Produzione efficiente di biogas da digestione anaerobica ... · Perdite economiche (il biogas...
Transcript of Produzione efficiente di biogas da digestione anaerobica ... · Perdite economiche (il biogas...
Produzione efficiente di biogas da
digestione anaerobica di matrici agro-
alimentari: quadro
attuale in Piemonte e indicazioni di
sviluppo razionale
P. Balsari, F. GioelliFacoltà di Agraria, Università degli Studi di Torino
0
50
100
150
200
250
300
350
An
te
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2000
Imp
ian
ti (
n)
Anni
Andamento del numero di impianti di biogas
nel settore agro-zootecnico in Italia
(R
iela
bo
rato
da C
RP
A,
20
11
)
2011
400
450
500
550
1
80
210
33
78
17
63
88
2
33
3
7
529 Impianti(136 in costruzione)
(Dati DEIAFA-CRPA, 2011)
4
6
2
Gli impianti di biogas nel settore agro-
zootecnico in Italia
1
GLI IMPIANTI DI BIOGAS IN PIEMONTE
In funzione 10
Autorizzati 28
In autorizzazione
17
(Fonte, DEIAFA – Regione Piemonte - 2011)
TOTALE: 80 impianti
IN FUNZIONE = 18
AUTORIZZATI = 34
IN
AUTORIZZAZIONE = 28
Dislocazione degli impianti di biogas nel settore agro-zootecnico in Piemonte
(Fonte, DEIAFA 2010)
Molti impianti sono ubicati in zone vulnerabili
ai nitrati
Potenza elettrica complessiva: ~ 27MWPotenza elettrica media per impianto: ~ 0,5MW (min. 0,1MW ÷ max. 1,25MW)
21
0
14
27 27
2
6
1
0
5
10
15
20
25
30
Operativi In costruzione In attesa di
autorizzazione
Imp
ian
ti (
n)
Reflui zootecnici
Reflui zootecnici
+biomasse vegetali
Solo biomasse vegetali
GLI IMPIANTI DI BIOGAS IN PIEMONTE
Tipologia di biomassa utilizzata
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEGLI IMPIANTI DI BIOGAS IN PIEMONTE
Potenza elettrica installata (kWel)
0
10
20
30
40
50
< 100 kWel 100-500 kWel 501-1000 kWel > 1000 kWel
Inc
ide
nza s
ul
tota
le (
%)
60
(Fonte, DEIAFA 2010)
COME FUNZIONANO GLI IMPIANTI DI BIOGAS REALIZZATI IN PIEMONTE
Monitoraggio DEIAFA – Facoltà di Agraria - Università di Torino
(progetto PROBIO - Regione Piemonte)
4 impianti monitorati sul territorio piemontese a partire dal 2009:
Impianti 1 e 2: Provincia di TorinoImpianto 3: Provincia di Alessandria
Impianto 4: Provincia di Cuneo
Principali parametri rilevati:
-Tipologia di alimentazione degli impianti di D.A. (caratteristiche e quantità delle biomasse di input)
- Produzioni di biogas e metano- Ore di funzionamento dei cogeneratori- Produzione di energia elettrica- Eventuali inconvenienti funzionali
Il monitoraggio degli impianti di digestione anaerobica in funzione sul territorio piemontese
(progetto PROBIO finanziato dalla Regione Piemonte)
PARAMETRI OPERATIVI DEGLI IMPIANTI MONITORATI
F Alimentati in continuo e miscelati (CSTR)
F Tutti in mesofilia (40-41°C)
F Tutti in codigestione
b) Tipo di biomassa utilizzata
41
55
37
22
0
10
20
30
40
50
60
Reflui zootecnici
35
49
Energy crops
Sottoprodotti
agro-industriali
Inc
ide
nza s
ul
ca
rico
org
an
ico
(%
)
1 2 3 4
Impianti
31
14 16
63
32
70
5
RISULTATI OTTENUTI
Carichi organici medi
1,07
2,021,74
1,27
0
1
2
3
4
1 2 3 4
Impianti
Ca
ric
hi o
rga
nic
i m
ed
i
(kg
SV
/m3
dig
es
tore
)
Indagine DEIAFA sul funzionamento degli impianti di biogas in Piemonte
Tempo di Ritenzione Idraulica (HRT)
100 100 95
40
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4
Impianti
HR
T (
gio
rni)
RISULTATI OTTENUTI
Indagine DEIAFA sul funzionamento degli impianti di biogas in Piemonte
Produzione specifica Metano
0,31
0,470,4
0,49
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1 2 3 4
Impianti
Pro
du
zio
ne
spec
ific
a
Met
ano
(m
3/kg
SV
)
Rapporto tra energia elettrica prodotta e energia
elettrica potenziale
0,97
0,87
0,82
0,89
0,7
0,8
0,9
1,0
1 2 3 4
Impianti
Rap
po
rto
tra
en
erg
ia
pro
do
tta
e
po
ten
zial
e
RISULTATI OTTENUTI
Produzione
reale
Energia
elettrica
Produzione
potenziale
Energia
elettrica
∆
MWh
Perdita
economica
MWh/anno MWh/anno % €/anno
Impianto 1 8611 8760 ~3 ~42.000
Impianto 2 7621 8760 ~13 ~320.000
Impianto 3 8979 10950 ~18 ~550.000
Impianto 4 3928 4380 ~8 ~130.000
La produzione di Energia Elettricanon coincide con quella di progetto
RISULTATI OTTENUTI
Sistema di
alimentazione
30%
Altro
35%
Sistema di
agitazione
35%
(Cogeneratore,ecc.)
