TuttoAmbiente SrlRicerca Servizi e Formazione

PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOGAS

Pierluigi NavarottoPierluigi Navarottopierluigi.navarotto@fastwebnet.itpierluigi.navarotto@fastwebnet.it

Giovedì 28 maggio 2009

“La produzione del biogas ed il suo utilizzo -I processi – Impianti aziendali di digestione

anaerobica”

La digestione anaerobicaè un processo biologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas (energia rinnovabile) costituito principalmente da metano e anidride carbonica;

la percentuale di metano nel biogas varia a secondo del tipo di sostanza organica digerita e delle condizioni di processo, da un minimo del 50% fino all’80% circa.

Schema del Schema del processo processo

biologico di biologico di digestione digestione anaerobicaanaerobica

Lo sviluppo della tecnologia in Italia• inizia alla fine degli anni ‘70 per esigenze

ambientali (L. 10/05/1976 (L. Merli), L. 650/’79, etc…).

Lo scopo principale che ci si riprometteva erarisolvere l’impatto ambientale indotto dagli allevamenti intensivi (suinicoli soprattutto).

• 1980 progetto di ricerca “Biogas” dell’E.R.(CRPA, ENEA, ENI, ENEL,Università).Costruzione di 5 impianti dimostrativi e 3 impiantisperimentali.

REGIONE EMILIAREGIONE EMILIA--ROMAGNAROMAGNADipartimento AttivitDipartimento Attivitàà Produttive Agricoltura e AlimentazioneProduttive Agricoltura e Alimentazione(a cura del gruppo di lavoro coordinato dal (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.C.R.P.A.))

PROGRAMMA DI RICERCA “PRODUZIONE E UTILIZZAZIONE DI

ENERGIE INTEGRATIVE IN ZOOTECNIA”

RELAZIONE FINALE(settembre 1986)

CONCLUSIONI:La tecnologia del biogas, con le soluzioni impiantistiche attualmente proposte per i liquami zootecnici, non èconveniente dal punto di vista del recupero energetico. Per favorire ugualmente la diffusione della tecnologia si èsostenuto che alcuni vantaggi aggiuntivi possono modificare il bilancio, rendendolo positivo e quindi interessante per l’allevatore.

REGIONE EMILIAREGIONE EMILIA--ROMAGNAROMAGNADipartimento AttivitDipartimento Attivitàà Produttive Agricoltura e AlimentazioneProduttive Agricoltura e Alimentazione(a cura del gruppo di lavoro coordinato dal (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.C.R.P.A.))

Alcuni di questi presunti vantaggi si sono rilevati illusori, primo fra tutti la capacità di depurare i liquami. Il ricorso a stadi successivi per completare il trattamento depurativo si è rivelato non praticabile.

CONCLUSIONI:Anche l’incremento del potere fertilizzante, tante volte sostenuto, è più teorico che reale. A causa delle pratiche agricole in uso nel nostro Paese, la trasformazione dell’azoto organico in azoto prontamente assimilabile rischia, anzi, di tradursi in uno svantaggio.

REGIONE EMILIAREGIONE EMILIA--ROMAGNAROMAGNADipartimento AttivitDipartimento Attivitàà Produttive Agricoltura e AlimentazioneProduttive Agricoltura e Alimentazione(a cura del gruppo di lavoro coordinato dal (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.C.R.P.A.))

Restano i benefici, non secondari, della riduzione degli odori edella carica patogena. C’è da chiedersi, però, se tali risultati giustificano gli elevati investimenti che un impianto biogas richiede e se non sia meglio conseguirli con tecnologie piùsemplici. Per esempio, tecnologie non preposte al recupero energetico quale il trattamento aerobico intermittente e a bassoimpegno di potenza, hanno costi di investimento di gran lunga inferiori e possono rendere l’operazione economicamente piùconveniente.

La ricerca evidenzia:La ricerca evidenzia:

• La insufficiente efficienza depurativa della digestioneanaerobica (tab. A, C - L. Merli).

• L’inadeguatezza delle tecnologie utilizzate nell’industria (costose e complesse) per il settore zootecnico.

• La necessità di incentivi che rendano conveniente “gestire”

l’impianto (non solo contributi per la costruzione):

> valorizzazione della energia prodotta

• L’insufficiente contenuto energetico dei soli reflui zootecnici per giustificare il costo di impianti sofisticati.

