Biogas da effluenti di allevamento in un`azienda

BIOGAS
Biogas da effluenti di allevamento
in un’azienda agricola
improntata all’innovazione
Marco Mezzadri, AIEL
L’Azienda Agricola Livraschino di Milena,
Carlo e Laura Morandi S.S., localizzata
nel Comune di Castelverde (Cremona), è
un’azienda agro-zootecnica le cui attività
produttive risultano ampiamente diversificate e caratterizzate da un elevato grado
di innovazione. La SAU aziendale è di
circa 260 ha tra terreni di proprietà e in
affitto. Le specie allevate sono tacchini da
carne e vacche da latte, i cui effluenti di
allevamento (EA) sono utilizzati nell’impianto di digestione anaerobica.
I tacchini da carne (35.000 capi maschi)
sono allevati su lettiera in 6 capannoni di
dimensioni 135 x 14 metri. Tra un ciclo e
l’altro viene rispettato un vuoto sanitario
di 21 giorni, mentre il tempo di preparazione all’accasamento è pari a 30 giorni
circa. La produzione di carne avviene in
base a contratti di soccida stipulati con
AIA S.p.A., società del Gruppo Veronesi.
Per quanto riguarda l’allevamento di bovini da latte, le vacche in produzione
sono circa 370 (300 in lattazione e 70 in
asciutta), mentre per la rimonta vengono
allevati circa 450-500 capi tra vitelle, man-
zette, manze e manze gravide. Complessivamente l’allevamento di bovini da latte
conta circa 850 capi. L’azienda Livraschino è uno dei 43 allevamenti italiani inseriti nella filiera del latte fresco alta qualità,
no OGM, di COOP Italia. L’allevamento
inoltre sta sperimentando la possibilità
di produrre un latte arricchito con acidi
grassi poli-insaturi ω3 mediante una più
specifica e ricca alimentazione dei bovini
e non più sulla successiva addizione di tali
acidi grassi al latte prodotto.
Per quanto riguarda le energie rinnovabili, l’Azienda Agricola Livraschino è dotata di un impianto fotovoltaico a terra
della potenza installata di 1 MWe e di un
impianto di biogas realizzato da B.T.S.
Biogas srl ed entrato in funzione tra ottobre e novembre del 2013, oggetto della
presente nota tecnica.
ALIMENTAZIONE
DELL’IMPIANTO DI BIOGAS
L’impianto è alimentato giornalmente da
un mix formato da liquame bovino (33 t),
silomais (7 t), letame bovino (5 t) e polli-
Grafico 1 – Incidenza percentuale di ciascuna matrice nella dieta dell’impianto di biogas in termini di massa (tonnellate)
Silomais
na di tacchino (4 t). In particolare, gli EA
bovini sottoposti a digestione anaerobica
(DA) sono pari a 1.825 t/anno di letame e
12.045 t/anno di liquame. Gli EA costituiscono la componente fondamentale nella «dieta» del digestore anaerobico sia in
termini di massa sia in termini di energia
primaria ed elettrica producibile. Relativamente alla massa, gli EA costituiscono
complessivamente più dell’85% del peso
totale delle matrici organiche utilizzate in
DA. La prevalenza degli EA è assoluta anche dal punto di vista del contenuto energetico, dal momento che essi forniscono
quasi i 2/3 dell’energia prodotta (Grafici
1 e 2). Secondo i piani di investimento
dell’azienda agricola, è inoltre previsto un
aumento nel numero dei capi allevati tale
da garantire l’alimentazione del’impianto
di DA esclusivamente con gli EA autoprodotti a livello aziendale.
La densità energetica e le specifiche caratteristiche dei materiali organici utilizzati
sono riportate nel Grafico 3 e nella Tabella
1. È interessante notare come la pollina di
tacchino risulti avere una densità energe-
Grafico 2 – Incidenza percentuale di ciascuna matrice nella dieta dell’impianto di biogas in termini di input energetico (Nm3
CH4 producibile)
Liquame bovino
14,29
Liquame bovino
Pollina di tacchino
35,82
8,16
Letame bovino
23,86
Silomais
10,20
11,77
67,35
Letame bovino
28,55
Pollina di tacchino
AGRIFORENERGY
85
BIOGAS
BMPTQ/BMPTQ Silomais
1,60
tica molto elevata (1,4 rispetto BMPTQ/
BMPTQ Silomais), maggiore anche dell’insilato di mais (1 BMPTQ/BMPTQ Silomais) utilizzato come riferimento.
