrre biogas, mentre il gruppo amminico ad essa legato viene liberato in soluzione sotto forma di azoto minerale (ione ammoniacale, N-NH4+); l entità di queste reazioni dipende dal tipo di composto azotato e dall efficienza del processo di digestione anaerobica. Parte dell azoto ammoniacale presente nel materiale all interno dei digestori viene allontanato con il biogas, ma tale quota rappresenta in genere non più dell 1-2% della quantità di azoto complessivamente caricato con le diverse matrici. Le quote di azoto organico e di quello ammoniacale che si ritrovano nel digestato dipendono quindi dalla dieta utilizzata per alimentare il digestore. Nel caso di impianti alimentati a soli effluenti zootecnici l azoto ammoniacale nel digestato può arrivare fino all 80-85% dell azoto totale, mentre negli impianti alimentati a sole colture dedicate tale quota arriva generalmente al 50-60%. In linea generale la gestione del digestato viene notevolmente agevolata se questo viene sottoposto a separaziosolido-liquido del digestato CLAUDIO FABBRI, SERGIO PICCININI, FABIO VERZELLESI - Crpa Spa, Reggio Emilia ne solido-liquido. Il trattamento, infatti, genera una frazione chiarificata, che contiene principalmente azoto in forma ammoniacale, e una frazione palabile caratterizzata da un elevata percentuale di sostanza organica parzialmente stabilizzata. La frazione chiarificata potrebbe essere, quindi, usata per fertilizzare le colture, in luogo del concime di sintesi, a patto che venga utilizzata in periodi coincidenti con lo sviluppo colturale e facendo in modo di limitare le emissioni gassose ammoniacali che avvengono durante la distribuzione. La frazione solida potrebbe, invece, essere valorizzata ai fini ammendanti. 19

19 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Vantaggi nella gestione degli effluenti 20 Separatore e platea di stoccaggio con solido separato. Dal punto di vista della gestione pratica degli effluenti, inoltre, la separazione solido-liquido previene i problemi di flottazione superficiale delle frazioni sospese (il caratteristico cappello ) negli stoccaggi e/o la sedimentazione sul fondo delle vasche, che nel tempo ne riduce la capacità di contenimento, cioè il volume utile. L interesse per l implementazione di questa tecnologia negli impianti a biogas è elevato, ma lo sviluppo contrasta con la problematica della destinazione d uso dell azoto introdotto nel sistema. L attuale tecnologia di produzione di biogas, infatti, comporta spesso la realizzazione di impianti che prevedono l aggiunta di biomasse (insilati di cereali e/o sottoprodotti agroindustriali) con elevati tenori di azoto, che incrementano significativamente il quantitativo di azoto al campo che i gestori degli impianti si trovano a dovere distribuire. Ciò potrebbe compromettere o ridurre in modo significativo la fattibilità di impianti di questo tipo nelle aziende con limitata disponibilità di terreno per l utilizzo agronomico della frazione chiarificata. In uno studio condotto dal Crpa sull utilizzo della separazione solido-liquido con le macchine più comunemente utilizzate in questo settore (sistemi a compressione elicoidale), sono stati analizzati i principali fattori che influiscono sull efficienza di separazione. Questa viene convenzionalmente espressa come la quota parte del singolo elemento (peso, azoto totale, azoto ammoniacale, solidi totali, ecc.) che viene separata/segregata nella frazione solida/addensata rispetto alla quantità dello stesso elemento avviata al trattamento. Le prove hanno riguardato tre distinti impianti di biogas caratterizzati da diversi mix di alimentazione (colture dedicate + sottoprodotti vegetali e animali; solo colture dedicate; colture dedicate + sottoprodotti vegetali) e compressore elicoidale. La compressione elicoidale lavora sul principio fisico della filtrazione per compressione attraverso un cestello forato e di fatto consente di trattenere soprattutto la frazione più fibrosa e particellare di media/grossa dimensione a cui è legata la frazione di azoto organico, mentre la frazione di azoto ammoniacale, soluta come ione minerale nella frazione liquida, filtra attraverso i fori del cestello. Di conseguenza, quanto maggiore è la diluizione del prodotto, minore la dimensione delle particelle e maggiore la quantità di azoto ammoniacale in relazione alla quantità di azoto totale, tanto minore è l efficienza di separazione che la macchina è in grado di esercitare. Diversi gradi di efficienza Sulla base delle risultanze analitiche è stato possibile desumere che le efficienze di separazione differiscono in modo considerevole quando le stesse macchine sono applicate a digestati di caratteristiche chimico-fisiche diverse: l efficienza di separazione in peso passa dal 16,3%, media per digestati molto densi al 9,2% di solidi totali e derivanti da sole colture dedicate, al 6,1% quando derivanti da digestati al 5,9% di solidi totali prodotti con colture dedicate e sottoprodotti animali e vegetali; l efficienza di separazione dei solidi totali, allo stesso modo, si riduce dal 39,9 al 22%, così come l efficienza di separazione dei solidi volatili che passa dal 46,9 al 26,7%: la riduzione dell efficienza è dell ordine del 45% per i solidi totali e del 43% per i solidi volatili;

