Efficienza e problematiche di un impianto Biogas a colture dedicate

Sommario – Nel corso del 2009 e 2010, CRPA hacondotto un programma di monitoraggio di un im-pianto di digestione anaerobica alimentato princi-palmente con colture dedicate e secondariamen-te con pollina di ovaiole, residuo stomacale e altrisottoprodotti agroindustriali. Lo scopo del pro-gramma è stato quello di verificare l’efficienza e iprincipali indici di funzionamento. Nel corso delperiodo di monitoraggio l’impianto è stato resoaccessibile in remoto per il controllo dei principaliparametri e visitato con frequenza mensile. Adogni visita sono stati prelevati campioni del dige-stato presente nei diversi reattori e i diversi para-metri di registrazione. L’elaborazione dei parame-tri registrati ha portato ai seguenti indici di funzio-namento: il carico organico volumetrico è risultatopari a 2,29 kg SV/m3/giorno, il tempo di ritenzioneidraulico pari a 138 giorni (senza considerare iltempo di permanenza negli stoccaggi coperti fina-li), la produzione volumetrica pari a 1,36 Nm3bio-gas/m3digestore/ giorno. L’efficienza di conversio-ne biologica delle biomasse in biogas è risultatapari a 638 Nm3/t SV caricati con una percentualedi metano pari al 51,8%. Il metano prodotto è statoconvertito in energia elettrica da un cogeneratoreda 1 MW di potenza elettrica installata con unrendimento del 41% circa: il coefficiente di con-versione complessivo è risultato pari a 1,37kWhe/kg SV e il cogeneratore ha funzionato per il94,4% del tempo a pieno carico. La produzionenel corso dell’anno è risultata molto regolare so-prattutto grazie alla elevata regolarità della matri-ci alimentate e alla introduzione di scarti agroin-dustriali ed effluenti zootecnici.

EFFICIENCY AND MANAGEMENT OFAN ANAEROBIC DIGESTION PLANTFED WITH ENERGY CROPSummary – Over 2009 and 2010, CRPA conduct-ed a monitoring program of biogas plant fed princi-pally with energy crop and secondarily with poultrymanure, stomach residue additionally with othersindustry residues. The aim of the program was toverify efficiency and measure running parameters.Over the monitoring period the plant allowed re-mote access to check the main parameters andwas visited on a monthly basis. On each visit sam-ples were taken of the biomass loaded and the di-gestate produced with an assessment of the bio-gas plant and CHP parameters. All parametersmeasured were processed to calculate the typical

biogas plant indices: the organic loading rate hasbeen 2,29 kgVS/m3/day, hydraulic retention time138 days (except the time remaining in the finalcovered storage tanks), biogas yield 1,36 m3bio-gas/m3reactor, and organic efficiency transforma-tion. The plant monitoring activities found a biolog-ical conversion rate of the biomass equivalent to638 Nm3/tVS loaded with a 51,8% methane con-tent. Methane gas production has been convertedin electrical energy by a CHP of 1 MW electricpower with a mechanical efficiency of about 41%:the farmer was able to achieve a conversion effi-ciency of 1,37 kWhe/kgVS and CHP run for 94,4%of total time at full load. The plant energy produc-tion was high regular due to the high co-fermenta-tion rate between the energy crops, agro-industri-al residues and animal manure.

Parole chiave: biogas, energia rinnovabile, colture ener-getiche, gestione impianto, sottoprodotti, carico organi-co volumetrico, resa di conversione.Keywords: biogas, renewable energy, energy crop,plant management, food industry residues, organic loadrate, biogas yield.

1. PREMESSA

La produzione di biogas da impianti a colturededicate ha visto nell’ultimo biennio un note-vole sviluppo grazie agli incoraggianti incenti-vi economici sulla produzione di energia elet-trica immessa in rete: CRPA, nell’ultimo cen-simento effettuato a marzo 2010 ha indivi-duato 273 impianti di biogas da biomasseagrozootecniche esistenti in Italia, di cui 21 ali-mentati esclusivamente a colture dedicate(principalmente insilati di mais, sorgo, triticalee altri cereali). Il 44% di questi impianti è sta-to realizzato nel corso del biennio 2008-2009,e il 45% circa degli stessi ha una potenza elet-trica installata compresa fra 500 kW e 999 kW,circa 20 impianti hanno una potenza elettricainstallata maggiore di 1 MW. Ciò a rimarcarele dinamiche di un mercato che nel momentodi forte espansione predilige la realizzazionee, conseguentemente, l’incentivazione anchea livello commerciale degli impianti a più ele-vato investimento e remuneratività, coinvol-gendo soprattutto le aziende di grandi dimen-sioni. Lo sviluppo non è stato omogeneo maha visto protagoniste soprattutto alcune regio-ni del nord Italia (Lombardia, Piemonte e Ve-neto). Molto di frequente si tratta di aziende

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EFFICIENZA E PROBLEMATICHE DI UN IMPIANTO DIDIGESTIONE ANAEROBICA A COLTURE DEDICATE

C. Fabbri*, S. Shams-Eddin**, F. Bondi**, S. Piccinini*

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IA Ingegneria Ambientale vol. XL n. 1 gennaio-febbraio 2011

* Dott. Claudio Fabbri, dott. Chimico Sergio Piccinini,Centro Ricerche Produzioni Animali (CRPA) – CorsoGaribaldi, 42 – 42121, Reggio Emilia – E-mail: [email protected], [email protected].