L’utilizzo prevalente o esclusivo di EA
nell’impianto di biogas ha importanti
conseguenze positive a livello di produzione di gas che hanno un diretto o
indiretto effetto serra e che sono emessi
dalle filiere zootecniche (metano, CH4;
protossido di azoto, N2O; ammoniaca,
NH3(g)). A livello mondiale, in base a
dati scientifici raccolti e sintetizzati in
una pubblicazione della FAO nel 2013,
la gestione degli EA contribuisce per il
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Liquame
Letame
Pollina
Silomais
Grafico 3 – Densità energetica dei materiali organici utilizzati nell’impianto di biogas,
espressa come rapporto tra potenziale metanigeno di ciascuna matrice come tal quale
(BMPTQ) e potenziale metanigeno del silomais come tal quale (BMPTQ silomais)
Tabella 1 – Caratteristiche delle matrici organiche utilizzate
(TQ = Tal Quale; ST = Solidi Totali; SV = Solidi Volatili; SGP = produzione Specifica di Biogas; BMP = Potenziale di biometanazione; t = tonnellata; RT = tempo di ritenzione; d = giorni) [Fonte: Elaborazioni AIEL da KTBL, 2014]
Liquame bovino
Parametri chimici
ST = 60%
ST = 35%
SV = 85 %ST
SV = 80 %ST
SV = 85 %ST
SV = 95 %ST
SGP = 380 Nm3 biogas/tSV
SGP = 450 Nm3 biogas/tSV
SGP = 500 Nm3 biogas/tSV
SGP = 650 Nm3 biogas/tSV
BMP = 209 Nm3 CH4/tSV
BMP = 248 Nm3 CH4/tSV
BMP = 178 Nm3 CH4/tSV
BMP = 338 Nm3 CH4/tSV
CH4 = 55% Vol./Vol.
CH4 = 55% Vol./Vol.
CH4 = 55% Vol./Vol.
CH4 = 52% Vol./Vol.
31 d
66 d
>120 d
97 d
2,6÷2,7 %ST
1,1÷3,4 %ST
3÷4 %ST
2,4÷3,0 %ST
0,16
0,50
1,32
1
Competizione feed/ food/
energy nulla
Ottimo starter
microbiologico
Stabilità biologica elevata
Diluente per ridurre [ST]
BMP per tSV buono
RT basso
Pre-trattamenti non
necessari
BMP per tTQ mediocre
Composizione molto
variabile
Punti di debolezza
BMP e SGP molto variabili
Competizione feed/ food/
energy nulla
AGRIFORENERGY
BMP molto elevato
Ottimo starter
microbiologico
Competizione feed/ food/
energy nulla
Stabilità biologica elevata
BMP per tTQ elevato
BMP per tSV buono
BMP per tSV discreto/
buono
RT medio (<RTsilomais)
Costo di trasporto basso
Tecnica colturale ben
nota
[NTOT] e [N-NH4+] elevati
(co-digestione, diluizione
con acqua o con ricircolo
dopo strippaggio di NH3)
Competizione elevata
(feed)
Pre-trattamenti non
necessari
Composizione molto
variabile
Possibili materiali non
degradabili (segatura,
sassi, terra, ecc.)
RT elevato (>RTsilomais)
Possibili antibiotici
Possibili materiali non
Costo di trasporto elevato degradabili (segatura,
sassi, terra, ecc.)