20 in merito all azoto totale, le differenze nella miscela al carico e le relative caratteristiche chimiche hanno un duplice effetto in quanto viene ridotta contemporaneamente sia l efficienza di separazione dei solidi totali, e quindi dell azoto organico, sia dell azoto ammoniacale: l efficienza di separazione passa dal 18,4 al 7,3% con una riduzione del 60% circa; l efficienza di separazione dell azoto ammoniacale passa dal 14,1 al 4,9% con una riduzione del 65%; l efficienza di separazione del fosforo passa dal 38,5 al 19,6% con una dinamica del tutto simile a quella dei solidi totali, mentre l efficienza di separazione del potassio passa dal 14,6 al 4,3% con una dinamica simile a quella dell azoto ammoniacale. Ciò, ovviamente, a causa del fatto che il fosforo è legato principalmente alla presenza di solidi totali, mentre il potassio è soluto in soluzione acquosa al pari dell azoto ammoniacale. In definitiva, il monitoraggio di differenti macchine funzionanti in diverse condizioni operative ha permesso di ricavare una serie di curve di efficienza. Dall elaborazione dei dati sono emersi alcune importanti considerazioni ed elementi utili per la progettazione e la gestione degli impianti di digestione anaerobica: l alimentazione dell impianto influenza in modo determinante le caratteristiche chimiche e fisiche del digestato e questo, a sua volta, l efficienza di separazione dei diversi elementi chimici; FIG. 1 - EFFICIENZA DI SEPARAZIONE IN PESO IN FUNZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI SOLIDI TOTALI PRESENTI NEL DIGESTATO AVVIATO AL TRATTAMENTO. Efficienza separazione peso Efficienza separazione azoto totale Solidi totali (g/kg) FIG. 2 -EFFICIENZA DI SEPARAZIONE DELL AZOTO TOTALE IN FUNZIONE DELL EFFICIENZA DI SEPARAZIONE DEI SOLIDI TOTALI. Efficienza separazione solidi totali l efficienza è direttamente proporzionale al contenuto di solidi totali e di azoto totale (figure 1 e 2); all aumentare del contenuto di azoto ammoniacale l efficienza di separazione dell azoto sia totale che ammoniacale si riduce a causa dell elevata solubilità di questo composto; la separazione del fosforo segue le dinamiche della separazione dei solidi totali, mentre la separazione del potassio segue la dinamica della separazione dell azoto ammoniacale. 21

21 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Biogas e Parmigiano-Reggiano: una coesistenza possibile? PAOLA VECCHIA, SERGIO PICCININI - Crpa Spa, Reggio Emilia Negli ultimi mesi il dibattito sulle opportunità e sulle problematiche che derivano dall installazione di digestori anaerobici per la produzione di biogas nel comprensorio del Parmigiano-Reggiano è stato particolarmente acceso. Le questioni che legano biogas e formaggio Dop sono, a questo proposito, essenzialmente dovute al timore di un aumento della contaminazione con spore di clostridi degli ambienti di produzione del latte, a seguito della produzione e utilizzazione di insilati negli impianti di biogas in associazione a effl uenti zootecnici e al relativo spandimento dei digestati sui terreni a foraggere destinate all alimentazione delle bovine da latte. Altri aspetti di preoccupazione riguardano la produzione di essenze vegetali da orientare alla produzione di biogas e le possibili turbative in termini di disponibilità e di prezzo degli alimenti zootecnici. Con delibera dell Assemblea legislativa n. 51 del 26 luglio 2011 la Regione Emilia-Romagna ha definito le disposizioni per la localizzazione degli impianti che producono energia elettrica a partire da fonti energetiche rinnovabili (eolica, da biogas e idroelettrica). Per quanto riguarda gli impianti di biogas, vengono stabiliti livelli di attenzione particolari per il territorio di produzione del Parmigiano-Reggiano e per le zone di coltivazione dei prati stabili. Il territorio di produzione del Parmigiano-Reggiano è considerato non idoneo all installazione di impianti di produzione di energia da biogas e produzione di biometa- 22

