L’uso e la produzione di bio-gas a fini energetici

Costante M. InvernizziUniversita degli Studi di Brescia

costante.invernizzi@unibs.it

28 ottobre 2008

Outline

1 La gestione dei reflui zootecnici

2 Il processo di digestione anaerobica

3 Un esempio: l’impianto consortile di Marsciano

4 Le caratteristiche di alcuni impianti a biogasLa tipologia di biomassaLe prestazioni dei motori

5 Due esempi di analisi di fattibilita tecnico–economica

La gestione dei reflui zootecniciLa popolazione suina in Italia [1]

I capi di suini inItalia nell’anno 2005ammontavano a cir-ca 9 milioni. I da-ti in figura danno ladistribuzione in per-centuale fra le varieregioni italiane.

Il 44 % dei capi suini censiti nel 2000 erano allevati in Lombardia.Piu della meta della produzione lombarda e nelle provincie diBrescia e Mantova. Ai capi suini vanno poi aggiunti i bovini ed icapi avicoli.

La gestione dei reflui zootecniciL’impatto ambientale, [1]

Dai dati statistici degli ultimi anni si osserva:

1 la tendenza ad un aumento del numero di capi allevati

2 una sensibile riduzione del numero di aziende presenti sulterritorio

Il numero crescente di allevamenti intensivi, in particolare di suini,ha provocato l’applicazione di quantita eccessive di refluizootecnici ai terreni, acuendo i rischi di impatto ambientale dialcune pratiche agronomiche. Per molte aziende la gestione delledeiezioni animali e divenuta una delle principali voci di costo e cioche rappresentava una fonte per la salvaguardia della fertilita deiterreni rischia oggi di avere un impatto sull’ambiente.

La gestione dei reflui zootecniciLe soluzioni tradizionali per il trattamento dei liquami, [1]

Tre diverse soluzioni per il trattamento dei liquami (suinicoli, inparticolare):

1 impianto di trattamento con fase biologica a processo SBR 1;

2 impianto di trattamento con digestione anaerobica dei fanghie recupero energetico del biogas;

3 impianto per la gestione integrata reflui–FORSU 2

1Sequencing Batch Reactor2FORSU = Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano. Impianti di questo

genere utilizzano in modo combinato i fanghi prodotti da impianti didepurazione delle acque reflue e la frazione organica dei rifiuti da raccoltadifferenziata.

La gestione dei reflui zootecniciRimozione dell’azoto – Impianto di trattamento con fase biologica a processo SBR

Gli impianticon reattoriSBR effet-tuano untrattamentobiologicoalternandofasi di caricodel liquamea fasi discarico delchiarificato.

Tipicamente, nei liquami sono presenti circa 4–5 kg di ammoniacaper metro cubo. Il classico processo di nitrificazione ede-nitrificazione consuma mediamente 20–30 kWh per metro cubodi liquame (suino) trattato.

La gestione dei reflui zootecniciRimozione dell’azoto e produzione di biogas – Impianto di trattamento SBR e digestione

anaerobica

I fanghi pri-mari e di su-pero rimossicon la flot-tazione ven-gono destina-ti alla fasedi digestioneanaerobica.

Dalla digestione anaerobica si ottiene biogas con un contenuto dimetano variabile dal 40 al 70 %, impiegabile in motori acombustione interna. Dal cogeneratore si ottiene energia elettricaed energia termica per il riscaldamento del digestore edeventualmente per il servizio di utenze dedicate.

La gestione dei reflui zootecniciGli impianti a biogas in Italia, [2]

In Italia, al gennaio 2008, gli impianti a biogas risultavano 154. Diquesti:

• 22 in costruzione

• 17 in fase di autorizzazione

Tipologia di substrato trattato Impianti (no.)

solo liquame suino 44 (28.6%)solo liquame bovino 38 (24.7%)liquame suino e bovino 5 (3.25%)liquame bovino e/o suino e/o pollina+ scarti organici + colture energetiche 35 (22.7%)liquame bovino e/o suino e/o pollina+ colture energetiche 20 (12.99%)colture energetiche e/o scarti organici 9 (5.84%)pollina + scarti organici e/o colture energetiche 3 (1.95%)TOTALE 154 (100%)

La gestione dei reflui zootecniciGli impianti a biogas in Italia, [2]

In Italia, al gennaio 2008, la potenza elettrica totale degli impiantia biogas risultava pari a 49 MW. Con la seguente distribuzione

Potenza elettrica nominale (kW) Impianti (no.)

minore di 100 44 (28.6%)110–500 28500–1000 19maggiore di 1000 14 (9.1%)biogas in caldaia 8dato non disponibile 41totale 154 (100%)

Quasi il 90 % degli impianti destinati alla generazione di energiaelettrica (per i quali sono disponibili i dati) ha potenze elettricheinferiori al MW.