•• nel frattempo:nel frattempo:

- l’Utilizzazione Agronomica viene individuata come lasoluzione da privilegiare per lo smaltimento deglieffluenti zootecnici.

- ciò rende nuovamente interessante la D.A. grazie allasua valenza ambientale (stabilizzazione - riduzioneodori - emissioni) a patto che i costi dell’impianto sianocontenuti.

- da qui lo sviluppo di tecnologie semplificate (a bassocosto).

Schema di impianto di biogas semplificato, senzariscaldamento

La produzione di metano ottenibile è di circa 15 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino

(circa 25 m3/anno di biogas)

lagone o vasca di accumulo

frazione solida

sistema galleggiante di raccolta gas

biogas agli utilizzi

serbatoio di stoccaggio

vasca di raccolta e sollevamento

rotovaglio

- la CIP6/92CIP6/92: premia la produzione di E.E. da fontirinnovabili e favorisce l’utilizzazione del biogas incogenerazione

- La disponibilità di calore risveglia l’interesse verso lamesofilia

•• nel frattempo:nel frattempo:

Schema di impianto di biogas semplificatocon riscaldamento

La produzione di metano ottenibile è di circa 21 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino

(circa 35 m3/anno di biogas)

frazione solidavasca di raccolta e sollevamento

rotovaglio

sistema di copertura eraccolta biogas a singola

o a doppia membrana

biogas agli utilizzi

sistema di riscaldamento

energia elettrica

biogas

cogeneratore

acqua calda

SONO IMPIANTI CHE HANNO VALENZA PREVALENTEMENTE AMBIENTALE

- controllo odori- riduzione emissioni di gas serra

2002 - I certificati verdi(nel 2007 il 3,05% + 0,75/anno sino al 2012)

Hanno consolidato l’interesse per la produzione di E.E. da F.R. …

… e sviluppato interesse per le esperienze tedesche ove si era notevolmente

implementata la produzione di energia mediante l’aggiunta di biomassa agricola sino ad abbandonare l’attività zootecnica

specializzando l’azienda nella produzione di Energia Elettrica

Le tecniche di digestioneLe tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali:

Digestione a secco (dry digestion), quando il substrato avviato a digestione ha un contenuto di solidi totali (ST) ≥ 30%;

Digestione a umido (wet digestion), quando il substrato ha un contenuto di ST ≤ 10%.

Processi con valori di secco intermedi (10 – 14% ST) vengono definiti processi a semisecco.

Le tecniche di digestioneLe tecniche di digestioneLa digestione anaerobica può essere condotta o in condizioni mesofile (circa 35°C), con tempi di residenza di 25-30 giorni, o termofile (circa 55°C), con tempi di residenza inferiori ai 14 - 16 giorni.

Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10 - 25 °C), con tempi di residenza dell’ordine dei 60 giorni.

Impianti a umido - semisecco mesofili

Sono impianti che operano in CODIGESTIONE:

Liquami zootecnici + colture energetiche + scarti organici

E’ una tecnologia squisitamente tedesca ove si

sono realizzati (dal ‘98) più di 4000 impianti

grazie agli incentivi previsti dalla normativa.

Esempio di digestore di seconda generazione…

Fonte: http://www.biogas-thoeni.com/it

Materiali m3 biogas/t SV

Deiezioni animali (suini, bovini, avi-cunicoli)

200 - 500

Residui colturali (paglia, colletti barbabietole..)

350 - 400

Scarti organici agroindustria(siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine..)

400 - 800

Scarti organici macellazione(grassi, contenuto stomacale ed intestinale, sangue, fanghi di flottazione…)

550 - 1000

Fanghi di depurazione 250 - 350

Frazione organica rifiuti urbani 400 - 600

Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino…)

550 - 750

Biomasse e scarti organici avviabili a D.A. e loro resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili)

Essenziale garantire condizioni di efficienzaRealizzare un impianto biogas:

aggiungere un allevamento di microrganismi con tutte le loro esigenze in termini ambientali ed alimentari La formulazione della razione, le modalità di

somministrazione, il controllo di eventuali prodotti nocivi e delle condizioni ambientali sono essenziali. La gestione deve essere professionale e non …casuale!