22 no «qualora gli impianti utilizzino silomais o altre essenze vegetali insilate, fatto salvo il caso in cui l utilizzazione agronomica del residuo del processo di fermentazione (digestato), tal quale o trattato, avvenga in terreni ubicati all esterno del medesimo comprensorio». Il problema dei clostridi La microflora legata agli ambienti di produzione del latte rappresenta un elemento fondamentale di caratterizzazione e di qualificazione dei formaggi a denominazione d origine, ma altrettanto significativamente può influenzarne negativamente gli andamenti maturativi e quindi la qualità, in modo particolare quella del Parmigiano-Reggiano in quanto prodotto senza l ausilio di additivi per il controllo dello sviluppo microbico. Il controllo della contaminazione ambientale da spore di Clostridium (componente batterica particolarmente dannosa per le produzioni casearie con grave deprezzamento del prodotto) in aziende che producono latte per Parmigiano-Reggiano è da molto tempo oggetto di prescrizioni da parte del disciplinare di produzione. I clostridi sono batteri anaerobi e sporigeni (formano all interno della cellula vegetativa un endospora). Le spore, resistenti al calore, a radiazioni e a diversi agenti chimici, mantengono a lungo la possibilità di germinare e dar luogo a nuove cellule vegetative quando si presentano condizioni ambientali idonee. Questi batteri sono ubiquitari e possono essere isolati 23

23 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ dal suolo, dall acqua, dalla polvere, da sedimenti, da feci, da materiale in decomposizione, ecc. La diffusione dei clostridi nella filiera latte segue uno schema preciso: le spore presenti nelle produzioni vegetali imbrattate di terra influenzano la quantità di quelle degli alimenti conservati; il numero di spore negli alimenti condiziona quello nelle feci, che inevitabilmente contaminano l ambiente di allevamento, gli animali, gli impianti di mungitura e di conseguenza il latte; le feci, a loro volta, tornando come concimi organici al terreno, restituiscono spore al suolo e possono indurre anche un aumento del loro numero. La presenza di spore negli alimenti zootecnici è, quindi, la base della contaminazione del processo di produzione del latte. La presenza di spore nel latte è strettamente legata al numero di spore presenti nelle feci, che generalmente sono più di quante ne siano state ingerite dalle bovine con l alimento. Clostridium tyrobutyricum è la specie più comune nei formaggi difettosi; meno frequenti C. butyricum, e C. sporogenes. I primi due fermentano i carboidrati e l acido lattico, producendo acido butirrico, anidride carbonica e idrogeno. Il terzo è responsabile di degradazioni putrefattive dei composti azotati, liberando acidi organici, anidride carbonica e composti maleodoranti. La produzione di gas determina gonfiore, occhiature e spaccature della pasta del formaggio. La produzione di acidi organici e l attività proteolica portano, invece, ad alterazioni di sapore e aroma. La ricerca di ottimali condizioni nella pasta del formaggio e alcune pratiche da adottare sia in azienda che in stalla possono limitare fortemente i danni, ma non eliminare il problema. Pertanto i clostridi svolgono un ruolo fondamentale negli impianti di digestione anaerobica contribuendo all idrolisi dei composti organici e alla produzione delle molecole base utilizzate dai metanobatteri per la produzione di metano. 24