Il processo di digestione anaerobicaI fondamenti I, [1]

• La degradazione biologica della sostanza organica incondizioni di anaerobiosi (in assenza di ossigeno molecolare olegato ad altri elementi, come nel caso dell’azoto nitrico,NO−3 ) determina la formazione di una miscela gassosa, i cuicomponenti principali sono il metano e l’anidride carboonica.

• L’attivita di degradazione e svolta da diversi gruppi microbiciche interagiscono fra loro: i batteri idrolitici, i batteriacidificanti, i batteri metanigeni (quelli che producono metanoe CO2).

• I batteri metanigeni occupano solo la posizione finale dellacatena trofica anaerobica, nella quale il metano, poco solubilein acqua, passa nella fase gassosa, mentre la CO2 si ripartiscenella fase gassosa e in quella liquida.

Il processo di digestione anaerobicaI fondamenti II, [1]

Ad esempio, nel caso della stabilizzazione anaerobica di unamatrice con formula bruta CaHbOcNd, la reazione stechiometricacomplessiva puo essere rappresentata dalla relazione:

CaHbOcNd → n·CwHxOyNz+m·CH4+s·CO2+r ·H2O+(d − n · z) NH3

con s = a− n · w −m ed r = c − n · y − 2s

E dalla parziale distruzione del materiale organico complesso si hala formazione di metano, anidride carbonica, acqua edammoniaca3.

3L’ammoniaca cosı generata si ritrova nella matrice liquida eva ad aumentare, con quella di origine animale, il carico diazoto.

Il processo di digestione anaerobicaI fondamenti III, [1]

L’attivita biologica anaerobica e stata osservata in un ampiointervallo di temperatura (tra -5 e + 70 gradi centigradi). Piuprecisamente, esistono differenti specie di microrganismiclassificabili in base all’intervallo termico ottimale di crescita:

psicrofili temperature inferiori a 20 gradi centigradi

mesofili temperature comprese tra i 20 ed i 40 gradi centigradi

termofili temperature superiori a 45 gradi centigradi

Di solito, per la digestione anaerobica dei fanghi di supero prodottidalle acque reflue si ricorre al cosiddetto processo wet.

Il processo di digestione anaerobicaI fondamenti IV, [1]

I processi di tipo wet operano con carichi organici piuttosto bassi,inferiori a 6 kilogrammi di solidi volatili per metro cubo al giorno.La tabella seguente riporta, per un tipico liquame, intervalli tipicidei parametri di funzionamento e delle rese.

Parametro di processo Intervallo

Solidi nel fango trattato, %TS (◦) 10 fino al 15Carico organico, kg di SV (*) per m3 al giorno 2–4Tempo di ritenzione idraulica, giorni 10–15, fino a 30

Rese del processo Intervallo

Produzione specifica biogas, m3 per kg di SV 0.4–0.5Velocita di produzione di biogas, m3 per m3 al giorno 5–6Contenuto di metano, % di CH4 50–70Riduzione della sostanza volatile, % 50–60

(◦)TS = solidi totali. Il contenuto in sostanza secca di un campione. I soliditotali rappresentano la somma della frazione organica e di quella inerte.

(*)SV = solidi volatili.

L’impianto centralizzato di trattamento di MarscianoUn esempio, [1]

L’impianto di depurazione dei reflui zootecnici di Marsciano (PG) estato realizzato nel 1987. Il sistema di collettamento dei liquami,realizzato grazie ad una rete di fognature dedicata, si estende in unbacino d’utenza del raggio di circa sette chilometri.Le realta coinvolte sono:

• il comune di Marsciano (proprietario dell’impianto, dei terrenie si occupa della gestione del sistema)

• alcuni allevamenti di piccole e medie dimensioni cheesercitano attivita di (a) coltivazione dei campi in loropossesso; (b) esclusivamente di allevamento (suini, bovini,galline, conigli e cani)

• agricoltori che non si occupano di allevamento

Il biogas dal trattamento biologico dei liquami e recuperato incogeneratori annessi all’impianto.

L’impianto centralizzato di trattamento di MarscianoDescrizione dell’impianto I, [1]

L’impianto tratta

• i reflui prodotti in 43000 m2 di stalle, per

• un totale annuo complessivo di 130000 m3 ed una

• portata giornaliera di 400–500 m3

I liquami vengono pompati verso due digestori (che operano a30–45 gradi centigradi) cilindrici completamente miscelati delvolume di 6000 m3 ciscuno.Il sistema di miscelazione e realizzato con lance immerse fino allabase dei digestori che insufflano il biogas ricircolato dalla campanagasometrica favorendo l’agitazione del substrato.

