1. TuttoAmbiente Srl
Ricerca Servizi e Formazione
PRODUZIONE DI ENERGIA DA
BIOGAS
Giovedì 28 maggio 2009
“La produzione del biogas ed il suo utilizzo -
I processi – Impianti aziendali di digestione
anaerobica”
Pierluigi Navarotto
pierluigi.navarotto@fastwebnet.it
2. La digestione anaerobica
è 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.
4. 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 era
risolvere 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 impianti
sperimentali.
5. REGIONE EMILIA-ROMAGNA
EMILIA-
Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione
Attività
(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)
6. REGIONE EMILIA-ROMAGNA
EMILIA-
Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione
Attività
(a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.)
C.R.P.A.)
CONCLUSIONI:
La tecnologia del biogas, con le soluzioni impiantistiche
attualmente proposte per i liquami zootecnici, non è
conveniente dal punto di vista del recupero energetico.
Per favorire ugualmente la diffusione della tecnologia si è
sostenuto che alcuni vantaggi aggiuntivi possono
modificare il bilancio, rendendolo positivo e quindi
interessante per l’allevatore.
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.
7. REGIONE EMILIA-ROMAGNA
EMILIA-
Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione
Attività
(a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.)
C.R.P.A.)
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.
Restano i benefici, non secondari, della riduzione degli odori e
della 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 più
semplici. Per esempio, tecnologie non preposte al recupero
energetico quale il trattamento aerobico intermittente e a basso
impegno di potenza, hanno costi di investimento di gran lunga
inferiori e possono rendere l’operazione economicamente più
conveniente.
8. La ricerca evidenzia:
• La insufficiente efficienza depurativa della digestione
anaerobica (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.
9. • nel frattempo:
- l’Utilizzazione Agronomica viene individuata come la
soluzione da privilegiare per lo smaltimento degli
effluenti zootecnici.
- ciò rende nuovamente interessante la D.A. grazie alla
sua valenza ambientale (stabilizzazione - riduzione
odori - emissioni) a patto che i costi dell’impianto siano
contenuti.
- da qui lo sviluppo di tecnologie semplificate (a basso
costo).
10. Schema di impianto di biogas semplificato, senza
riscaldamento
rotovaglio serbatoio di stoccaggio
biogas agli
utilizzi
sistema galleggiante di
raccolta gas
frazione solida
vasca di raccolta
e sollevamento lagone o vasca di accumulo
La produzione di metano ottenibile è di circa 15
m3/anno per 100 kg di peso vivo suino
(circa 25 m3/anno di biogas)
11. • nel frattempo:
- la CIP6/92: premia la produzione di E.E. da fonti
CIP6/92
rinnovabili e favorisce l’utilizzazione del biogas in
cogenerazione
- La disponibilità di calore risveglia l’interesse verso la
mesofilia
12. Schema di impianto di biogas semplificato
con riscaldamento
sistema di copertura e
raccolta biogas a singola
o a doppia membrana
rotovaglio
biogas agli utilizzi
frazione solida
vasca di raccolta acqua calda
e sollevamento
energia
elettrica
biogas sistema di riscaldamento
cogeneratore
La produzione di metano ottenibile è di circa
21 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino
(circa 35 m3/anno di biogas)
13. SONO IMPIANTI CHE HANNO
VALENZA PREVALENTEMENTE
AMBIENTALE
- controllo odori
- riduzione emissioni di gas serra
14. 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. …
15. … 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
17. Le tecniche di digestione
Le 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.
18. Le tecniche di digestione
La 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.
19. 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.
20. Esempio di digestore di seconda
generazione…
Fonte: http://www.biogas-thoeni.com/it
21. Biomasse e scarti organici avviabili a D.A. e loro
resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili)
Materiali m3 biogas/t SV
Deiezioni animali (suini, bovini, avi- 200 - 500
cunicoli)
Residui colturali (paglia, colletti 350 - 400
barbabietole..)
Scarti organici agroindustria
(siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e 400 - 800
reflui di distillerie, birrerie e cantine..)
Scarti organici macellazione
(grassi, contenuto stomacale ed 550 - 1000
intestinale, sangue, fanghi di
flottazione…)
Fanghi di depurazione 250 - 350
Frazione organica rifiuti urbani 400 - 600
Colture energetiche (mais, sorgo 550 - 750
zuccherino…)
22. Essenziale garantire condizioni di efficienza
Realizzare 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!
24. I requisiti di buona realizzazione
Sufficiente coibentazione del digestore
Sistema di riscaldamento idoneo a fornire il calore di
termostatazione (35 – 40°C);
Oblò di controllo;
Mixer interno efficace;
Alimentazione dei “maprov” direttamente nel digestore;
Disponibilità di sufficiente stoccaggio del biogas;
Sono comunque solo un prerequisito...
25. LA > O < PRODUZIONE DI BIOGAS E’ FUNZIONE DELLA
CORRETTA 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,…)
26. I problemi legati ai più comuni errori alimentari
possono 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
27. E’ 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
28. Il trattamento del biogas
- essiccazione: nella condensa si concentrano pure NH3,
H2S, polveri ed altre impurità.
- 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 finalmente…
29. …alla cogenerazione
- motori a gas
rendimenti in Energia Elettrica 35 – 40 % circa
- motori a diesel-gas (iniezione pilota)
rendimenti in Energia Elettrica 39 – 44 % circa
- turbine a gas
rendimenti in Energia Elettrica 30 % circa
…utilizzo Energia Termica!
30. Alcuni esempi:
- Impianto per 100 vacche da latte e rimonta, potenza
installata 35 KWel
- Impianto per 300 vacche da latte, potenza installata
100 KWel
- Impianto per 5.000 suini + biomassa, potenza
installata 250 KWel
- Impianto per 10.000 suini + biomassa, potenza
installata 625 KWel
- Impianto da 1 MWel (100 vacche da latte + biomassa)
32. All.to 10.000 capi da All.to 100 vacche da latte +
TABELLA RIASSUNTIVA ingrasso + 8.500 t/y 18.250 t/y maprov 1000
maprov 625 KWel KWel
Potenza elettrica installata (Kwel) 625 1000
E.el netta prodotta (KWh/y) 4.512.500 7.720.000
Digestori (n°/m³) 2 x 2.500 m³ 2 x 2.300 m³ / 1 x 2.600
Costo 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 GESTIONE
Lavoro+manutenzioni+
autoconsumi 538.000,00 925.000,00
RICAVI
Tariffa 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
Tipologia impiantistica e gestione
Ma attenzione!!
rivestono un ruolo fondamentale
34. 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.
35. I POSSIBILI SVILUPPI DEL SETTORE
- la destinazione “energetica” della SAU
richiede 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 risorsa
economica-ambientale
36. Conclusioni
… molto diverse da quelle di 22 anni fa!
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
37. Conclusioni
- 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