24 Il contenuto di spore nel digestato Nel 2009 il Crpa ha condotto una sperimentazione, finanziata dalla Regione Emilia-Romagna con il contributo del Consorzio del Parmigiano-Reggiano, tesa a verificare gli effetti del processo di digestione anaerobica sulla presenza di spore di Clostridium introdotte negli impianti di biogas tramite liquami bovini tal quali o addizionati di altre frazioni fermentescibili. La sperimentazione nasceva dall esigenza di non perdere un opportunità economica importante anche per le aziende zootecniche da latte rappresentata dalla produzione di energia da fonti rinnovabili, alla luce però della necessità di verificarne la compatibilità con la qualità microbiologica dell ambiente di produzione del latte per Parmigiano-Reggiano. All avvio della sperimentazione non erano disponibili risultati di ricerche orientate a definire l entità della presenza delle spore di clostridi nei reflui di impianti di produzione di biogas da co-digestione; per contro, era viva la preoccupazione che tali batteri anaerobi, naturalmente presenti, potessero trovare negli impianti condizioni favorevoli al loro sviluppo e che l utilizzazione agronomica dei digestati potesse contribuire ad aumentare la contaminazione ambientale da parte di questi batteri. Allo scopo sono stati condotti tre cicli di digestione anaerobica in reattori da laboratorio che simulano il processo di produzione del biogas come avviene in scala reale. Ogni ciclo ha visto l utilizzazione contemporanea di tre reattori; le matrici in ingresso dei reattori, per ognuno dei cicli, sono state: liquame bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano-Reggiano tal quale; liquame bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano-Reggiano addizionato con insilato di mais; liquame bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano-Reggiano addizionato con insilato di sorgo. Ogni ciclo, condotto in mesofilia (38-39 C), ha avuto una durata di 90 giorni (start-up di 30 giorni, più un periodo di prova vero e proprio di 60 giorni). La composizione chimica e il profilo fermentativo dei materiali impiegati per alimentare i digestori, insilati ed effluenti zootecnici hanno mostrato valori normali. La resa in biogas è stata quella attesa e maggiore per le miscele liquame-insilato rispetto al solo liquame. An- 25

25 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ che i digestati ottenuti hanno mostrato caratteristiche normali in base alla tipologia dei materiali utilizzati in ingresso, a testimonianza di un regolare svolgimento dei processi fermentativi e di metanogenesi. Confrontando il contenuto di spore rilevato nelle tre tipologie di digestato non si sono rilevate differenze statisticamente significative fra il contenuto di spore dei digestati del reattore liquame+silomais e quello dei digestati del reattore liquame+silosorgo: l insilato di mais e di sorgo, addizionati al liquame, hanno condizionato allo stesso modo il contenuto di spore nei digestati. La differenza è stata significativa, invece, fra contenuto di spore dei digestati dei reattori liquame+silomais e liquame+silosorgo e quello dei digestati del reattore con solo liquame: i digestati provenienti da solo liquame hanno presentato un numero di spore più basso. Facendo un bilancio delle spore in ingresso e in uscita dai digestori si è rilevato che l aumento delle spore nel digestore solo liquame non è significativo, mentre lo è quello che si realizza nei digestori liquame-solomais e liquame-silosorgo. Conclusioni Alla domanda se le spore di clostridi aumentano oppure no nei digestati in uscita dagli impianti di biogas rispetto a quelle presenti nei materiali in ingresso, la sperimentazione condotta consente di rispondere che le spore aumentano nei digestati provenienti da digestori alimentati con insilati e liquame, mentre non aumentano nei digestori alimentati con solo liquame. I risultati ottenuti danno conto dell attenzione che deve essere posta nello sviluppo di una pratica innovativa che può portare ad un arricchimento in spore del materiale organico destinato ad essere utilizzato come concime. Ciò avvalora le ragioni alla base dell adozione da parte della Regione Emilia-Romagna del principio di precauzione, volto a evitare un accumulo di spore nel ciclo produttivo del Parmigiano-Reggiano. D altra parte, sono indiscutibili le potenzialità tecniche ed economiche del recupero di biogas nel settore zootecnico da latte. Per questo motivo si auspica da più parti un supplemento d indagine, volto ad ampliare e verificare in campo i risultati ottenuti nella sperimentazione di laboratorio, per meglio delineare i limiti della coesistenza fra produzione di Parmigiano-Reggiano e produzione di biogas e definire l effettiva possibilità di una integrazione sinergica delle due filiere: valutando, ad esempio, l uso di matrici alternative agli insilati o la possibilità di attenuare la carica clostridica dei digestati mediante opportune modalità di gestione degli impianti e degli effl uenti. 26

