La soluzione della codigestione di reflui zootecnici con la biomassa di origine vege- tale è una soluzione interessante, soprattutto nelle zone caratterizzate dalla presenza di numerosi allevamenti zootecnici e nelle aree vulnerabili ai nitrati di origine agricola143, e consente un notevole aumento in termini di produttività.
In Germania, paese leader nella produzione di biogas, oltre il 90% degli impianti utilizza scarti di origine animale (biomassa residuale) e vegetale (da biomassa residuale o dedicata) in soluzione di codigestione, in modo da assicurare buone rese energetiche e la riduzione delle emissioni climalteranti dovute agli effluenti zootecnici. In Italia, tale percentuale si attesta intorno al 50%, ma si tratta di una soluzione sempre più diffusa, soprattutto negli impianti più recenti.
In impianti di questo tipo, la vicinanza degli allevamenti alla sede dell’impianto con- sente di ipotizzare sistemi di trasferimento degli effluenti in continuo. Infatti, prevedendo
139 Biomasse e biogas derivanti da prodotti agricoli, di allevamento e forestali, inclusi i sottoprodotti ottenuti nell’am- bito di intese di filiera o contratti quadro (art. 9 e 10 del D.Lgs. 102/2005 e DM MiPAAF del 12/05/2010) o in filiere corte (Legge 99/2009, che per gli impianti a biogas di potenza superiore ad 1 MWe prevede che i certificati verdi siano calcolati moltiplicando i kWh prodotti per un coefficiente pari a 1,8, , senza distinzione per la filiera agricola). 140 Fino ai 250 kWe la realizzazione degli impianti non è sottoposta ad Autorizzazione Unica secondo il D. Lgs. 387/03
e le recenti Linee guida per l’autorizzazione alla costruzione e all’esercizio di impianti di produzione di elettricità da fonti rinnovabili, allegate al DM MiSe del 10 settembre 2010 n. 219.
141 Non eccedenti il 40% del costo dell’investimento, in conto capitale o conto interessi con capitalizzazione anticipata. 142 Necessità di energia termica ed elettrica in buone quantità per autoconsumo.
nelle aziende sistemi meccanici di raccolta dei reflui, è possibile il trasferimento degli ef- fluenti liquidi (liquame e liquiletame) all’impianto mediante sistemi di condutture a parti- re dalle vasche di raccolta situate nelle aziende. In alternativa, gli effluenti liquidi possono essere conferiti all’impianto mediante carrobotte, in questo caso viene in genere prevista nell’impianto la realizzazione di una pre-vasca per lo stoccaggio dei liquami144. Nel caso di effluenti palabili (letame), gli effluenti possono essere trasportati all’impianto tramite rimorchi agricoli trainati da trattrici o altro sistema di trasporto su gomma tradizionale145 e conferiti all’impianto di digestione mediante sistemi di alimentazione, generalmente a coclea o più raramente a pistone.
Per la biomassa vegetale, il trasferimento della biomassa dai punti di prelievo avvie- ne generalmente mediante l’impiego di camion e/o rimorchi agricoli trainati da trattrici. I pretrattamenti della biomassa146, se necessari, possono essere effettuati, a seconda dei casi, sia nel punto di prelievo (in modo da ridurre i volumi e dunque il numero di camion da impegnare) o presso l’impianto stesso.
Vanno previsti, presso l’impianto, silos o trincee per lo stoccaggio della biomassa vegetale. L’alimentazione mediante biomassa del sistema di digestione avviene, general- mente, su base giornaliera, previa pesatura per consentire di effettuare bilanci di massa ed analisi dei substrati per verificare l’assenza di sostanze che possano inibire il processo di digestione anaerobica (alcune specie metalliche, disinfettanti, etc.).
La produzione del biogas a partire dalle biomasse avviene in appositi fermentatori (digestori anaerobici) al cui interno, in condizioni di anaerobiosi, mediante l’azione di gruppi microbici anaerobici in senso stretto o facoltativi, avvengono una serie di reazioni biochimiche147 che degradano la materia organica in sostanze gassose semplici (biogas148 costituito, in prevalenza, da metano - 40÷70% - e per la restante parte da anidride carbo- nica, oltre ad altri componenti in tracce).