** Dott. ing. Sami Shams-Eddin, dott. Filippo Bondi,Azienda agricola Cominello – Via Leopardi, 50 –46049, Volta Mantovana (MN) – E-mail: [email protected], [email protected].

agricole singole che si dedicavano preceden-temente alla produzione di cereali da granel-la per il mercato agricolo, ma non sono rari icasi di aziende zootecniche che hanno am-pliato la propria superficie agricola coltivataper sinergizzare l’attività zootecnica principa-le con la produzione di energia. Di fatto si stàassistendo ad un progressivo ingresso del-l’agricoltura intensiva nel mercato energeticonazionale delle fonti rinnovabili. Con l’appro-vazione del Piano d’Azione Nazionale per leenergie rinnovabili predisposto dal governoitaliano a giugno 2010, sono state pubblicatele indicazioni per raggiungere gli obbiettivi pre-senti nella Direttiva 2009/28/CE. Tali obiettiviprevedono di coprire almeno il 17% delle ri-sorse energetiche nel loro complesso (elettri-che, termiche e combustibili per autotrazione)con fonti rinnovabili e di immettere nel sistemadei trasporti almeno il 10% di combustibili dafonte rinnovabile (biocombustibili).Il biogas in questo quadro è una delle voci chepermetteranno di conseguire il risultato finale.A differenza però di altre filiere energetiche, lafiliera del biogas ha alcune peculiarità che larendono particolarmente interessante per ilmondo agricolo:• è una filiera molto elastica che permette di

sfruttare energeticamente una serie moltovasta di prodotti e sottoprodotti che altre fi-liere non riescono a sfruttare (effluenti zoo-tecnici, sottoprodotti agro-industriali umidi evariabili nel tempo, sottoprodotti animali,ecc.), riducendo la competizione per l’ap-provvigionamento;

• è una filiera tipicamente corta: “nasce” cor-ta perchè utilizza prodotti che non possonoessere trasportati per lunghe percorrenze inquanto molto umidi, “muore” corta perchèdeve gestire un residuo (digestato) umidoche per ragioni economiche deve trovarecollocazione nelle immediate vicinanze del-l’impianto (10-20 km);

• è una filiera agricola perchè la dimensioneimpiantistica parte da 20 kW e arrivava finoa 2-3 MW, consentendo a tantissime azien-de di attrezzarsi con una valida alternati-va/integrazione al reddito agricolo;

• è una filiera certa perchè è disponibile, pergli impianti con potenza elettrica installataminore di 1 MW, una Tariffa Omnicompren-siva (280 !/MWh) che viene pagata mensil-mente e per 15 anni;

• è una filiera ambientalmente molto promet-tente perchè oltre a ridurre l’impatto am-bientale degli allevamenti recuperando par-te delle emissioni spontanee di metano da-gli stoccaggi di effluenti zootecnici, consen-te di produrre energia elettrica risparmiandofonti fossili (tecnologia definita dagli anglo-sassoni “Win-Win”, ovvero doppiamentevincente);

• può portare alla produzione di “Biometano”,ovvero biogas purificato dal biossido di car-bonio e altre impurità gassose, per essereimmesso in rete e utilizzato in impianti adalta efficienza energetica ovvero utilizzatocome biocombustibile da autotrazione.

Di seguito viene illustrata una esperienza didiversificazione produttiva agricola che ha vi-sto nella filiera agro-energetica, in particolaredel biogas, una importante opportunità eco-nomica alternativa.La nuova società, “Azienda agricola Cominel-lo” con sede a Cereta di Volta Mantovana(MN), ha realizzato un impianto di digestioneanaerobica alimentato a colture dedicate esottoprodotti agro-industriali, beneficiando del-l’apporto congiunto di circa 180 ha dei diversisoci agricoltori oltre ad ulteriori 150 ha di for-nitori non soci. L’impianto è stato terminatonell’estate del 2009, avviato con il riempimen-to dei digestori con liquame bovino ed entra-to in produzione a regime nell’arco di circa 15giorni (settembre 2009).

1.1 Descrizione dell’impianto di biogas

L’impianto di produzione di biogas (Figura 1)è costituito da 2 digestori primari completa-mente miscelati e riscaldati del volume utile dicirca 2.283 m3 cadauno (! = 23 m, altezza 6m, riempite fino a 5,5 m), connessi con duetramogge automatiche su celle di carico cheprovvedono ad alimentare gli insilati di mais aintervalli di tempo prefissati (Tabella 1). Il vo-lume delle tramogge è di 60 m3 cadauna econsentono un’autonomia massima di caricodi circa 1,2 giorni. Le tramogge sono attrez-zate con un sistema di trasporto automaticodel prodotto ad una coclea di sollevamentociascuna interconnessa ad una seconda co-clea inclinata e inserita nel digestore. La co-clea inclinata introduce il prodotto al di sottodel livello del digestato in modo da evitare lafuoriuscita di biogas. Il digestato uscente dai


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reattori primari viene pompato nel reattore se-condario (3.385 m3, ! = 28 m, altezza 6 m,riempito fino a 5,5 m) e da qui alle vasche distoccaggio finale coperte (2 vasche da 3.385m3, ! = 28 m, altezza 6 m, riempito fino a 5,5m). Per ottimizzare il contenuto di sostanzasecca nelle diverse vasche, la pompa effet-tua importanti ricircoli fra i digestori primari eil digestore secondario. Il volume lordo totalededicato direttamente al processo di dige-

stione anaerobica è pari a 7.940 m3 (7.278 m3

utili), il volume di stoccaggio (6.760 m3 lordi),invece, viene utilizzato come digestione anae-robica limitatamente al periodo in cui il dige-stato è presente. Nei momenti di massimapresenza di digestato in impianto, di conse-guenza, il volume di processo è pari a 14.700m3 lordi (13.480 m3 netti), equivalenti a 13,5m3/kWe installato. Tutte le movimentazioni deldigestato sono effettuate con una sola pom-pa a vite, attrezzata con contatore volumetri-co e comandata da un software i cui para-metri funzionali possono essere modificati dalgestore. Le connessioni della pompa con lecondutture sono effettuate mediante due val-vole a 5 vie elettrocomandate che mettono incomunicazione le diverse vasche (Figura 2).Ogni vasca di processo è miscelata con 3 mi-xer a elica sommersi da 18 kW di potenzaelettrica cadauno (162 kW totali installati), eriscaldate per mezzo di numerosi (38) anelli ditubi di polietilene. Ogni anello è indipenden-temente collegato ad un collettore montato al-l’esterno della vasca e sezionabile rispetto al-la mandata principale. Il digestore viene fattofunzionare in regime di mesofilia: la tempera-tura indicata dai sensori è mediamente pari a

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Tab. 1 – Parametri dimensionali dell’impianto

Parametro Unità dimisura Valore

Tipo di reattore (1) CSTRVolume totale dei tre digestori m3 7.940Volume utile dei tre digestori m3 7.280Volume di stoccaggio del digestato m3 6.760Temperatura di processo °C 38-40Tempo ritenzione idraulica (2) Giorni 130-140Potenza elettrica installata CHP (3) kW 999(1) CSTR: reattore completamente miscelato e riscal-

dato; (2) considerando il solo carico di biomasse solide (insi-

lati) e escludendo il volume delle vasche di stoc-caggio;

(3) CHP: cogeneratore.