26 Progettazione e gestione: le prove di laboratorio MARIANGELA SOLDANO, GIUSEPPE MOSCATELLI, CLAUDIO FABBRI - Crpa Spa, Reggio Emilia Per dimensionare e gestire correttamente un impianto per la produzione di biogas è necessario tener conto del potenziale metanigeno delle biomasse utilizzate. Occorre considerare, infatti, che solo una parte di esse, i solidi volatili degradabili, viene convertita in biogas. La quota di prodotto che non viene convertita costituisce il cosiddetto digestato, che deve poi essere stoccato e possibilmente utilizzato agronomicamente. La filiera biogas, di fatto, è praticamente l unica filiera bioenergetica in cui un residuo del processo produttivo è così fortemente vincolante in termini gestionali, normativi ed economici. La quantità di digestato, la volumetria dei bacini di stoccaggio, il quantitativo di azoto da gestire e, in definitiva, i suoi costi di gestione dipendono dalle caratteristiche di reattività delle biomasse scelte. A parità di metano prodotto, le quantità di digestato e/o di azoto da gestire possono andare da 1 a volte, passando da impianti alimentati a colture energetiche ad impianti alimentati ad effluenti zootecnici. Conoscendo, inoltre, le quantità di biomasse disponibili in azienda o reperibili sul mercato e il relativo potenziale metanigeno è possibile definire sia il corretto dimensionamento delle volumetrie dell impianto di biogas che i costi di approvvigionamento, prima voce di spesa nella conduzione di un impianto di digestione anaerobica quando si usano biomasse dedicate. La valutazione del potenziale è, inoltre, particolarmente importante quando si considera di introdurre nella dieta dell impianto sottoprodotti di origine agroindustriale, che, per definizione, hanno una composizione chimica molto variabile - oltre che da fornitore a fornitore - anche nel tempo. Esistono diversi sistemi di determinazione del potenziale metanigeno: con analisi chimica, con metodo statico (o in batch) e con metodo dinamico. La scelta di applicare un metodo piuttosto che un altro dipende essenzialmente dalle finalità e dall importanza che ha la misura. Nel corso del 2011 il Crpa, con la propria struttura Crpa Lab, ha realizzato un apparato per la valutazione del potenziale metanigeno con metodo statico, che si affianca a quello già esistente per la valutazione del potenziale metanigeno con metodo dinamico. Il laboratorio nasce con l obiettivo di fornire supporto alle imprese di costruzione e ai gestori di impianti per sviluppare proprie tecnologie di produzione di biogas e verificare le performance produttive delle diverse matrici utilizzabili per produrre biogas. CRPA Lab è un laboratorio dedicato alla ricerca industriale rivolto ai settori dell agroalimentare, dell ambiente e dell energia. CRPA Lab ha avuto il sostegno finanziario della Regione Emilia-Romagna (POR FESR ) ed è insediato nel Tecnopolo di Reggio Emilia. CRPA Lab è una divisione di CRPA Spa. 27

27 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ Il potenziale metanigeno (BMP) L elemento di base che maggiormente influenza qualunque tipo di analisi, e dal quale gli studi di fattibilità per la realizzazione di un impianto di digestione anaerobica devono partire, è rappresentato dalla conoscenza del Potenziale Metanigeno Biochimico o BMP (dall inglese Biochemical Methane Potential). Questo parametro esprime la quantità di biogas/metano massimo potenzialmente ottenibile dalla degradazione di una biomassa ed è espresso come Nm 3 / kg SV, ovvero normal metri cubi di biogas per kg di solidi volatili ovvero di sostanza organica. Accanto al volume di biogas producibile, l analisi deve sempre riportare anche la percentuale di metano presente nel biogas, in quanto è questo il combustibile utile per la conversione energetica. Dispositivo per la determinazione del BMP con test statico progettato dal Crpa. 28 Il metodo statico del Crpa Lab L analisi del BMP con metodo statico viene condotta in laboratorio cercando di simulare in un ambiente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico. La biomassa da valutare viene dapprima analizzata e poi miscelata ad un inoculo affamato, cioè un substrato organico predigerito e proveniente da un impianto che possibilmente stia già utilizzando la biomassa da valutare, e ad una soluzione di sali (per tamponare la produzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consorzio batterico). La miscela viene riposta in un piccolo digestore, tipicamente una bottiglia da ml, la cui forma dipende dalla tipologia di prodotto da analizzare, e posizionata in un ambiente termostatato in cui viene mantenuta costante la temperatura di processo. Accanto al digestore utilizzato per la conduzione della prova, occorre prevedere la conduzione di un test con il solo inoculo, in modo da poter sottrarre alla produzione di biogas della miscela l effetto di produzione residua dell inoculo stesso. Il processo si innesca rapidamente, grazie alla presenza della flora microbica che si trova nell inoculo, e la produzione di biogas inizia sin dai primi giorni del test. La curva di produzione cumulativa di biogas presenta, normalmente, una prima parte di crescita intensa per poi ridurre la velocità di produzione, in una seconda fase, fino a tendere nell ultima parte ad un asintoto orizzontale, che rappresenta il