Principali cause del fermo impianto
Sintesi delle principali problematiche riscontrate presso gli impianti di D.A. sottoposti a monitoraggio
Carichi organici non ottimali e molto variabili nel tempo
Impianti spesso sovradimensionati
TEMPO RITENZIONE IDRAULICO: ~ 100 GIORNI
CARICO ORGANICO SPECIFICO: < 2,5 kgSV/m3 digestore
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
Carico
org
anic
o s
pecific
o
(KgS
V/m
3dig
. gio
rno)
Esempio: IMPIANTO 2
Andamento del carico organico specifico nel corso del monitoraggio
Media=1,27 kgSV/m3dig. giorno
1,71
0,53
Impianto Impiego dell’energia termica
1
solo una piccola percentuale (<10%) viene utilizzata
per scaldare i digestori e gli uffici. La restante parte è
dissipata.
2
solo il 10% viene impiegato (riscaldamento casa,
stalla, caseificio, digestori e essiccatore). La restante
parte è dissipata.
3solo una piccola percentuale (<10%) impiegata per
scaldare i digestori. La restante parte è dissipata.
4
solo una piccola percentuale (<10%) impiegata per
riscaldare i digestori e le stalle in inverno. La restante
parte viene dissipata.
Sintesi delle principali problematiche riscontrate presso gli impianti di D.A. sottoposti a monitoraggio
Ridotto impiego dell’energia termica
Perdite economiche e ambientali
Malfunzionamenti dei sistemi di separazione del liquame digerito
- Caratteristiche fisiche del liquame digerito differenti da quelle di un liquame tal quale difficile scelta del dispositivo più idoneo
- I separatori meccanici sono progettati per essere impiegati in modo discontinuo, mentre negli impianti di digestione anaerobica è richiesto il funzionamento in continuo maggiore necessità di interventi di manutenzione e frequenti rotture
Sintesi delle principali problematiche riscontrate presso gli impianti di D.A. sottoposti a monitoraggio
Vasche di stoccaggio del digerito sottodimensionate (50 gg di periodo utile di stoccaggio)
50 50 52
128
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1 2 3 4
giorni
Impianto
Utili
Necessari
Sintesi delle principali problematiche riscontrate presso gli impianti di D.A. sottoposti a monitoraggio
NH3
Stoccaggio digerito
CH4NH3CH4
Perdite economiche (il biogas emesso dalla vasca di stoccaggio potrebbe essere recuperato ed utilizzato per la produzione di energia
Sintesi delle principali problematiche riscontrate presso gli impianti di D.A. sottoposti a monitoraggio
Nessuna delle vasche di stoccaggio del liquame digerito risulta coperta
Elevate perdite di ammoniaca e gas serra dagli stoccaggi (~4 t CO2eq. per giorno per impianto da 1 MWhel)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 2 3 4
t C
O2
eq
. Em
ess
e in
atm
osf
era
Impianto
Emissioni in atmosfera (tCO2eq./anno)
Mwhel. non prodotti
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
MW
he
l. n
on
pro
do
tti
Media: 228MWhel.
Media: 1218tCO2eq
Emissioni di CO2eq. Stimate dalle vasche di stoccaggio del liquame digerito
Monitoraggio degli impianti di D.A.
1) Pianificazione territoriale nel settore della D.A.
Formazione e assistenza tecnica presso gli impianti
di D.A.
Scelta delle biomasse per l’alimentazione degli impianti
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
3) Gestione del digerito aspetti agronomici, ambientali e gestionali
Ottimizzazione dell’impiego del calore prodotto
Prospettive di sviluppo della digestione anaerobica a livello regionale
Utilizzazione agronomica
digeritoNO3
- P
P NO3-
1) Pianificazione territoriale nel settore della D.A.