Fig. 1 – Schema di funzionamento dell’impianto (FM1, FM2 e FM3 vasche di digestione anaerobi-ca, SF1 e SF2 vasche di stoccaggio coperte)


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44-45°C, ma il sensore è posizionato nelle im-mediate vicinanze del dissipatore interno e latemperatura effettiva del digestato all’internodel digestore è mediamente pari a 38-40°C.La coibentazione delle pareti laterali è statarealizzata con pannelli di 8 cm di spessore dipolistirene a cui è stata sovrapposta una co-pertura di lamiera grecata. La soletta di baseè stata isolata, invece, apponendo uno stratoisolante di circa 8 cm fra il magrone e la so-letta stessa. Le vasche di stoccaggio si diffe-renziano per la mancanza del sistema di ri-scaldamento e dell’isolamento termico nellaparte alta delle pareti. La miscelazione di que-ste è garantita da 2 eliche sommerse per va-sca da 18 kWe cadauna. Tutte le vasche rea-lizzate, comprese quelle di stoccaggio, sonodotate di copertura gasometrica a doppio te-lo con sostentamento pneumatico a pressio-ne differenziata in modo che il biogas possaessere convogliato spontaneamente verso ununico gasometro da cui parte la linea per l’ali-mentazione del cogeneratore. Tutte le coper-ture gasometriche sono attrezzate con valvo-le di sicurezza/rompivuoto a doppia guardiaidraulica che intervengono quando la pres-sione interna supera il valore di 2 mbar oscende sotto il valore di allarme. Il volume di

stoccaggio del biogas complessivo dipendedal livello di riempimento delle vasche di stoc-caggio e mediamente è pari a circa 7.000 m3,sufficiente per circa 15 ore di funzionamentodel cogeneratore. All’interno dei due fermen-tatori principali e del postfermentatore è pre-sente una travatura in legno che sostenta unarete in nylon avente la funzione di favorire losviluppo della flora batterica solfossidante.Tale sistema di desolforazione biologica conaria permette la conversione della maggiorparte dell’idrogeno solforato, che viene pro-dotto congiuntamente al metano nel proces-so biologico, in zolfo elementare. L’ossigenonecessario al processo biologico dei solfo-batteri è garantito dall’immissione di un volu-me controllato di aria ambiente, tale da man-tenere la concentrazione di ossigeno nei ga-sometri inferiore a circa 0,5-0,8%. Lo zolfoprodotto dai batteri desolforanti ricade diret-tamente nel digestore e viene gestito agro-nomicamente con il digestato risultante. Perla deumidificazione del biogas, la condutturache porta lo stesso al cogeneratore è interra-ta per la maggior parte del tragitto ed è at-trezzata con diversi punti di scarico delle con-dense e un gruppo frigorifero che porta latemperatura del biogas stesso a circa 6-8°Cprima del compressore. Il biogas prodotto eraffinato, infine, viene utilizzato in un cogene-ratore a ciclo Otto da 999 kWe (Jenbachermod. 416) o, in caso di emergenza, da unatorcia di combustione. Per la cessione del-l’energia elettrica prodotta alla rete del gesto-re locale, l’azienda si è dotata di una cabinaelettrica in media tensione e di una linea diconnessione lunga circa 1,3 km. Lo stoccaggio delle colture dedicate (preva-lentemente insilato di mais) avviene in 3 trin-cee di cemento armato costruite in opera, lun-ghe 100 m, larghe 20 m e con pareti di con-tenimento laterali alte 4,25 m. La capacità to-tale delle trincee è pari a circa 20.000 t di ma-teriale trinciato compresso. Tutte le superficidi lavoro e stoccaggio sono impermeabilizza-te e collegate ad una rete fognaria attrezzatacon un sistema di gestione delle acque di pri-ma pioggia. Per una ottimale gestione delleforniture di biomasse l’azienda si è dotata diuna pesa da 18 m, una termobilancia per ladeterminazione della sostanza secca dellematrici e di una spazzatrice che viene utiliz-zata dopo ogni fase di carico per ridurre al mi-

Fig. 2 – Schema di principio della movimenta-zione del digestato fra le diverse va-sche di processo (FM1, FM2 e FM3 va-sche di digestione anaerobica, SF1 eSF2 vasche di stoccaggio coperte). Aseconda della coppia di valvole aperta,il flusso può arrivare da una qualunquedelle vasche e venire inviato ad unaqualunque delle altre vasche

nimo il rischio di intasamenti delle caditoie.Tutto l’impianto è recintato e provvisto di si-stemi di sicurezza e teleallarmi.

