VALORIZZAZIONE ENERGETICA DI REFLUI ZOOTECNICI E BIOMASSE

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1 Workshop Agro Energia - Gruppo Cariparma Crédit Agricole Centro Formazione del Gruppo - Piacenza, 26 Marzo 2012 VALORIZZAZIONE ENERGETICA DI REFLUI ZOOTECNICI E BIOMASSE Ing. Federico Viganò Ricercatore di Sistemi per l Energia e l Ambiente Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Consorzio LEAP 1

2 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 2

3 Il Consorzio LEAP LEAP, Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza, è un consorzio nato nel 2005 su iniziativa della sede piacentina del Politecnico di Milano. E partecipato da: Polo Territoriale di Piacenza del Politecnico 5 Dipartimenti del Politecnico Comune di Piacenza Provincia di Piacenza Fondazione di Piacenza e Vigevano A2A Iren Ambiente S.p.A. Unical AG S.p.A. 1. Dip. di Energia 2. Dip. di Elettronica e Informazione 3. Dip. di Elettrotecnica 4. Dip. di Chimica, Materiali e Ing. Chimica 5. Dip. di Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture Viarie e del Rilevamento 3

4 Sede e gruppo di lavoro di LEAP LEAP ha sede a Piacenza presso l ex officina trasformatori della Centrale Emilia, il nucleo storico, risalente agli anni Venti, di un impianto termoelettrico oggi funzionante a ciclo combinato. Il gruppo di lavoro è costituito da 18 ricercatori, di cui 10 a tempo pieno, che operano sotto la guida scientifica dei professori del Politecnico. LEAP fa parte di: LEAP ècertificato UNI EN ISO 9001:2008 4

5 Le attività del LEAP Ricerca in 6 settori: 1.generazione di energia termica ad alta efficienza; 2.materia ed energia da rifiuti, residui e biomasse; 3.termoidraulica per impianti nucleari innovativi; 4.tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO 2 ; 5.energie rinnovabili ed efficienza energetica; 6.emissioni gassose, polveri fini e qualità dell aria. Consulenza e servizi: 1.analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici; 2.prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione, misurazione di particolato fine e nano-particelle in atmosfera e in flussi convogliati, misurazione di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi. Laboratori sperimentali: 1.heat_box: valutazione delle prestazioni di caldaie con potenza fino a 100 kw; 2.wind_box: prove termofluidodinamiche su condotti da fumo per generatori di calore di piccola e media taglia; 3.CO2_box: determinazione delle proprietà termodinamiche di miscele a base di CO 2. 5

6 Attività sperimentali del LEAP Prove su impianti: Laboratori sperimentali: 6

7 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 7

8 Biomasse vegetali e animali Fonte: S. Consonni Caratteristiche e potenzialità biomassa 20/11/2006 8

9 I reflui zootecnici Si tratta delle deiezioni dei capi d allevamento, tipicamente diluite con le acque impiegate per la pulizia dei locali. A queste si aggiungono residui di alimenti, peli, paglie, sostanze impiegate per la disinfezione e detergenti. Sono sostanze storicamente impiegate per fertilizzare i terreni, tuttavia l avvento dell allevamento intensivo ha portato a produzioni tanto elevate in relazione alle superfici a disposizione per lo spandimento, da rendere questa via di smaltimento spesso non più accettabile a causa delle conseguenze anche pesanti di carattere ambientale che può comportare. Possono essere considerati come scarichi più o meno liquidi dell attività zootecnica, con elevato contenuto di sostanze organiche e vari nutrienti per il suolo (azoto, potassio, etc.). 9

10 La digestione anaerobica è un processo biologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata con una conversione parziale in un gas costituito principalmente da metano e anidride carbonica e chiamato biogas; la composizione del biogas (percentuale di metano, percentuale di anidride carbonica e contenuto di altre sostanze) varia a secondo del tipo di materiale digerito e delle condizioni di processo; tipicamente il contenuto di metano varia da un minimo del 40% fino all 80% circa, quindi il biogas è un gas combustibile, cioè una fonte energetica; il biogas è considerato una fonte energetica rinnovabile. 10