28 Dettaglio dei reattori della digestione anaerobica. FIG. 1 - SCHEMA DI PRINCIPIO DEL DISPOSITIVO REALIZZATO DA CRPA LAB. valore massimo di produzione. Il dispositivo realizzato dal Crpa Lab dispone di 32 reattori indipendenti e dotati ciascuno di una propria linea di raccolta del gas (figura 1). Vista l importanza che ha la determinazione della quantità di gas sviluppato, il dispositivo è stato realizzato con un doppio di sistema di misura in serie: manometrico e massico. Il gas prodotto nel reattore viene misurato continuamente e direttamente all interno del digestore analizzando l incremento di pressione nello spazio di testa con metodo manometrico (la produzione di gas è direttamente proporzionale all incremento di pressione nello spazio di testa del digestore). Ogni volta che la pressione del gas raggiunge una soglia preimpostata, una valvola si apre e il contenuto dello spazio di testa viene svuotato in un piccolo gasometro esterno. Una volta raggiunta la massa critica sufficiente a flussare l analizzatore di qualità, il biogas viene pompato attraverso un sensore massico a dispersione termica (il sensore massico a dispersione termica misura la massa di biogas fluente attraverso una correlazione con la dissipazione di calore da una superficie riscaldata, corretta per la composizione specifica del biogas analizzato). Un test per la qualità Accanto alla misura della produzione di biogas il test prevede, ovviamente, anche la determinazione della qualità del biogas prodotto. La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica del- 29

29 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ le sostanze contenute nel substrato e dai parametri fisico-chimici della prova: il contenuto di metano (CH 4 ) varia solitamente nell intervallo compreso fra il 50 e l 80% in volume, mentre il contenuto di biossido di carbonio (CO 2 ) varia nell intervallo 20-50%. Sono presenti anche basse concentrazioni di idrogeno ( ppm), ammoniaca ( ppm), idrogeno solforato ( ppm) e vari altri gas in tracce. Il test BMP statico generalmente viene prolungato fino a quando la produzione del giorno marginale è pari a più dell 1% di tutta la produzione accumulata. La misura viene fatta in continuo e la curva cumulata della produzione fornisce anche importanti informazioni in merito alla velocità di degradazione. A titolo di esempio, in figura 2 sono riportati due test BMP per due tipi di insilato di cereale: sull asse delle ascisse viene rappresentato il tempo in giorni, sull asse delle ordinate la produzione di metano. Sono evidenti le differenze dovute principalmente al tipo di frazioni fibrose della biomassa: nel primo caso il potenziale massimo viene raggiunto in circa 50 giorni, nel secondo caso dopo circa 20 giorni la produzione cessa e la curva non cresce più. In generale nel rapporto di conduzione del test devono essere riportati almeno i seguenti aspetti: descrizione del substrato; descrizione dell inoculo; descrizione della matrice di fermentazione; andamento della formazione di biogas, descrizione qualitativa del processo fermentativo con indicazione del valore percentuale di metano; potenziale metanigeno espresso come Nm 3 /kg SV, ovvero normal metri cubi per kg di solidi volatili. 30 Produzione metano (Nm 3 /t SV) FIG. 2 - TEST BMP PER DUE TIPI DI INSILATO DI CEREALE. Durata del test (giorni) Dettaglio dei gasometri di raccolta del biogas prima della misura della qualità del biogas stesso.