2. MATERIALI E METODI

Scopo del programma di monitoraggio è sta-to di verificare l’efficienza di conversione del-le biomasse utilizzate, rilevare i principali pa-rametri di funzionamento dell’impianto e i pro-blemi gestionali. I principali parametri misura-ti sono stati:1) quantità di biomasse solide e liquide carica-

te (t/giorno): la quantificazione è stata fattautilizzando le tramogge di carico presenti at-trezzate con celle di carico. L’azienda ha re-gistrato regolarmente la tipologia di biomas-sa caricata in ognuna delle tramogge;

2) caratteristiche chimiche delle biomasse ca-ricate (pH, solidi totali e volatili, azoto tota-le e ammoniacale, fosforo);

3) qualità del biogas prodotto: concentrazio-ne di metano (%vol), biossido di carbonio(%vol), idrogeno solforato (mg/Nm3), conlettura sulla strumentazione installata sul-l’impianto ovvero con analizzatore portatile(Geotechnical Instruments, mod. GA2000Plus);

4) volume di biogas prodotto (Nm3/h): con let-tura del contatore installato a monte del co-generatore;

5) potenza elettrica media (kW) lorda prodot-ta, potenza elettrica utilizzata dagli ausiliarial cogeneratore (pompa di ricircolo dell’ac-qua di raffreddamento, soffiante biogas,chiller per raffreddamento biogas, accesso-ri elettrici per il funzionamento del cogene-ratore), potenza elettrica utilizzata dall’im-pianto di digestione anaerobica (miscelato-ri, pompe, sistemi di carico e scarico), me-diante lettura periodica dei contatori instal-lati nell’impianto e analisi dei dati registratidai PLC;

6) caratteristiche del digestato nei diversi re-attori: pH, solidi totali e volatili, azoto totalee ammoniacale, fosforo, acidità volatile to-tale e alcalinità totale. Per i parametri pH erapporto acidità totale su alcalinità totale lafrequenza di campionamento è stata di duevolte a settimana, mentre per gli altri para-metri mediamente mensile. La metodologiaanalitica adottata per il rapporto acidità/al-

calinità, messa a punto in Germania dal-l’istituto di ricerca federale per l’agricoltura(FAL) e denominata FOS/TAC, prevede latitolazione del digestato a due livelli di pH(fino a 5 per la determinazione dell’alcalini-tà e fino a 4,4 per la determinazione del-l’acidità totale). L’acronimo FOS sta per«Flüchtige Organische Säuren» (Acidi Or-ganici Volatili), ed è misurato in mg HAceq/l;TAC sta per «Totales Anorganisches Car-bonat» (Capacità di Tamponamento Alcali-na), espressa in mg CaCO3/l.

Tutti i parametri rilevati sono stati processatiper calcolare i tipici indici di efficienza degli im-pianti di biogas: potenza elettrica media a pie-no carico (kWe), carico organico volumetrico(kgSV/m3/giorno), tempo di ritenzione idraulica(giorni), produzione volumetrica (m3

biogas/m3reattore),

resa in biogas e metano (Nm3biogas,metano/tSV),

produzione specifica di energia elettrica(kWh/kgSV).

3. RISULTATI

3.1 Prestazioni produttive

Nel corso del periodo intercorso fra l’avvia-mento dell’impianto (settembre 2009) e la finedel mese di novembre 2010, equivalente a457 giorni di lavoro (10.968 h), l’impianto hafunzionato con continuità producendo, com-plessivamente, 10.354 MWhe. Gli autoconsu-mi (Tabella 2) per il funzionamento dei coge-neratori e dei digestori sono stati pari a 948MWhe, equivalenti al 9,2% della produzionelorda (86 kWe in media). La potenza mediaprodotta, calcolata sulle 24 h, è stata di 944kWe, pari al 94,4 % della potenza installata delcogeneratore. Nel grafico illustrato in Figura 3viene riportato l’andamento della produzionedella potenza elettrica totale giornaliera del-l’impianto. L’86,7% dello ore di funzionamen-to è avvenuto ad una potenza elettrica effetti-va maggiore del 90% della potenza elettricainstallata del cogeneratore (Tabella 3), men-tre i giorni di fermo totale sono stati limitati a4 in tutto l’arco temporale. Rapportando i va-lori monitorati all’arco temporale annuale, laproduzione elettrica lorda è risultata pari a8.270 MWhe (equivalente ad una produzionegiornaliera a pieno carico di 22,6 h), mentre laproduzione netta vendibile pari a 7.513 MWhe.


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Fig. 3 – Potenza elettrica prodotta nel periodo monitorato

3.2 Biomasse utilizzate

Le biomasse utilizzate nel corso del 2009 e fi-no a luglio 2010 sono riconducibili esclusiva-mente a insilati di colture dedicate (mais),mentre a partire da agosto 2010 l’impianto hainiziato a ritirare sottoprodotti agroindustriali diorigine vegetale, contenuto ruminale e pollinadi ovaiole parzialmente disidratata su nastroventilato, che sono andati a sostituire parzial-mente gli insilati di colture dedicate. Nella Ta-bella 4 sono riportate le quantità di prodotti uti-lizzati nel periodo considerato, suddivisi perquantità, solidi totali e solidi volatili: media-mente sono stati caricati 50,3 t di matrici or-ganiche (18.311 t/anno), equivalenti a 16,7t/giorno di solidi volatili con un rapporto SV/STdi 95,8% (6.095 tSV/anno). Il carico organicovolumetrico (COV, kg SV/m3/giorno), che

esprime la quantità di solidi volatili caricati pergiorno e per metro cubo di reattore anaerobi-co, è risultato mediamente pari a 2,29 kgSV/m3/giorno (Figura 4), il 97,4% di questoproviene da colture dedicate (Figura 5). Nelperiodo compreso fra agosto e novembre2010 il COV è stato di 2,22 kg SV/m3/giorno,

Tab. 3 – Distribuzione delle ore di funziona-mento rispetto alla potenza effettiva

Range di potenza effettiva ri-spetto alla potenza nominale

Percentuale del tem-po di funzionamento

>90% 86,70%fra 80% e 90% 5,50%fra 60% e 80% 2,70%fra 40% e 60% 1,70%<40% 3,40%

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 annoProduzione lorda energia elettrica MWh 10.354 8.270Potenza elettrica media prodotta kW 944 944

– percentuale della potenza installata % 94,4 94,4Autoconsumo ausiliari cogeneratore MWh 393 314

– percentuale della produzione lorda % 3,8 3,8Autoconsumo impianto digestione MWh 554 443