L’impianto centralizzato di trattamento di MarscianoDescrizione dell’impianto II, [1]

(a) Il tenore di metano del biogas prodotto e mediamentecompreso tra il 56 ed il 58 %, con punte del 60 %.

(b) Il biogas spillato dalla campana gasometrica vienesottoposto al lavaggio per l’abbattimento dell’acidosolfidrico con due torri scrubber, alimentate dallostesso liquame da depurare addittivato con ipocloritodi sodio.

(c) Segue un abbattimento delle condense e l’utilizzopresso la centrale di cogenerazione.

L’impianto centralizzato di trattamento di MarscianoDescrizione dell’impianto III, [1]

1 Al momento della sua realizzazione l’impianto eraequipaggiato con tre motori da 200 kW ciascuno.

2 Nel 2000 i tre cogeneratori sono stati sostituiti con due dimaggior potenza (375 e 510 kW).

3 Nel 2004 uno dei due motori e stato sostituito con un nuovomodello da 310 kW in seguito ai continui problemi dimanutenzione dovuti all’elevato tenore di acido solfidrico edaltre sostanze inquinanti nel biogas.

L’impianto centralizzato di trattamento di MarscianoDescrizione dell’impianto IV, [1]

Nel progetto originale erano previste anche due vasche per lanitrificazione 4 dell’azoto contenuto nella frazione liquida deiliquami.A causa degli elevati consumi di energia e di additivi che questafase comportava si e decisa la sua eliminazione.

4La nitrificazione consiste nella trasformazione di NH3 in NO−−3 . Il

processo di de-nitrificazione trasforma poi NO−−3 in N2, rilasciato in atmosfera.

Nel caso del liquame suino i consumi di energia sono di 20–30 kWh per m3.

Le caratteristiche di alcuni impianti a biogasEsempi: la biomassa impiegata I

Nella tabella sono riportate le caratteristiche di tre impianti didigestione anaerobica. I dati sono forniti dalla azienda che lirealizza e commercializza.

Potenza nominale (kWe) Input (t/giorno) Output (kW)

50 liquame bovino 4.5 potenza elettrica 50letame bovino 2.7 potenza termica 59insilato di mais 0.82

500 liquame bovino 7.5 potenza elettrica 526letame suino 5 potenza termica 576insilato di mais 16.5insilato di sorgo 11

1000 liquame bovino 26 potenza elettrica 999insilato di mais 36 potenza termica 1100insilato di loietto 18

Le caratteristiche di alcuni impianti a biogasEsempi: la biomassa impiegata II

I valori, stimati, dei contributi alla produzione di biogas delle varietipologie di biomassa utilizzate sono nella tabella seguente.

Potenza nominale (kWe) Output di biogas (Nm3/giorno) Output di biogas (%)

50 407 liquame bovino 28letame bovino 34insilato di mais 38

500 5182 liquame bovino 4letame suino 2insilato di mais 60insilato di sorgo 34

1000 8788 liquame bovino 8insilato di mais 77insilato di loietto 15

Le caratteristiche di alcuni motoriEsempi

Rendimento elettri-co in funzione del-la potenza elettrica(in kW) per alcunimotori a gas.

Il rendimento elettrico aumenta con la taglia del motore. Peresempio: 32 % per 90 kW, 43 % per 2500 kW.Sono dunque privilegiati, per quanto riguarda gli aspetti energetici,gli impianti di elevata potenza.

Analisi di fattibilita tecnico–economicaDue esempi, [1]

Sono stati considerati due possibili impianti realizzabili per iltrattamento dei liquami di allevamenti suinicoli

scenario A impianto di depurazione dei reflui e di recuperoenergetico del biogas prodotto dalla fermentazioneanaerobica.

scenario B impianto per il solo trattamento anaerobico delliquame, a cui vengono aggiunte le biomassenecessarie ad ottenere la miscela ideale per laproduzione di biogas.

Per entrambe le situazioni ipotizzate si sono calcolati:

• il Net Present Value (NPV)

• il tasso di remunerazione interno (IRR)

• il Pay Back Period (PB)

Analisi di fattibilita tecnico–economicalo scenario A I, [1]

Schema di pro-cesso adottatonello scenarioA. Nella fasedi flottazioneavviene la sepa-razione dei solidifini da destinarealla digestioneanaerobica.

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLo scenario A II, [1]

Per il dimensionamento dell’impianto si e considerato di trattareunicamente liquame suino, prodotto in allevamenti con capacita di40000 maiali.Le caratteristiche dei reflui entranti.

Sostanza Quantita TS SV SGP (m3biogas/kgsubstrato(TVS))

liquame suino 350 m3/d 4.5 kg/m3 90 % 0.45

• Produzione di biogas: 6380 Nm3/giorno.

• Tre cogeneratori con potenza elettrica nominale di 190 kWciscuno.