30 Siti e impatto ambientale: comunali che abbiano provveduto a darne attuazione. Di particolare interesse per il comparto agricolo regionale sono le disposizioni stabilite per i nuovi impianti di biogas progettati nei territori del comprensorio di produzione del formaggio Parmigiano-Reggiano e nelle zone di coltivazione dei prati stabili. I primi non sono considerati idonei qualora gli impianti utilizzino silomais o altre sostanze vegetali insilate, fatle norme in Emilia-Romagna GIUSEPPE BONAZZI, LORELLA ROSSI - Crpa Spa, Reggio Emilia ANDREA GIAPPONESI - Servizio Sviluppo Sistema Agro-Alimentare Regione Emilia-Romagna LEONARDO PALUMBO - Servizio Tutela e Risanamento Risorsa Acqua Regione Emilia-Romagna Con la delibera dell Assemblea legislativa n. 51 del 26 luglio 2011 Individuazione delle aree e dei siti per l installazione di impianti di produzione di energia elettrica mediante l utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili eolica, da biogas, da biomasse ed idroelettrica, la Regione Emilia-Romagna ha definito - in linea con quanto previsto dal decreto del ministro dello Sviluppo economico del 10 settembre 2010 Linee guida per l autorizzazione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili - alcune importanti disposizioni sulla futura localizzazione degli impianti di biogas. Si tratta di prescrizioni finalizzate ad evitare il cumolo degli impianti e la loro dispersione insediativa. A tale scopo la Regione obbliga a fare riferimento alle leggi, ai piani territoriali e urbanistici (regionali, provinciali e comunali) e ai piani settoriali, adottati o approvati. Nella stessa delibera sono elencate le aree non idonee, come le zone di particolare tutela paesaggistica, quelle perimetrate nel Piano territoriale paesistico regionale (PTPR) o nei Piani provinciali e Sistema di distribuzione del digestato a basso impatto ambientale. 31

31 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ to salvo il caso in cui l utilizzazione agronomica del residuo del processo di fermentazione (digestato), tal quale o trattato, avvenga in terreni ubicati all esterno del medesimo comprensorio. Sono considerate idonee, invece, all installazione di impianti di biogas le zone di coltivazione dei prati stabili, ricadenti nell ambito delle zone di tutela naturalistica, di cui all art. 25 del PTPR, a condizione che gli impianti siano realizzati da aziende agricole zootecniche ivi insediate e che, quando localizzati nel comprensorio di produzione del formaggio Parmigiano-Reggiano, non utilizzino silomais o altre essenze vegetali insilate. Le disposizioni relative alla localizzazione degli impianti non si applicano, tuttavia, oltre che ai procedimenti già conclusi alla data di pubblicazione del provvedimento sul Burert, anche a quelli che risultino formalmente avviati in data antecedente alla medesima pubblicazione, per effetto della presentazione dell istanza di autorizzazione unica ovvero del sostitutivo titolo abilitativo. Sono inoltre esclusi - ai soli fini localizzativi fermo restando, però, l obbligo del rispetto delle prescrizioni tecniche previste dal provvedimento - gli impianti per i quali, alla data di pubblicazione sul Burert, sia stata presentata domanda di accesso a finanziamento pubblico e quelli previsti nei progetti di sviluppo o riconversione del settore bieticolo-saccarifero. Per assicurare sul territorio regionale misure uniformi per l abbattimento delle emissioni odorigene e contemperare le esigenze di promozione della produzione di energia da fonti rinnovabili con quelle di tutela dell ambiente e riduzione degli impatti sullo stesso, la 32 Distribuzione del digestato a bande. delibera 51/11 stabilisce inoltre che la Giunta regionale provveda ad elaborare criteri tecnici nella progettazione e gestione degli impianti a biogas. L esercizio di un impianto di biogas, infatti, può determinare una serie di ricadute negative sull ambiente che vanno attentamente considerate già in fase progettuale e realizzativa. Ciò è particolarmente importante in una regione come l Emilia-Romagna dove le aree agricole in cui tali impianti sorgono possono essere disseminate di residenze sparse o anche di veri e propri aggregati di abitazioni civili. Le misure di mitigazione di questi potenziali impatti dovranno essere attentamente valutate dalla Regione e riguardare i rumori e tutte le emissioni in atmosfera di tipo diffuso e convogliato (ammoniaca, gas serra, materiale particolato, ecc.). Nello specifico, in linea con quanto previsto dalla delibera n. 51/11, particolare attenzione dovrà essere posta alle emissioni odorigene, individuando idonee misure strutturali e gestionali.