– percentuale della produzione lorda % 5,4 5,4Produzione di energia elettrica vendibile MWh 9.406 7.513


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Tab. 4 – Quantità di prodotti utilizzati (tal quale, solidi totali e solidi volatili) nel periodo monito-rato

MatriceQuantità Solidi totali Solidi volatili

[t] [%] [t] [%] [t] [%]Insilato 2009 19.576,4 85,4 6.860,4 88,1 6.586,0 88,3Insilato 2010 2.359,7 10,3 706,3 9,1 678,1 9,1Contenuto ruminale 784,5 3,4 153,7 2,0 144,4 1,9Marcomela 80,5 0,4 15,6 0,2 15,3 0,2Pollina di ovaiole 125,8 0,5 50,4 0,6 37,8 0,5Totale 22.926,9 100,0 7786,43 100,0 7.461,6 100,0

Fig. 4 – Carico organico volumetrico applicato nel corso del periodo monitorato

equivalenti ad una quantità di solidi volatili uti-lizzata di 16,2 t/giorno, e i solidi volatili cari-cati sono stati caratterizzati da un rapportoSV/ST pari a 95,4%. Le caratteristiche chimi-che delle biomasse utilizzate sono riportate inTabella 5.

3.3 Caratteristiche del digestato

Il digestato presente all’interno dei diversi re-attori è stato caratterizzato in 10 occasioni(Tabella 6). La concentrazione di solidi totalie volatili diminuisce progressivamente pas-sando dal digestore primario alla vasca distoccaggio finale: si passa da valori di soliditotali dell’ordine di 8,8% nei due digestori pri-mari (FM1 e FM2) a 8,2% nel post-digestore(FM3) per giungere fino a 7,3% nella vasca distoccaggio finale. Per il rapporto SV/ST (soli-di volatili in rapporto ai solidi totali), invece, sipassa da valori pari al 95,8% delle biomasseal carico, a valori del 82,1% nei digestori pri-mari e nel post-digestore, per finire 78,8% a

nella vasca di stoccaggio finale. Consideran-do il rapporto SV/ST come indicatore della de-gradazione della sostanza organica e l’inva-rianza del contenuto di ceneri, tale riduzionecorrisponde ad una conversione dei solidi vo-latili in biogas pari al 78%. Per quanto con-cerne, invece, il rapporto FOS/TAC (indice

Fig. 5 – Ripartizione dei solidi volatili caricatinell’impianto per tipologia di matrici or-ganiche

dell’equilibrio chimico del processo) i valorimedi passano da 0,36 nei due digestori pri-mari a circa 0,31 nel post-digestore (FM3),per finire a circa 0,21 nella vasca di stoccag-gio finale. Ciò indica, di fatto, una attività me-tanigena in grado di utilizzare tutti gli acidi or-ganici volatili prodotti dalla fase idrolitica eacidogena. La combinazione fra questo valo-re e il basso tenore di solidi volatili presenti al-l’interno dei digestori primari e del post-dige-store porta a considerare che il carico orga-nico volumetrico sia ottimale e che la degra-dazione della biomassa avvenga con buoneperformances. Il rapporto FOS/TAC è statomonitorato costantemente durante tutto il pe-riodo di rilievo (mediamente 2 campionamen-ti per digestore per settimana) e il suo anda-mento è riportato in Figura 6. Il monitoraggio

di questo parametro ha consentito di indivi-duare per tempo una problematica tipica-mente riscontrabile negli impianti di digestio-ne anaerobica alimentati con monosubstraticerealicoli. Nel periodo compreso fra febbra-io e marzo tale rapporto ha iniziato ad au-mentare, indice che il contenuto di acidità to-tale stava aumentando. Tale aumento è statodovuto ad una carenza di micronutrienti chehanno ridotto l’attività batterica metanigenacon conseguente accumulo di acido acetico.L’inserimento per un periodo di circa 15 gior-ni di un additivo integratore di micronutrienti el’aumento del ricircolo dal post-fermentatoreverso i due digestori primari ha consentito daun lato di riequilibrare l’attività della flora bat-terica metanigena e dall’altro di riportare ilrapporto acidità/alcalinità nel giusto equilibrio.


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te Tab. 5 – Caratteristiche chimiche delle matrici utilizzate

Parametro Unità di misura Silomais 2009 Silomais 2010 Pollina Marcomela Residuo stomacalepH - 3,75 3,8 7,45 3,53 6,85ST g/kgtq 350 299 401 194 196

SVg/kgtq 336 288 301 190 184%ST 96,0% 96,5% 75,0% 97,9% 93,9%

NTKmg/kgtq 4.025 4.142 28.470 12.372 3.363%ST 1,15 1,38 7,1 6,4 1,71

N-NH4+

mg/kgtq 24 20 1452 nr nd%NTK 0,6 0,5 5,1 nd nd

Ptotmg·kgtq

-1 770 687 nd 184 nd%ST 0,22 0,23 nd 0,1 nd

Tab. 6 – Caratteristiche chimiche del digestato nelle diverse sezioni dell’impianto: valori medi e,fra parentesi, deviazioni standard

Parametro Unità di misura FM1 FM2 FM3 SFpH - 7,8 (0,03) 7,77 (0,07) 7,91 (0,07) 7,92 (0,06)ST g/kgtq 88,7 (3,5) 88,1 (1,2) 82,3 (3,0) 73,3 (7,4)

SVg/kgtq 72,4 (3,6) 72,1 (1,1) 68,18 (5,1) 57,8 (7,0)%ST 81,7 (1,0) 81,8 (0,7) 82,8 (5,3) 78,8 (2,1)

NTKmg/kgtq 4.408 (816) 4.903 (175) 4.953 (156) 4.783 (100)%ST 4,89 (0,95) 5,57 (0,18) 6,07 (0,16) 6,81 (0,3)

N-NH4+

mg/kgtq 2.034 (98) 2.070 (119) 2.175 (101) 2.471 (172)%NTK 45,4 (9,3) 40,1 (1,5) 42,8 (2,6) 51,7 (4,5)