GHG
Produzione biomasse e trasporto
GHG
Impianto +
cogeneratore
GHG
Stoccaggio
digerito
GHG
GHG
LE POSSIBILI PROBLEMATICHE AMBIENTALI
LEGATE ALLA PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOGAS
L’importanza della sostenibilità ambientale
ENTRO BREVE I SUSSIDI ALLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA
FONTI RINNOVABILINON SARANNO PIU’ IN TERMINI DI
€ x MWh
MA DI
€ x teq
CO2
NON IMMESSA
IN ATMOSFERA
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Emissioni di CO2eq per diverse fonti energetiche
(kg CO2eq/kWhel prodotto)
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Le emissioni di CO2eq per la produzione di energia elettrica da
biogas (risultati emersi dal progetto EU-Agro biogas)
trasporto liquame
digerito +
sua distribuzione
6%
impianto +
co-generatore
5%
stoccaggio digerito
28%
produzione biomasse
+ loro trasporto
61%
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Le emissioni di CO2eq per la produzione
di energia elettrica da biogas
SOLO
REFLUI ZOOTECNICI
REFLUI ZOOTECNICI
+
ENERGY CROPS
CH4
CH4
CO2CH4
N2ONH3
CO2
CH4
CH4CO2
CH4
N2ONH3
0,25 kg CO2eq/kWhel prodotto
0,60 kg CO2eq/kWhel prodotto
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Risultati ottenuti nell’ambito del progetto EU Agrobiogas
Elettricità (fossile)
Risparmio emissioni
Kg CO2eq per kWelettrico prodotto non immessi in
atmosfera
0,470,58
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
kg
CO
2eq
/kW
hel
Utilizzo energia
termica
Non utilizzo
energia termica
0,34
0,53
Non recupero
biogas da
stoccaggio
Recupero
biogas da
stoccaggio
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Ottimizzazione dell’impiego del calore prodotto
75 25
Frequenza impianti (%)
Qu
ota
di calo
re p
rod
ott
a
riu
tili
zzata
in
azie
nd
a (
%)
≥10%
<10%
La situazione piemontese
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
Essiccazione di:
- Granella
- Segatura, trinciato
(utilizzabili come lettiera)
- Pellets
- Frazione solida digerita
Pre trattamenti termici delle biomasse:
- Letami
- Paglie
- Frazione solida digerita
Possibilità di impiego dell’energia termica prodotta
Ottimizzazione dell’impiego del calore prodotto
2) Miglioramento dell’efficienza energetica ed ambientale degli impianti
DA
Caso A Caso B
DA
Limiti Direttiva Nitrati(170-340 kgN/ha)
Limiti Direttiva Nitrati(170-340 kgN/ha)
- Per quota non zootecnica limite legato al fabbisogno colturale (PUA)
- Solo per quota zootecnica
Colture energetiche
dedicate
Altri sottoprodotti
Solo reflui zootecnici
3) Gestione del digerito aspetti agronomici, normativi e gestionali
L’AZOTO DA GESTIRE
1 MWhel
DA
INPUT
OUTPUT
2.5 t silomais
~11 kgdi N
= ~600m2 di terreno disponibile
(zona vulnerabile)
Per un impianto da un MWel. = 550 ha di terreno disponibile per lo spandimento del digerito
3) Gestione del digerito aspetti agronomici, normativi e gestionali
(Tipo di biomassa utilizzata)
N da gestire/anno(impianto da 1MW el.)
550 ha
225 ha
Su
perfi
cie
necessaria
per lo
sp
an
dim
en
to d
el d
igerit
o (
ha)
Solo silomais
280 kgN/ha170 kgN/ha 340 kgN/ha
336 ha
94t
N t
ot.
Da g
esti
re (
t/an
no
)3) Gestione del digerito aspetti agronomici, normativi e gestionali
Necessaria maggiore attenzione a livello progettuale
Maggiore attenzione ambientale
- Ridurre quota di energy crops nella miscela di input- Uso dell’energia termica- Copertura vasca di stoccaggio
- Volumi dei digestori più adeguati
- Vasche di stoccaggio idonee
- HRT minori
Implementare l’assistenza tecnica nella “gestione” degli impianti
Ridurre le variazioni del carico organico
CONCLUSIONI
La realizzazione di un impianto di digestione anaerobica va considerata esaminando tutti gli aspetti della filiera e soprattutto quelli che possono avere un impatto negativo sull’ambiente
pianificazione territoriale degli impianti di digestione anaerobica
CONCLUSIONI