Costo di trasporto elevato [N] elevato
Pre-trattamenti necessari
per evitare flottazione
[N] elevato
86
Insilato mais
ST = 22%
BMP equivalente
silomais (TQ/TQ)
Punti di forza
Pollina tacchino
ST = 8,5%
RT
Contenuto in azoto
Letame bovino
Pre-trattamenti non
necessari
Ottima conservabilità
(insilamento)
Costo granella commodity
mondiale
[N] elevato
Alto C/N: instabilità
biologica in monofermentazione
BIOGAS
10% alle emissioni di CO2–eq dal settore
zootecnico, mentre il consumo di energia richiesto dalle produzioni animali
contribuisce per il 17% alle emissioni
da tali filiere. Sempre in base alla pubblicazione della FAO, la DA rappresenta
una strategia migliorativa nella gestione degli EA dal momento che, oltre a
produrre energia da fonti rinnovabili
(contribuendo pertanto a una riduzione
netta delle emissioni di CO2–eq da consumi di energia), ha un elevato effetto di
riduzione delle emissioni potenziali di
CH4 e di N2O soprattutto nella fase di
stoccaggio degli EA. Inoltre, la rimozione più rapida e frequente degli EA dalle
strutture stabulative garantisce un più
elevato contenuto in Solidi Volatili (SV)
degli EA (e quindi, in ultima analisi, una
più elevata produzione di biogas in DA)
e determina nello stesso tempo una riduzione delle emissioni dagli ambienti di
allevamento di gas direttamente o indirettamente climalteranti, quali CH4, N2O
e NH3(g). Infine, anche la separazione solido/liquido del digestato contribuisce a
ridurre le emissioni potenziali di CH4.
Foto 1 – Impianto biogas Az. Agr. Livraschino, Castelverde (CR): particolari del
fermentatore coibentato e riscaldato con
cupola gasometrica costituita da una
doppia membrana in tessuto poliestere
con resina PVC, tramoggia e nastro trasportatore dei materiali organici palabili
[Foto archivio BTS Biogas srl]
Affinché la DA massimizzi i propri effetti
positivi nella gestione degli EA, è necessario ridurre le emissioni di NH3(g) dalle
fasi di stoccaggio e di utilizzazione agronomica del digestato. Ciò può avvenire
adottando idonei sistemi di copertura
delle vasche, nonché ricorrendo a opportune pratiche di spandimento: l’iniezione e l’interramento sono preferibili allo
spandimento superficiale. Anche in questo caso l’Azienda Agricola Livraschino
è un caso studio di particolare interesse
poiché anche le vasche di stoccaggio già
esistenti dovrebbero nel futuro essere coperte. Inoltre, l’utilizzazione agronomica
avviene tramite un innovativo sistema
ombelicale di tubazioni per il trasporto
diretto verso i terreni agricoli della fase
liquida del digestato (Ldigestato).
materiali organici palabili (Foto 1), che
possono essere caricati direttamente
nel fermentatore in alternativa alla loro
miscelazione con materiali liquidi nella
pre-vasca. Celle di carico poste su ogni
piede della tramoggia consentono l’accurata misura della quantità di biomassa caricata nel fermentatore. Tre frese
cilindriche nella tramoggia consentono
l’accurato sminuzzamento dei materiali organici solidi (es. silo mais, letame
con paglia a fibra lunga). (3) Fermentatore coibentato e riscaldato con cupola
gasometrica costituita da una doppia
membrana in tessuto poliestere con resina PVC (Foto 1), con agitatore a immersione posizionato nel lato di immissione del materiale organico, regolabile
sia in senso verticale sia orizzontale e
DIMENSIONAMENTO AD HOC
L’impianto di DA, realizzato da BTS Biogas srl, è un tipico impianto a umido o
“wet”, CSTR (Completely Stirred Tank
Reactor, reattore completante miscelato),
alimentato con una dieta caratterizzata da un contenuto in Solidi Totali (ST)
attorno al 10% e operante in mesofilia
(42÷45 °C). Tale impianto di tipo Farmer opera in mono-stadio. Vi è quindi
un’unica vasca circolare in cui avvengono idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e
metanogenesi, processi caratterizzanti la
DA (Foto 1). Inoltre l’impianto Farmer si
caratterizza per sfruttare al massimo biomasse aziendali (EA in primis) e strutture
già presenti in azienda, quali la pre-vasca
di equalizzazione e la vasca di stoccaggio
della frazione Ldigestato.