FOS mgHACeq/l 4.083 (1.067) 4.214 (1.196) 3.369 (521) 2.993 (927)TAC mg CaCO3/l 12.025 (709) 11.644 (584) 12.639 (706) 13.942 (532)FOS/TAC - 0,34 (0,11) 0,37 (0,12) 0,27 (0,04) 0,22 (0,05)

Ptotmg/kgtq 913 (60) 816 (73) 861 (87) 681 (2)%ST 1,0 (0,1) 0,92 (0,1) 1,03 (0,12) 1,02 (0,03)


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Fig. 6 – Andamento del rapporto FOS/TAC e del pH nel corso del periodo monitorato

Nello stesso periodo il valore del pH si è por-tato dal valore precedente pari a circa 7,8 alvalore minimo, corrispondente al picco dellacrisi, di circa 7,6.Il contenuto di azoto totale nei due digestoriprimari è risultato mediamente pari a 4.400-4.900 mg/l, equivalente a circa 4,9-5,6%ST,con una percentuale di azoto ammoniacaledel 40-45% (2.030-2.070 mg/l). Tali concen-trazioni di azoto aumentano sensibilmentepassando prima al post-digestore e poi allostoccaggio finale, grazie alla degradazione deisolidi volatili e alla deamminazione dalle mo-lecole aminoacidiche. Nel post-digestore laconcentrazione di azoto totale aumenta a cir-ca 4.950 mg/l (6,07%ST) con una percentua-le sotto forma ammoniacale del 42,8%. Le dif-ferenze maggiori si sono osservate nel dige-stato finale presente nelle vasche di stoccag-

gio dove la concentrazione di azoto totale è ri-sultata pari a 4.783 mg/l (6,89%ST) e una per-centuale di azoto ammoniacale del 51,7%. Ilcontenuto medio di fosforo totale è risultatopari a circa l’1% dei solidi totali presenti.

3.4 Indici di efficienza

In Tabella 7 vengono sintetizzati i diversi pa-rametri di valutazione dell’impianto. La pro-duzione di biogas, misurata dall’analizzatorevolumetrico installato presso il cogeneratore,nel periodo monitorato è risultata pari a4.866.136 m3 (10.648 m3/giorno), con unapercentuale di metano media di 52,8% cheha portato ad una produzione di metano pa-ri a 2.521.269 m3 (5.517 m3/giorno). Rappor-tando tali produzioni all’arco temporale an-nuale le produzioni sono risultate pari a:

Tab. 7 – Indici di efficienza produttiva dell’impianto

Indice Unità di misura ValoreCarico organico volumetrico (COV) kgSV/m3

digestore/giorno 2,29Tempo di ritenzione idraulica Giorni 138

Resa specifica di conversione in biogasNm3/t SV 638

Nm3/t tal quale 221

Resa specifica di conversione in metanoNm3/t SV 331

Nm3/t tal quale 114Percentuale metano % 51,8Produzione gas per unità di volume di digestione (GPR) Nm3/m3

digestore/giorno 1,36Resa specifica di conversione in energia elettrica kWhe/kgSV 1,37

3.886.520 m3 di biogas, equivalenti a2.013.705 m3 di metano. Considerando laquantità di solidi volatili complessivamentecaricata (7.631 t) la resa di conversione bio-logica delle biomasse è stata 638 Nm3/tSV,corrispondente a 331 Nm3/tSV di metano. Intermini di produzione di gas rapportata al ca-rico tal quale, la resa di biogas è risultata pa-ri a 212 Nm3/t (109 Nm3 metano/t). Tali valo-ri non tengono conto del biogas combustonella torcia di emergenza (74 ore di accen-sione nel periodo monitorato), per la qualenon è disponibile la portata di gas, e le even-tuali perdite in atmosfera dalle valvole di sfia-to di sicurezza. Considerando, in prima ap-prossimazione, una portata di gas similare aquella che viene utilizzata dal cogeneratoretali perdite possono essere stimate nell’1%della produzione utile. La produzione speci-fica di gas per unità di volume di digestioneanaerobica (GPR, Gas Production Rate),escludendo quindi la volumetria delle vaschedi stoccaggio, è risultata pari a 1,36 m3 bio-gas/m3 digestore/giorno, mentre il tempo di ri-tenzione idraulica medio pari a 138 giorni. In-fine, sotto il profilo della produzione elettricasono stati prodotti 1,37 kWh/kgSV.

3.5 Principali problematiche costruttive/ge-stionali

Le principali problematiche costruttive/gestio-nali riscontrate sono legate ai seguenti aspetti:• costruzione opere edili: nel corso del collau-

do delle opere edili delle vasche dei dige-stori anaerobici sono state verificate perditeche hanno comportato interventi successividi sigillatura;

• teli di copertura gasometrica: lacerazioni lo-calizzate delle saldature da tensione ec-cessiva nei mesi estivi, a causa del surri-scaldamento del gas contenuto e disassa-mento per tensioni differenziali fra le diver-se esposizioni. Tali inconvenienti sono statirisolti sostituendo il telo, modificando la se-zione di scarico dell’aria di sostegno pneu-matico e modificando i protocolli delle pro-cedure ispettive. Inoltre nel periodo inver-nale, un inadeguato scarico degli sgoccio-latoi ha determinato la formazione di ghiac-cio, sulle bocche di aspirazione delle sof-fianti di sostentamento pneumatico del ga-sometro, determinando una riduzione di

portata d’aria. Come conseguenza diretta siè verificato uno sgonfiamento del telo e unaccumulo di acqua, ghiaccio e neve chehanno imposto un intervento tempestivo discarico manuale degli accumuli per evitarela rottura del telo;