11 Il ciclo del carbonio L immissione in atmosfera di carbonio di origine non fossile (biogenico) è neutra dal punto di vista dell accumulo in atmosfera, quindi non contribuisce all effetto serra. Fonte: 11

12 La storia Le prime osservazioni sperimentali di gas prodotto dalla digestione anaerobica risalgono al XVII e XVIII secolo (gas dalle paludi). Verso la fine del XIX secolo si sperimentano i primi processi di sfruttamento energetico (illuminazione, alimentazione delle macchine a vapore). All inizio del XX secolo sono messi a punto vari processi via via perfezionati. Negli anni 40 la digestione anaerobica aveva raggiunto una certa diffusione come conseguenza della crisi energetica associata agli eventi bellici. Dagli anni 60 in poi tale tecnologia è confinata al ruolo di depurazione. 12

13 E poi Alla fine degli anni 70 anche in Italia la digestione anaerobica viene introdotta per esigenze ambientali. Tuttavia giunge rapidamente che la tecnologia è troppo complessa e costosa per il settore zootecnico, inoltre non è in grado di garantire una sufficiente efficienza depurativa. NEL FRATTEMPO: l Utilizzazione Agronomica viene individuata come la soluzione da privilegiare per lo smaltimento degli effluenti zootecnici. Vengono sviluppati tecnologie semplificate (a basso costo). L interesse verso le fonti energetiche rinnovabili motivato dalle preoccupazioni legate alle alterazioni climatiche indotte dall attività umana (effetto serra) porta all introduzione di incentivi economici alla produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile, quindi anche dal biogas. 13

14 Il nuovo scenario Alla digestione anaerobica è riconosciuta una duplice valenza ambientale: È un processo di depurazione dei reflui zootecnici che consente agli allevamenti intensivi di ridurre i quantitativi da smaltire compatibilmente con le superfici a disposizione per lo spargimento. La produzione di elettricità contribuisce al soddisfacimento del fabbisogno della rete, riducendo quindi il ricorso a fonti fossili (gas naturale, carbone, etc.). Quindi si evitano tutte le emissioni di inquinanti relative alla generazione elettrica tradizionale (da combustibili fossili). In particolare il secondo merito è riconosciuto dalla normativa nazionale, premiando con incentivi economici la produzione di elettricità. In questo modo la realizzazione e la gestione di questa tipologia d impianti diviene economicamente sostenibile. 14

15 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 15

16 Fonte: P. Navarotto La produzione di biogas 22/11/2006 Il processo biologico Schema del processo biologico di digestione anaerobica 16

17 Le tecnologie Il processo può essere realizzato in diverse condizioni: Processo psicrofilo: a C, con impianti particolarmente semplici, digestori non riscaldati. Dai reflui prodotti da 100 kg di suino vivo, con tempi di residenza dell ordine dei 60 gg, si producono circa 25 m 3 /anno di biogas, contenete circa 15 m 3 /anno di metano. Processo mesofilo: a circa 35 C, con digestori riscaldati. Dai reflui prodotti da 100 kg di suino vivo, con tempi di residenza dell ordine di gg, si producono circa 35 m 3 /anno di biogas, contenete circa 21 m 3 /anno di metano. Processo termofilo: a circa 55 C, con digestori fortemente riscaldati, si riesce a ridurre il tempo medio di residenza a soli gg. 17

18 Non solo reflui zootecnici Premiando economicamente la produzione di elettricità (o biometano), gli impianti vengono progettati e gestiti per massimizzare la produzione di biogas. Per avere ELEVATE produzioni di energia (biogas) è necessario trattare materie con ELEVATA SOSTANZA ORGANICA CODIGESTIONE DI: LIQUAMI ZOOTECNICI + COLTURE ENERGETICHE + SCARTI ORGANICI E una tecnologia sviluppata in Germania ove si sono realizzati (dal 98) più di 3000 impianti grazie agli incentivi previsti dalle loro normative. 18

