Biogas da effluenti di allevamento in un`azienda
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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]