32 Lo stoccaggio delle biomasse Tra gli interventi strutturali di grande importanza vi sono quelli relativi allo stoccaggio delle biomasse in arrivo da inviare all impianto. Per la loro diversa natura fisica potranno essere richieste modalità diverse di stoccaggio. Ad esempio, per prodotti vegetali come mais, sorgo, triticale, residui vegetali da agroindustria, ecc., da destinare all insilamento nell area dell impianto, potranno valere le strutture e le tecniche di insilamento normalmente utilizzate nelle aziende zootecniche per l alimentazione animale. Per le biomasse palabili da caricare all impianto nel giro di pochi giorni dall arrivo, potranno essere, invece, prescritte modalità di stoccaggio differenziate a seconda del tenore di sostanza secca che le caratterizza, tenendo presente che a carico dei materiali a tenore di secco inferiore al 60% si innescano rapidamente processi putrefattivi con liberazione di sostanza odorigene. Per tali matrici umide si valuterà il ricorso allo stoccaggio in contenitori chiusi a tenuta, con eventuali sistemi di trattamento degli sfiati, anche in relazione alla specifica tipologia di biomassa. dal nuovo regolamento regionale in materia di utilizzazione agronomica. Si valuteranno, inoltre, le modalità di copertura degli stoccaggi del digestato e, in caso di obbligo, saranno definite le relative esenzioni per gli impianti nuovi e per quelli esistenti. Le misure gestionali Tra le misure gestionali i criteri tecnici riserveranno particolare attenzione alla movimentazione dei materiali all interno dell area perimetrata dell impianto. Lo stoccaggio dei materiali in arrivo, ad esclusione degli insilati, dovrà essere di breve durata per prevenire fenomeni di..e del digestato Le misure strutturali dovranno riguardare anche lo stoccaggio del digestato, e/o delle frazioni solide e chiarificate risultanti da un eventuale trattamento di separazione solido/ liquido. Le autonomie di stoccaggio dei materiali palabili e non palabili saranno le stesse stabilite 33

33 IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ anaerobiosi. Per il trasporto e il carico dell insilato si farà riferimento a mezzi chiusi e a tenuta per evitare perdite di percolato. Nello scarico di matrici non palabili negli apposti contenitori si dovranno porre in essere tutte quelle cautele per evitare turbolenze nella massa liquida, fonti di potenziale emissione di odori. Più in generale, per limitare la genesi e la diffusione di odori, si provvederà a mantenere una buona funzionalità dell impianto (ad esempio, verifiche tenuta valvole, torce, pulizie pozzetti e reti di scolo, quantità e caratteristiche delle biomasse caricate all impianto). I criteri tecnici rimanderanno alle disposizioni relative allo spandimento agronomico del digestato, previste nel già citato regolamento regionale, in quanto ulteriore sorgente di emissione potenziale di odori. La distribuzione si dovrà, quindi, svolgere secondo le seguenti modalità: a. per i digestati non palabili distribuiti in superficie, la pressione di esercizio degli erogatori dovrà essere inferiore a sei atmosfere; b. per i digestati tal quali e le frazioni risultanti da trattamenti di separazione distribuiti in superficie dovrà essere prevista l incorporazione nel terreno entro 24 ore dalla distribuzione, fatte salve alcune eccezioni (foraggere, prati permanenti-pascoli; frutteti e vigneti). La distribuzione del digestato Nel caso si renda necessario ridurre ulteriormente il rischio di odori, le Province e gli Enti locali potranno disporre l adozione delle altre tecniche di distribuzione dei digestati tal quali e loro frazioni chiarificate, come l iniezione diretta al suolo o lo spandimento superficiale a bassa pressione e similari. Le modalità di distribuzione, in assenza di specifiche indicazioni nelle norme comunali, dovranno comunque garantire il rispetto di: una distanza non inferiore a 100 m dalla delimitazione dell ambito urbano consolidato, come individuato dallo strumento urbanistico vigente; una distanza di almeno 50 m dagli edifici di terzi ad uso abitativo e/o produttivi, se utilizzati, in zona agricola. I criteri tecnici prevederanno poi misure specifiche relative alla sicurezza, al trasporto delle biomasse, alle emissioni dalla sezione di conversione energetica, ai sistemi di raccolta e trattamento delle acque generate nell area dell impianto. A completamento, saranno riportate disposizioni su procedure di comunicazione e criteri di utilizzazione agronomica del digestato, a partire da formule per il calcolo dei volumi da stoccare, dell azoto contenuto, dell efficienza agronomica, in conformità con quanto riportato nel regolamento citato. Vasca di stoccaggio del digestato coperta. 34