Considerando lo schema di processo,
l’impianto si compone di sette parti
funzionalmente e strutturalmente connesse tra loro: (1) Pre-vasca di equalizzazione, già esistente e successivamente
solettata, in cui avviene lo stoccaggio
temporaneo degli EA liquidi e la loro
miscelazione con EA solidi mediante miscelatore elettrico sommerso. (2)
Tramoggia e nastro trasportatore dei
Foto 2 – Impianto biogas Az. Agr. Livraschino, Castelverde (CR): particolare
dell’interno del fermentatore con agitatore idraulico a immersione, capriata in
materiale plastico per favorire la colonizzazione da parte dei batteri che ossidano
l’H2S a zolfo elementare (es. hiobacillus
spp.), serpentina in acciaio per mantenere
la corretta temperatura all’interno del fermentatore [Foto archivio BTS Biogas srl]
AGRIFORENERGY
87
BIOGAS
Tabella 2 – Macro-voci di costo dell’impianto di biogas
Voci di costo impianto biogas
€
Sbancamenti, opere civili, attrezzature elettromeccaniche di
completamento, autorizzazioni, centralina ENEL, antincendio
300.000
Progettazione, opere elettromeccaniche
900.000
Cogeneratore in idoneo container e completo di accessori e allacciamenti
necessari da 2G-Italia
300.000
Essiccatoio digestato
200.000
TOTALE
Foto 3 – Impianto biogas Az. Agr. Livraschino, Castelverde (CR): cogeneratore
alloggiato in idoneo container completo
di tutti gli accessori e allacciamenti necessari fornito da 2G-Italia [Foto archivio BTS Biogas srl]
attivabile in maniera automatica e temporizzata per prevenire la formazione
di stratificazioni immerse o galleggianti
(Foto 2). (4) Container tecnico contenente: • Sistema di pompaggio (pompa a coclea eccentrica) e scambiatore
di calore liquido-liquido allo scopo
di portare il digestato proveniente dal
fermentatore a contatto con il materiale liquido presente nella pre-vasca e di
riscaldare quest’ultimo prima della sua
immissione nel fermentatore stesso; •
Quadri elettrici e di comando dell’impianto; • Sistema di desolforazione (soffiante per l’immissione di aria nel fermentatore); • Sistema di analisi del gas.
(5) Vasca già esistente, per lo stoccaggio
della frazione Ldigestato. (6) Condotta del
biogas e desolforazione. (7) Cogeneratore e trasformatore alloggiati in idoneo container (Foto 3).
88
AGRIFORENERGY
1.700.000
Infine, per quanto riguarda gli aspetti economici, l’impianto dell’Azienda
Agricola Livraschino avendo ottenuto
la qualifica IAFR ed essendo entrato
in esercizio commerciale successivamente al 31 dicembre 2012, gode del
sistema incentivante ex DM 6 luglio
2012, consistente nella tariffa omnicomprensiva pari a 236 euro/MWh.
Questo è il livello di incentivo più
elevato, corrisposto a impianti sino a
300 kW e di potenza installata, funzionati in maniera prevalente o esclusiva
con sottoprodotti (>70% rispetto al
peso complessivo dei materiali organici utilizzati). Il costo complessivo
dell’intera opera ammonta a circa 1,7
milioni di euro (Tabella 3).
LA VALORIZZARE DEL POTERE
FERTILIZZANTE DEL DIGESTATO
Il digestato, sottoposto a separazione solido/liquido, viene pienamente valorizzato.
Inoltre, vi è, a valle dell’impianto di DA, un
impianto di essiccazione che utilizza l’energia termica prodotta dal cogeneratore. L’essiccazione del separato solido del digestato
(Sdigestato) ne consente la sanitizzazione e un
successivo uso come materiale di lettiera
nelle cuccette delle vacche. La parte eventualmente in esubero trova utilizzo come
fertilizzante, il cui trasporto risulta molto
conveniente, dato il ridotto contenuto idrico del materiale. La frazione liquida chiarificata del digestato (Ldigestato) viene utilizzata
agronomicamente mediante un innovativo
sistema ombelicale (Figura 1). ●
SU = Trattore di supporto
AU = Carrobotte per lo spandimento
MU = Unità per la miscelazione
terreno
agricolo
rotolone per
il digestato
impianto
di biogas
idranti
tubazione
vasca
di stoccaggio
del digestato
terreno
agricolo
Figura 1 – Schema di sistema ombelicale per l’utilizzazione in fertirrigazione del separato liquido (Ldigestato) [Fonte. Berruto R., 2014]