La digestione anaerobica e la digestione del bovino La digestione anaerobica e la digestione del bovino

I requisiti di buona realizzazioneSufficiente coibentazione del digestore

Sistema di riscaldamento idoneo a fornire il calore ditermostatazione (35 – 40°C);

Mixer interno efficace;

Alimentazione dei “maprov” direttamente nel digestore;

Oblò di controllo;

Disponibilità di sufficiente stoccaggio del biogas;

Sono comunque solo un prerequisito...Sono comunque solo un prerequisito...

LA > O < PRODUZIONE DI BIOGAS E’ FUNZIONE DELLACORRETTA ALIMENTAZIONE DEI MICRORGANISMI...

…come per le bovine...

- un passaggio rapido a dieta ricca in carboidrati e povera in fibra,si ha > quantità di acidi grassi con riduzione pH.

(variare la dieta con fibra,diluire con acqua tiepida).

- eccesso proteico, si ha > produzione di NH3 con aumento del

pH (e dell’H2S…)

(variare la dieta con una riduzione del tenore proteico, ricircolare

il digestato).

- formazione di schiume: sembrano dovute ad alimentazione discontinua

e ad una inadatta formulazione della razione.

(variare la dieta, utilizzare prodotti antischiuma,…)

I problemi legati ai più comuni errori alimentaripossono comportare:

- peggioramento della composizione del biogas, con diminuzione del Potere Calorifico ed aumento dell’azione corrosiva per la maggiore presenza di H2S

- incompleta combustione della miscela gassosa nel motore del cogeneratore con riduzione del rendimento sino al suo fermo nei casi di maggiore gravità

-formazione e diffusione di odori nauseabondi dalla borlanda a causa della eccessiva formazione di acidi grassi volatili, quali prodotti intermedi della fermentazione

- possibile formazione di schiuma nel digestore

- possibile collasso del processo con blocco della produzione di biogas

EE’’ INOLTRE IMPORTANTE:INOLTRE IMPORTANTE:

- evitare la presenza di sostanze inibitrici (esterne o endogene):

ammoniaca, acido propionico, ioni nitrito e nitrato, sulfuri, solventi derivati del petrolio, cianuri, gli azotoidrati, i tensioattivi in genere, salinità eccessiva (> 30 g/l), metalli pesanti, ecc...

- controllare i parametri analitici

- nel digestore: pH, NH3, determinazione degli ac. grassi.

- del gas: CH4, CO2, H2S

Il trattamento del biogasIl trattamento del biogas

- essiccazione:essiccazione: nella condensa si concentrano pure NH3, H2S, polveri ed altre impurità.

- desolforazione:desolforazione:• biologica (sulfobacter oxidans): - interna al digestore

- esterna al digestore

• chimica (+ FeCl3 o FeCl2): - interna al digestore- esterna al digestore

- filtrazione finale su carboni attivi... e filtrazione finale su carboni attivi... e finalmentefinalmente……

……allaalla cogenerazionecogenerazione

-- motori a gasmotori a gas

rendimenti in Energia Elettrica 35 rendimenti in Energia Elettrica 35 –– 40 % circa40 % circa

-- motori a dieselmotori a diesel--gas (iniezione pilota)gas (iniezione pilota)

rendimenti in Energia Elettrica 39 rendimenti in Energia Elettrica 39 –– 44 % circa44 % circa

-- turbine a gasturbine a gas

rendimenti in Energia Elettrica 30 % circarendimenti in Energia Elettrica 30 % circa

……utilizzoutilizzo Energia Termica!Energia Termica!

