Workshop Agro Energia - Gruppo Cariparma Crédit Agricole Centro Congressi Veneto Agricoltura- Legnaro, 30 Maggio 2012 PRESENTE E FUTURO DELLE AGROENERGIE IN VISTA DEI DECRETI ATTUATIVI IN ARRIVO Prof. Stefano Consonni, Ing. Giulio Bortoluzzi Dip. Energia Politecnico di Milano LEAP Laboratorio energia e ambiente Piacenza
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 2
Il Consorzio LEAP LEAP, Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza, èun 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
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 ècostituito 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
Le attività 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 termofluidodinamichesu condotti da fumo per generatori di calore di piccola e media taglia; 3.CO2_box: determinazione delle proprietàtermodinamiche di miscele a base di CO 2. 5
Attività sperimentali LEAP Prove su impianti: Laboratori sperimentali: 6
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 7
Biomasse vegetali e animali Fonte: S. Consonni Caratteristiche e potenzialità biomassa 20/11/2006 8
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 piùaccettabile a causa delle conseguenze anche pesanti di carattere ambientale che può comportare. Possono essere considerati come scarichi piùo meno liquidi dell attivitàzootecnica, con elevato contenuto di sostanze organiche e vari nutrienti per il suolo (azoto, potassio, etc.). 9
La digestione anaerobica èun 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 èconsiderato una fonte energetica rinnovabile. 10
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: E-Bassi S.r.l. 11
La storia Le prime osservazioni sperimentali di gas prodotto dalla digestione anaerobica risalgono al XVIIe 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 èconfinata al ruolo di depurazione. 12
E poi Alla fine degli anni 70 anche in Italia la digestione anaerobica viene introdotta per esigenze ambientali. Emerge tuttavia che la tecnologia ètroppo complessa e costosa per il settore zootecnico, e non èin 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. Si sviluppano tecnologie semplificate, a basso costo. L interesse verso le fonti energetiche rinnovabili motivato dalle preoccupazioni legate alle alterazioni climatiche indotte dall attivitàumana (effetto serra) porta all introduzione di incentivi economici alla produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile, quindi anche dal biogas. 13
Il nuovo scenario Alla digestione anaerobica èriconosciuta una duplice valenza ambientale: Èun processo di depurazionedei 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 elettricitàcontribuisce 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 èriconosciuto 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
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 15
Il processo biologico Schema del processo biologico di digestione anaerobica Fonte: P. Navarotto La produzione di biogas 22/11/2006 16
Le tecnologie Il processo può essere realizzato in diverse condizioni: Processo psicrofilo: a 10 25 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 25 30 gg, si producono circa 35 m 3 /anno di biogas, contenente 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 14 16 gg. Grandezza Psicrofilia Mesofilia Termofilia Temperatura processo [ºC] 27-35ºC 35ºC 55ºC Tempo di residenza [gg] 60 20-30 14-16 Producibilitàbiogas [m 3 /anno] 25 35 35 Producibilitàmetano [m 3 /anno] 15 21 21 17
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
Biomasse e scarti organici avviabili a D.A. Resa di produzione biogas Materiale 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 e intestinale, sangue, fanghi di flottazione, ) Fanghi di depurazione Frazione organica rifiuti urbani Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino, ) [Nm 3 /t SV] 200-500 350-400 400-800 500-1000 250-350 400-600 550-750 Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 19
Le bioenergie in Italia (2011) Fonte: http://www.biogas-thoeni.com/it 20
Alcuni impianti Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 21
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 22
Le bioenergie in Italia (2011) Totale in esercizio + a progetto 29.479 GWh Impianti qualificati IAFR e in esercizio al 31 dicembre 2011 Fonte GSE Bollettino rinnovabili 2011 23
Le bioenergie in Italia (2011) Impianti qualificati e in esercizio al 31 dicembre 2011 Numero Numero Fonte GSE Bollettino rinnovabili 2011 24
Le bioenergie in Italia (2011) Impianti qualificati e in esercizio al 31 dicembre 2011 Potenza installata [MW] [MW] Fonte GSE Bollettino rinnovabili 2011 25
Le bioenergie in Italia (2011) Impianti qualificati e in esercizio al 31 dicembre 2011 Energia prodotta [GWh] [GWh] Fonte GSE Bollettino rinnovabili 2011 26
Diffusione impianti a biogas in Italia (2011) Gli impianti a biogas sono ormai di gran lunga la maggioranza degli impianti a biomassa in Italia. 27
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 28
Componenti di un moderno impianto vasche raccolta reflui trincee per stoccaggio insilati digestore primario o fermentatore per insilati digestore secondario con integrato gassometro vasche raccolta digestato (+ eventuali separatori dei solidi) sistema di pulizia del biogas (separazione NH 3 e H 2 S) torcia di sicurezza locale tecnico per pompe rilancio liquami, soffiante biogas e motore quadro di controllo per monitoraggio, registrazione e regolazione dei parametri di processo sistema per dissipazione energia termica in eccesso stazione di trasformazione e consegna alla rete elettrica 29
Vista di un moderno impianto Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 30
Il caricamento Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 31
Un digestore Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 32
Locale tecnico gruppo generazione E.E. Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 33
Il gruppo di generazione E.E. Fonte P. Navarotto Digestione anaerobica delle biomasse: lo stato dell arte 25/11/2008 34
Esempio Impianto da 500 vacche da latte + biomassa (320 kw) 35
Esempio - dati rilevanti Liquami: Silomais: Solidi totali: Sostanza volatile: Biogas prodotto 40,50 m 3 /giorno 9,00 t/giorno 7,58 t/giorno 6,07 t/giorno 2.970 m 3 /giorno E.Elettrica netta prodotta 2.300.000 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. 36
Sommario prima parte 1. Il Consorzio LEAP 2. Le biomasse e la Digestione Anaerobica 3. Il processo biologico e le tecnologie 4. La diffusione degli impianti in Italia 5. Esempi di impianti 6. Novità in vista e conclusioni 37
Novitàin vista il biometano 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. Fonte NGVA Europe 38
Conclusioni prima parte 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. Èun 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 biometanoapre ulteriori prospettive allo sviluppo del biogas agricolo. 39
Grazie dell'attenzione! www.leap.polimi.it 40