• Nel periodo estivo un surplus di energia termica (1000 MWh)viene utilizzata per l’essicazione di 3500 t di granella di mais(da un tenore di umidita del 28 % a quello del 14 %).

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLo scenario A III, [1]

I calcoli economici sono stati fatti assumendo le tariffe (2006)

1 per la vendita di energia elettrica da fonti rinnovabili

2 ed il prezzo dei certificati verdi

• Tasso di attualizzazione considerato: 5 %

Risultati:

Pay back period 10 anniNPV (al 15mo anno) 650000 euroTasso interno di ritorno (al 10mo anno) 5.3 %

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLo scenario B I, [1]

Schema di pro-cesso adottatonello scenario B.Impianto per ilsolo trattamentoanaerobico delliquame suino,con aggiuntadi biomasse perottenere la mi-scela ideale perla produzione dibiogas.

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLo scenario B II, [1]

In fase di progetto si e deciso di utilizzare, oltre al liquamesuinicolo derivante da un allevamento di 12000 capi, dell’insilato dimais e della glicerina (un prodotto derivante dalla lavorazione delbiodiesel).La composizione della miscela introdotta nel digestore.

Sostanza Quantita TS SV SGP (m3biogas/kgsubstrato(TVS))

liquame suino 100 m3/d 4.5 kg/m3 90 % 0.45insilato di mais 6 t/d 340 kg/t 96 % 0.66glicerina 10 t/d 900 kg/t 90 % 0.89

• Produzione di biogas: 10300 Nm3/giorno.• Un cogeneratore con potenza elettrica nominale di 1 MW.• Nel periodo estivo–autunnale, l’energia termica disponibile

permette l’essicazione di 7000 t di granella di mais (da untenore di umidita del 28 % a quello del 14 %).

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLo scenario B III, [1]

I calcoli economici sono stati fatti assumendo le tariffe (2006)

1 per la vendita di energia elettrica da fonti rinnovabili

2 ed il prezzo dei certificati verdi

• Tasso di attualizzazione considerato: 5 %

Risultati:

Pay back period 6–7 anniNPV (al 15mo anno) 1500000 euroTasso interno di ritorno (al 10mo anno) 11.5 %

Analisi di fattibilita tecnico–economicaLa distribuzione dei costi annuali, [1]

scenario A: Distribuzione inpercentuale dei costi annuali.

(1) manutenzione cogeneratore33%, (2) manutenzione digestore8%, (3) manodopera, (4) costo

degli additivi 29%, (5)assicurazione.

scenario B: Distribuzione in per-centuale dei costi annuali.(1) approvvigionamento glicerina39%, (2) approvvigionamento in-silato 12%, (3) manutenzione co-generatore 31%, (4) manutenzio-ne digestore 4%, (5) manodopera,(6) assicurazione.

Osservazioni conclusive

La gestione dei reflui zootecnici e un problema complesso daimolteplici aspetti.

• La questione prioritaria oggi e la limitazione dello spargimentosui terreni di eccessive quantita di azoto (a salvaguardia dellerisorse idriche)

• La produzione di biogas al solo fine energetico non risolve ilproblema dei nitrati

• I tradizionali processi di nitrificazione e de-nitrificazionerichiedono elevati consumi di energia

• Le aziende agricole intensive sono anche soggette a limitazionisugli effluenti gassosi in atmosfera ed obbligate ad applicare lemigliori tecnologie esistenti (BAT) per contenere gli efflussi diammoniaca, metano ...

La rimizione dei composti azotati va vista e valutatanella sua globalita.

Osservazioni conclusive

• Gli allevamenti piu diffusi nel nostro Paese sono (1) quelliavicoli (171 milioni di capi, nell’anno 2000), (2) quelli suini (9milioni di capi), (3) bovini e bufalini, (4) ovini, ....

• Il processo migliore per trattare le deiezioni avicole non edetto debba necessariamente essere la digestione anaerobica

• L’aggiunta di biomassa ai liquami (per aumentarne la resa inbiogas) ne accresce contemporaneamente il carico inammoniaca

• L’aumento della efficienza energetica richiederebbe l’impiegodi impianti centralizzati di elevata potenza

• Un processo potenzialmente interessante da valutare econsiderare potrebbe anche essere l’immissione del biogas,dopo averne elevata la concentrazione di metano al 95–98 %,nella rete di distribuzione del metano

Andrea Salogni Fattibilita tecnico–economica di un impiantodi trattamento e recupero energetico di reflui zootecnici, tesi dilaurea specialistica ingegneria meccanica, Universita degli studidi Brescia, Facolta di Ingegneria, anno accademico 2005–2006.

Sergio Piccinini Biogas in Italia: lo stato dell’arte, interventoal convegno Digestione anaerobica: opportunita perl’agricoltura e per l’ambiente, Milano, 25 gennaio 2008.