19 Biomasse e scarti organici avviabili a D.A. Resa di produzione biogas Materiali 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 ) m 3 biogas/t SV Fanghi di depurazione Frazione organica rifiuti urbani Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino ) Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/

20 Esempio di digestore di seconda generazione Fonte: 20

21 Alcuni impianti Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 21 25/11/2008

22 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 22

23 Le bioenergie in Italia (GWh) Fonte APER Rapporto rinnovabili

24 Diffusione impianti a biomassa in Italia (2009) Gli impianti a biogas sono ormai di gran lunga la maggioranza degli impianti a biomassa in Italia. Tuttavia, a causa della piccola taglia, contribuiscono solo per circa un terzo alla potenzialità complessivamente installata (dati 2009). Fonte APER Rapporto rinnovabili

25 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 25

26 Componenti di un moderno impianto: vasche di raccolta reflui; trincee per lo stoccaggio degli insilati; digestore primario o fermentatore per gli insilati; digestore secondario con integrato gassometro; vasche di raccolta del digestato con eventualmente separatori dei solidi; sistema di pulizia del biogas (separazione NH 3 e H 2 S); torcia di sicurezza; locale tecnico per le pompe di rilancio dei liquami, la soffiante per il biogas e il cogeneratore; quadro di controllo per il monitoraggio, la registrazione e la regolazione di tutti i parametri di processo; sistema di dissipazione dell energia termica in eccesso; stazione di trasformazione dell energia elettrica e consegna alla rete. 26

27 Vista di un moderno impianto Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/

28 Il caricamento Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 28

29 Un digestore Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/

30 Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 Locale tecnico cogeneratore 30

31 Il cogeneratore Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/

32 Esempio: Impianto da 500 vacche da latte + biomassa (320 kw) 32

33 Esempio: dati rilevanti Liquami: 40,50 m 3 /giorno Silomais: 9,00 t/giorno Solidi totali: 7,58 t/giorno Sostanza volatile: 6,07 t/giorno Biogas prodotto m 3 /giorno E.Elettrica netta prodotta kwh/anno Pari al consumo elettrico annuo di circa 1000 famiglie in provincia di Piacenza. Pari ad una emissione evitata di CO 2 in atmosfera (per mancato consumo di combustibili fossili) di circa 1200 tonnellate. Inoltre il digestato contiene ancora l intero contenuto di nutrienti per il terreno (N, K, P) della materia prima di partenza. 33

34 Sommario Il Consorzio LEAP Le biomasse e la Digestione Anaerobica Il processo biologico e le tecnologie La diffusione degli impianti in Italia Esempi di impianti Novità in vista e conclusioni 34

35 Novitàin vista il biometano La direttiva rinnovabili e il relativo decreto di recepimento (D. Lgs. 3 marzo 2011, n. 28) hanno aperto le prospettive per lo sviluppo del biometano. Il nuovo decreto attuativo e una successiva delibera dell Autorità per l Energia Elettrica e il Gas (AEEG) dovranno definire le condizioni per l immissione del biometano nella rete di distribuzione del gas naturale e istituire specifici incentivi. Il biometano è una versione purificata di biogas, che viene privato di gran parte del contenuto di anidride carbonica (CO 2 ). È un processo di upgrading che richiede tecnologie piuttosto sofisticate, economicamente sostenibili solo su scala più grande rispetto ai singoli impianti biogas per la generazione di elettricità. 35

36 Conclusioni Il processo di digestione anaerobica recuperando energia da reflui zootecnici valorizza una fonte energetica altrimenti sprecata. Tale valorizzazione contribuisce alla riduzione delle emissioni di gas serra sostituendo energia elettrica che sarebbe altrimenti prodotta da combustibili fossili. È un processo di depurazione dei reflui zootecnici, che può risultare molto utile nel contesto di allevamenti intensivi. Le coltivazioni energetiche forniscono nuove prospettive al settore agricolo contribuendo a diversificare gli sbocchi commerciali dell attività. La tecnologia del biometano, alla luce delle recenti e future evoluzioni normative, apre ulteriori prospettive allo sviluppo del biogas agricolo. 36

37 Grazie dell attenzione! 37

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