• deumidificazione del biogas: il sistema di raf-freddamento del biogas si è dimostrato perun certo periodo non sufficiente a garantirela condensazione ottimale del vapore ac-queo presente nel biogas. La condensazio-ne del vapore acqueo è fondamentale perpreservare il buon funzionamento delle com-ponenti meccaniche a valle nonché per ri-durre al minimo la formazione di condenseacide corrosive. Ciò ha portato a diversi fer-mi del motore per manutenzioni straordina-rie. La sostituzione del chiller e l’adegua-mento dello scambiatore hanno risolto laproblematica;

• container del gruppo cogenerativo: a segui-to di un fenomeno di risonanza indotta dallevibrazioni del gruppo cogenerativo le emis-sioni acustiche del container sono risultatesuperiori ai limiti dichiarati. Tale inconve-niente è stato tamponato con un interventodi zavorramento del tetto del container. So-no stati, inoltre, riscontrati problemi nel di-mensionamento dei condotti di aspirazionedell’aria di raffreddamento della sala mac-chine e del filtro polveri installato;

• gestione fornitura di biomasse: le maggioridifficoltà sono state riscontrate nella notevo-le variabilità della qualità delle biomasse re-perite sul mercato, ma anche della variabili-tà temporale delle colture insilate che hannocomportato l’adozione di un preciso proto-collo di monitoraggio e l’acquisizione di unatermobilancia ad infrarossi. Il materiale pro-dotto nel 2010 (insilato di mais) è stato rac-colto con un certo anticipo a causa di unagrandinata che ha compromesso, verso lafine del mese di luglio, il regolare completa-mento del ciclo vegetativo della pianta dimais. Ciò ha provocato una riduzione sensi-bile della produzione areica, stimata in circail 15%, e un insilamento di un prodotto conuna umidità sensibilmente superiore al va-lore ottimale (28-29% contro il 32-33% me-diamente raccolto nel 2009). L’elevata umi-dità di raccolta ha comportato un notevolepercolamento dalle trincee che è stato, pe-rò, collettato dalle fognature ed avviato a di-


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gestione anaerobica. Oltre ai problemi lega-ti alla qualità del prodotto, sono stati riscon-trati anche problemi gestionali legati alla lo-gistica della raccolta: l’intervallo di tempo du-rante il quale l’umidità della pianta è ottima-le per la resa produttiva e l’insilamento èmolto breve (10 giorni circa) e contrasta conl’esigenza della dimensione del cantiere diraccolta che deve poter lavorare con celeri-tà e senza interruzioni una superficie di cir-ca 300 ha. Nel periodo di raccolta si sonosucceduti diversi eventi meteorici piovosiche hanno interrotto il programma di raccol-ta e allungato il tempo di riempimento dei si-li e la relativa copertura, aumentando cosìle perdite da respirazione del prodotto giàraccolto.

Nel corso del primo anno di attività il gestoredell’impianto ha messo a punto un programmadi apposite ronde ispettive, di manutenzionepreventiva e gestione predittiva che ha per-messo di ridurre al minimo la variabilità dellaproduzione. L’azienda si è inoltre dotata di unprogramma di monitoraggio di tutte le bio-masse caricate e acquisite che hanno per-messo di redigere report periodici di controllodell’efficienza.

4. CONCLUSIONI

Nel settore agro-zootecnico la produzione dibiogas e la relativa trasformazione in energiaelettrica è divenuta una realtà consolidata. Lematrici che possono essere utilizzate sonorappresentate sia da effluenti zootecnici tal

quali che in miscela con colture energetichee/o sottoprodotti agroindustriali. In entrambi icasi, però, una corretta progettazione degli im-pianti che consideri le peculiarità delle matriciutilizzate è indispensabile per un buon funzio-namento.Nel caso degli impianti alimentati prevalente-mente a colture energetiche, la costanza delprodotto permette di costruire impianti affida-bili anche se più complessi e con esigenze dicompetenze sia ingegneristiche che biologi-che importanti. L’aggiunta di sottoprodottiagroindustriali pone il problema della costan-za dell’approvvigionamento sia in termini qua-litativi che quantitativi, il cui effetto può esse-re attenuato solo se le matrici sono insilabiliovvero se la quota di carico prevalente rima-ne la coltura energetica. Nel caso preso in esame le rese di trasfor-mazione della sostanza organica caricata èrisultata molto vicina ai valori riscontrabili inletteratura: a fronte di un carico complessivodi 18.311 t/anno (6.095 tSV/anno) la produ-zione di biogas è risultata pari a 3.886.000Nm3/anno (2.013.000 Nm3 metano/a). In ter-mini specifici ciò ha comportato una resa diconversione biologica di 638 Nm3 biogas/t SVcon una percentuale di metano del 51,8%che porta ad una resa in metano di 331 Nm3/tSV. L’affidabilità dell’impiantistica è dimostra-ta dal fatto che in 15 mesi di monitoraggio ilcogeneratore ha funzionato al 94,4% del ca-rico massimo producendo 22,66 MWh al gior-no, equivalente a circa 8.270 MWh per anno.Il rendimento elettrico monitorato è stato vi-cino al 41%. Considerando la taglia dimen-sionale dell’impianto di cogenerazione e i re-lativi rendimenti elettrici, la resa in energiaelettrica ottenuta è risultata essere pari a1,36 kWhe/kgSV. Non sono mancati problemidi carattere impiantistico e gestionale: le pro-blematiche maggiori sono state legate allecoperture, all’allestimento del gruppo di co-generazione e alla gestione biologica. L’ado-zione del monitoraggio continuo dell’impian-to, per mezzo della registrazione di tutti i pa-rametri funzionali e di carico nonché delle ca-ratteristiche chimiche del digestato ha con-sentito di gestire in modo ottimale l’impianto.In particolare la registrazione del rapporto fraacidità e alcalinità totale (nel caso specificocondotta con analisi definite dal rapportoFOS/TAC) ha permesso di affrontare con an-


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Fig. 7 – Vista aerea dell’impianto di digestioneanaerobica di Volta Mantovana (MN)

ticipo una acidosi da carenza di micronu-trienti evitando il blocco biologico dell’im-pianto. L’esperienza maturata nella condu-zione ha fornito, inoltre, gli elementi per redi-gere una programma di controlli ispettivi e dimanutenzione preventiva e predittiva dell’im-pianto.