Alcuni esempi:Alcuni esempi:

-- Impianto per 100 vacche da latte e rimonta, potenza Impianto per 100 vacche da latte e rimonta, potenza installata 35 installata 35 KWelKWel

-- Impianto per 300 vacche da latte, potenza installata Impianto per 300 vacche da latte, potenza installata 100 100 KWelKWel

-- Impianto per 5.000 suini + biomassa, potenza Impianto per 5.000 suini + biomassa, potenza installata 250 installata 250 KWelKWel

-- Impianto per 10.000 suini + biomassa, potenza Impianto per 10.000 suini + biomassa, potenza installata 625 installata 625 KWelKWel

-- Impianto da 1 Impianto da 1 MWelMWel (100 vacche da latte + biomassa)(100 vacche da latte + biomassa)

TABELLA RIASSUNTIVA 100 vacche con rimonta

300 vacche da latte

All.to 5.000 capi da ingrasso + 3.000 t/y

maprov 250KWelPotenza elettrica installata (Kwel) 35 100 250E.el netta prodotta (KWh/y) 240.000 720.000 1.805.000Digestori (n°/m³) 1 x 350 m³ 1 x 1.200 m³ 1 x 2.450 m³Costo impianto (€) 300.000,00 700.000,00 1.400.000,00

Costo impianto (€/KW) 8.600,00 7.000,00 5.600,00 Amm.to 15 anni - i=5% (€/y) 29.000,00 67.500,00 135.000,00

COSTI DI GESTIONELavoro+manutenzioni+ autoconsumi 20.250,00 41.700,00 209.000,00

RICAVITariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 22 52.800,00 158.400,00 397.100,00

Risultato di gestione 3.550,00 49.200,00 53.100,00 pbt (y) 9,2 6,0 7,4

Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 28 67.200,00 201.600,00 505.400,00

Risultato di gestione 17.950,00 92.400,00 161.400,00 pbt (y) 6,4 4,4 4,7

Ma attenzione!!Ma attenzione!!Tipologia impiantistica e gestione Tipologia impiantistica e gestione

rivestono un ruolo fondamentalerivestono un ruolo fondamentale

TABELLA RIASSUNTIVAAll.to 10.000 capi da ingrasso + 8.500 t/y maprov 625 KWel

All.to 100 vacche da latte + 18.250 t/y maprov 1000

KWelPotenza elettrica installata (Kwel) 625 1000E.el netta prodotta (KWh/y) 4.512.500 7.720.000Digestori (n°/m³) 2 x 2.500 m³ 2 x 2.300 m³ / 1 x 2.600Costo impianto (€) 3.000.000,00 4.050.000,00

Costo impianto (€/KW) 4.800,00 4.050,00 Amm.to 15 anni - i=5% (€/y) 289.000,00 400.000,00

COSTI DI GESTIONELavoro+manutenzioni+ autoconsumi 538.000,00 925.000,00

RICAVITariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 22 992.750,00 1.698.400,00

Risultato di gestione 165.750,00 373.400,00 pbt (y) 6,6 5,2

Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 28 1.263.500,00 2.161.600,00

Risultato di gestione 436.500,00 836.600,00 pbt (y) 4,1 3,3

Vanno inoltre considerati:

- il miglioramento dell’impatto ambientale:

- controllo degli odori;

- fluidificazione del liquame con miglioramento della

distribuzione;- riduzione delle emissioni di gas serra

( ~ 13 kg di CO2 / m3 biogas utilizzato);- energia disponibile a costo ridotto per eseguire i

trattamenti di riduzione del carico azotato dei liquami zootecnici.

I POSSIBILI SVILUPPI DEL SETTOREI POSSIBILI SVILUPPI DEL SETTORE

- la destinazione “energetica” della SAUrichiede grandi superfici.(1 ha 3,5 – 5 kW di potenza elettrica)

- la distanza SAU-impianto deve essere limitata

- competizione con la destinazione alimentare

- utilizzo dei sottoprodotti = vera risorsaeconomica-ambientale

… molto diverse da quelle di 22 anni fa!

ConclusioniConclusioni

è infatti prevedibile una notevole diffusione di tali impianti se:- sarà mantenuta negli anni la incentivazione per la produzione di E. el. da fonte rinnovabile

- saranno meglio coordinati i vari Enti coinvolti nelle procedure autorizzative

- sarà più chiaramente regolamentato e semplificato l’utilizzo dei sottoprodotti agricoli e dell’agroindustria

ConclusioniConclusioni

- se si svilupperanno tipologie integrate di trattamento in grado di contribuire al recupero del corretto rapporto Azoto/SAU

- auspicabile per uno sviluppo di tecnologie italiane una diversificazione della normativa che premi l’innovazione tecnologica

Grazie per lGrazie per l’’attenzione!attenzione!

e-mail: pierluigi.navarotto@unimi.it