144 Dotata di copertura a tenuta per evitare emissioni odorigene e collegata ai digestori mediante condutture. 145 Camion e/o autocarri a cassone ribaltabile dotati di copertura, etc.
146 Si tratta, essenzialmente, dello sminuzzamento della biomassa e dell’eliminazione di inerti grossolani, qualora presenti.
147 Il processo di fermentazione anaerobica può essere suddiviso in tre fasi differenti, strettamente interconnesse tra loro: idrolisi ed acidificazione, acetogenesi e metanogenesi. La terza ed ultima fase è quella propriamente metani- gena, nella quale avviene la formazione del metano.
148 Il biogas risulta idoneo all’impiego energetico per via della sua composizione. Infatti, l’elevato tenore di metano al suo interno fa sì che il biogas abbia un elevato potere calorifico (in proporzione al metano contenuto) che lo rende utilizzabile, opportunamente deumidificato e depurato, come combustibile per riscaldamento, trazione o produzione di energia elettrica. L’utilizzo a fini energetici del biogas presenta anche il grande beneficio di ridurre l’emissione in atmosfera di metano: gas con un effetto climalterante circa ventuno volte superiore a quello dell’ani- dride carbonica.
Figura 4.12 - Trasformazione del substrato nel digestore
È proprio il contenuto di metano, combustibile ad elevato potere calorifico, che rende interessante il biogas dal punto di vista energetico.
Tabella 4.9 Composizione del biogas (concentrazioni su gas secco).
COMPONENTI PERCENTUALE
Metano (CH4) 40÷70 %
anidride carbonica (Co2) 20 ÷30 %
idrogeno solforato (H2S) 0,02 ÷ 0,2 %
Vapore d’acqua saturazione
idrogeno, ammoniaca tracce
ossigeno, azoto tracce
Per gestire il processo fermentativo anaerobico è necessario mantenere ottimali e stabili le condizioni operative, dato che la fase controllante l’intero processo, cioè la me- tanogenesi, risulta particolarmente sensibile alle variazioni ambientali del mezzo di rea- zione149. Per un corretto svolgimento del processo devono essere opportunamente valutati diversi parametri, quali i tempi di permanenza del substrato nel reattore, le concentrazioni dei microrganismi, le rese di produzione del biogas in relazione al volume del reattore e le caratteristiche del substrato trattato150.
Un sistema di monitoraggio e controllo permette la registrazione di tutti i dati relativi ai parametri di gestione del processo ed il controllo delle fasi operative, a partire dal carico delle matrici organiche fino alla produzione di energia elettrica e termica nel cogeneratore. I dati acquisiti (parametri di gestione del processo anaerobico, produzione di biogas, risul- tati dell’analisi del biogas, resa del gruppo di cogenerazione, produzione elettrica, autocon-
149 Di particolare importanza risultano parametri di stabilità del processo, quali il pH, la concentrazione di acidi grassi volatili, l’alcalinità, il rapporto tra acidi grassi volatili ed alcalinità, la produzione e composizione percen- tuale del biogas, la temperatura.
sumo elettrico, etc.) consentono di effettuare, giornalmente, bilanci di massa del processo e bilanci economici ed energetici dell’impianto.
La complessità del processo di digestione anaerobica ha stimolato il ricorso a molte- plici configurazioni impiantistiche. Gli schemi di processo adottati, e dunque le tipologie di sistema di fermentazione, sono diversi e si differenziano in funzione della modalità di alimentazione delle biomasse nel reattore151, della gestione delle fasi biologiche152, del regi- me termico adottato153, del tenore di solidi nel substrato154.
Generalmente, per processi di tipo umido o semi-secco, vengono impiegati reattori a flusso continuo miscelato (CSTR) mentre nel processo a secco, data l’elevata densità e viscosità del materiale, si utilizza o un reattore continuo con flusso a pistone (PFR) o un reattore discontinuo (BATCH).
La soluzione impiantistica più diffusa, ad ogni modo, risulta quella che prevede lo svolgimento del processo in reattore continuo completamente miscelato (CSTR).