BIBLIOGRAFIA[1] CRPA – Energia dal biogas – Manuale pratico (II

Ed.). Edito AIEL, pp. 104, 2008.

[2] CRPA – Biogas e cogenerazione nell’allevamen-to suinicolo – Manuale pratico. Edito ENEL spa,pp. 208, 1996.

[3] Fabbri C., Piccinini S. – Colture dedicate e sot-toprodotti per un’efficiente codigestione – L’infor-matore agrario, vol. 1, pp. 57-61, 2010.

[4] Fabbri C., Soldano M., Piccinini S. – L’agricol-tore crede nel biogas e i numeri lo confermano –L’informatore agrario, vol. 30, pp. 64-67, 2010.

[5] Ligabue M., Mantovi P. – Energia da biomassecon il progetto Seq-Cure. Agricoltura, luglio-agosto2007, pp. 97-99, 2007.

[6] Soldano M., Fabbri C., Verzellesi F., PiccininiS. – Biogas, monitorare un impianto per migliora-re le rese produttive – Supplemento a L’informa-tore agrario, vol. 38, pp. 35-38, 2008.

CURRICULAClaudio Fabbri – Nato a Milano nel 1964, laureatocon 110/110 in Scienze Agrarie presso l’Università de-gli Studi di Milano nel 1992, dal 1993 ad oggi opera,in qualità di ricercatore senior, presso il Centro Ri-cerche Produzioni Animali di Reggio Emilia. Ha svol-to la sua attività nell’ambito di numerosi progetti di ri-cerca, sperimentazione ed assistenza tecnica, finan-ziati dalla Regione Emilia-Romagna, dall’ENEA, dalCNR, dall’ENEL, dall’ANPA, dai Ministeri dell’Am-biente e delle Politiche Agricole e Forestali, dallaCommissione Europea, occupandosi di: tecnologieelettriche a risparmio energetico, macchine e mec-canizzazione agricola, emissioni in atmosfera di gasclimalteranti, gas ad effetto serra e composti osmo-geni, caratterizzazione, trattamento e gestione deglieffluenti zootecnici e dei reflui agro-industriali, delladigestione anaerobica, di analisi energetica nelleaziende zootecniche e nell’agro-industria, di risana-mento ambientale di aree con elevata attività agrico-la, zootecnica ed agro-industriale. È autore o coau-tore di circa 90 pubblicazioni di carattere scientifico etecnico divulgativo.

Sami Shams-Eddin – Nato a Parma nel 1973 lau-reato in Ingegneria Meccanica con indirizzo impiantipresso la Facoltà di Ingegneria dell’Università degliStudi di Brescia con tesi sulla “Complessità di prodot-to e processo nella filiera dell’elettrodomestico” lavo-ra dal 2002 al 2009 per il gruppo Huntsman presentein diversi settori della chimica a livello globale. Qui sioccupa di diversi aspetti tecnico organizzativi nellefunzioni ingegneria e manutenzione: parte dallo svi-luppo di nuovi progetti impiantistici nella solfonazionedi alcoli naturali ed etossilati, implementa il modulomanutenzione della piattaforma SAP in relazione allaquale con responsabilità tecnico economiche su di-versi siti europei si occupa di modellizzazione di pro-cessi, di gestione magazzini e centri di lavoro e cen-tri di costo, di acquisti, di rispetto della legge Sarba-nes Oxley act. Mette in atto sempre a livello europeosistemi di manutenzione preventiva e predditiva ba-sati sulla stessa piattaforma e porta avanti progetti 6sigma specifici alla manutenzione industriale. Benefi-cia di numerose occasioni formative che spaziano dal-la sicurezza ed impatto ambientale acquisiti presso lelocali autorità di controllo ASL, fino ai concetti di LeanThinking acquisiti presso il Massachusset Institute ofTechnology di Boston. Nel 2005 inizia ad interessarsidi bioenergie nel campo agricolo e nel 2009 lascia ilgruppo Huntsman per dedicarsi interamente al setto-re biogas.

Filippo Bondi – Nato a Milano nel 1973 e laureatoin economia e commercio presso la Facoltà di Eco-nomia e Commercio dell’Università degli studi di Ve-rona con tesi sul “Regime delle quote latte in Italia”,pratica attività professionale come commercialista aVerona fino al 2004. Svolge attività di ristrutturazionee recupero di manufatti rurali storici e segue l’aziendaagricola di famiglia implementando processi di miglio-ramento fondiario. Nel 2005 si interessa di bioenergiee dal 2009 si occupa di digestione anaerobica.

Sergio Piccinini – Laureato con lode in Chimicapresso l’Università di Modena nel 1981, dal 1983 adoggi opera, in qualità di ricercatore e responsabile dellaboratorio chimico, presso il Centro Ricerche Pro-duzioni Animali di Reggio Emilia, Settore Ambiente;dal 1998 ha assunto la direzione del settore stesso.Ha svolto la sua attività nell’ambito di numerosi pro-getti di ricerca, sperimentazione ed assistenza tecni-ca, occupandosi principalmente di caratterizzazione,trattamento e gestione dei reflui zootecnici ed agro-industriali, di aspetti di processo della depurazioneaerobica, della digestione anaerobica e del compo-staggio, di analisi energetica nelle aziende zootecni-che e nell’agro-industria e di risanamento ambienta-le di aree con elevata attività agricola, zootecnica edagro-industriale. È membro dell’Accademia dei Ge-orgofili, dell’ITABIA (Italian Biomass Association), del-la IWQ (International Water Association), del Comita-to Tecnico del Consorzio Italiano Biogas, del Comita-to Scientifico della Piattaforma Italiana Biofuels e delnetwork europeo sul riciclo in agricoltura dei residuiorganici (Ramiran). È autore o coautore di oltre 120pubblicazioni di carattere scientifico e tecnico.


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Efficienza e problematiche di un impianto Biogas a colture dedicate

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