Per il recupero e lo stoccaggio del gas biologico prodotto deve essere prevista la re- alizzazione di un gasometro o l’impiego di cupole gasometriche a tenuta al di sopra dei digestori155, provvisti di torcia di sicurezza. Il biogas prodotto deve essere deumidificato e desolforato prima di essere inviato al gruppo di cogenerazione156, generalmente costituito da un motore endotermico a ciclo Otto157. Il gruppo cogenerativo consente la produzione di energia elettrica e di energia termica (calore recuperato dall’acqua di raffreddamento dei motori e dai fumi di scarico). L’energia elettrica può essere ceduta alla rete nazionale, al netto degli autoconsumi dell’impianto (in genere dell’ordine del 6%). L’energia termica viene in parte impiegata per il mantenimento delle condizioni termiche del sistema di fer- mentazione, e la restante parte può essere utilizzata per diversi impieghi (produzione di acqua refrigerata per il condizionamento o per processi industriali, riscaldamento di serre, realizzazione di impianti di essiccazione per varie applicazioni, il riscaldamento laghetti per piscicoltura, teleriscaldamento o altre applicazioni).
Mediante la digestione anaerobica si ottiene, oltre all’energia elettrica e termica, an- che un secondo prodotto, il digestato, effluente del processo che presenta interessanti ca- ratteristiche come fertilizzante e ammendante se impiegato nel rispetto dei piani di span-
151 Il processo può essere alimentato in modo continuo (reattore continuo miscelato o con flusso a pistone) oppure in modo discontinuo (reattore discontinuo o batch), entrambi con o senza ricircolo in testa al reattore.
152 I processi possono essere a fase unica, prevedendo l’utilizzo di un solo reattore, o a fasi separate, prevedendo l’impiego di due reattori.
153 I regimi termici adottati nella digestione anaerobica sono il mesofilo, il termofilo e lo psicrofilo (più raramente applicato). Essi sono riferibili all’attività biologica anaerobica, la quale è stata evidenziata in un ampio intervallo di temperatura (–5 ÷ +70 °C). Le differenti specie microbiche crescono e si moltiplicano in maniera ottimale in diversi intervalli termici. Pertanto si distinguono microrganismi psicrofili (temperature inferiori a 20 °C), mesofili (temperature comprese tra i 20 °C ed i 40 °C) e termofili (temperature superiori ai 45 °C). Nei processi di digestione anaerobica in regime mesofilo, le migliori produzioni di biogas si osservano in intervalli di temperatura compresi tra i 30 ed i 35 °C, mentre nel caso di processi termofili l’intervallo varia tra i 40 ed i 60 °C. In generale si può osser- vare che, all’interno dell’intervallo considerato, la produzione di biogas e la rimozione di substrato incrementano all’aumentare della temperatura.
154 In funzione del contenuto dei solidi nel reattore, si può parlare di processo umido (contenuto di solidi totali: < 10%), semi-secco (contenuto di solidi totali: 10÷20%) o secco (contenuto di solidi totali: > 20%).
155 Gasometro a campana o a membrana.
156 In alcuni casi vanno effettuati anche trattamenti per la rimozione o riduzione del contenuto di anidride carboni- ca, anche se sono disponibili in commercio motori che non necessitano di questo trattamento aggiuntivo in quanto utilizzano biogas con valori del Potere Calorifico Inferiore di circa 5 kWh/Nm³.
157 Questo tipo di motori presenta, a pieno carico, rendimenti elettrici di circa il 40% e rendimenti termici fino al 43%, dunque un rendimento complessivo di circa l’83%.
dimento e delle regole di buona pratica agronomica158. Questo, che in impianti CSTR corri- sponde circa all’80% in peso delle quantità in ingresso, esce dall’impianto stabilizzato159 e con un notevole abbattimento delle emissioni odorigene, conservando tuttavia il contenuto di elementi nutritivi e restando, dunque, un ammendante di alta qualità. Pertanto, esso può essere destinato ad impiego agronomico, anche se la normativa vigente risulta piutto- sto controversa e contraddittoria circa la classificazione del digestato quale ammendante di qualità, sottoprodotto o rifiuto160.
Oltre a quelle descritte finora, per la realizzazione di un impianto a biogas devono essere previste ulteriori opere accessorie161.