I S U P P L E M E N T I D I
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un’opportunità
che piace agli agricoltori
Produrre biogas
A cura di MAGDA C. SCHIFF - CRPA Spa, Reggio Emilia e di ANTONIO APRUZZESE - Redazione “Agricoltura”
I S U P P L E M E N T I D I
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© Copyright Regione Emilia-Romagna - Anno 2011 Foto di copertina Banzi, Crpa Spa, Fotolia, Samaritani/Meridiana Immagini, Foto del fascicolo interno Banzi, Cervellati, Paddok/Marchetti, Arch. Crpa Coordinamento redazionale Magda C. Schiff, Crpa Spa, Reggio Emilia e Antonio Apruzzese, rivista “Agricoltura”.
Distribuzione Redazione “Agricoltura” - Viale della Fiera, 8 - 40127 Bologna - Tel. 051.5274289 - 5274701 - Fax 051.5274577 E-mail: agricoltura@regione.emilia-romagna.it Crpa Spa - Corso Garibaldi, 42 - 42121 Reggio Emilia - Tel. 0522.436999 - Fax 0522.435142 E-mail: info@crpa.it Il Sole 24 ORE (BU Business Media) - Via Monte Rosa, 91 - 20149 Milano - Tel. 051.6675822 E-mail: marketing.edagricole@ilsole24ore.com
un’opportunità
che piace agli agricoltori
Produrre biogas
05 PREFAZIONE
Rinnovabili compatibili con ambiente e comunità
di Tiberio Rabboni
06 PRESENTAZIONE
Progetto Sebe,
opportunità per l’agricoltura di qualità
di Nicola Labartino
07 Impianti a effluenti bovini:
una pratica interessante
di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini, Fabio Verzellesi
12 Digestione anaerobica a colture dedicate
di Claudio Fabbri, Sami Shams-Eddin, Filippo Bondi, Sergio Piccinini
16 Le rese in biogas del sorgo e del mais
di Mariangela Soldano, Nicola Labartino
19 Utilizzo della separazione solido-liquido del digestato
di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini, Fabio Verzellesi
22 Biogas e Parmigiano-Reggiano:
una coesistenza possibile?
di Paola Vecchia, Sergio Piccinini
27 Progettazione e gestione:
le prove di laboratorio
di Mariangela Soldano, Giuseppe Moscatelli, Claudio Fabbri
31 Siti e impatto ambientale:
le norme in Emilia-Romagna
di Giuseppe Bonazzi, Lorella Rossi, Andrea Giapponesi, Leonardo Palumbo
Rinnovabili compatibili
con ambiente e comunità
PREFAZIONE
La produzione di energie rinnovabili da biomasse di origine agricola e zootecnica sta assumendo, grazie ai progressi in campo scientifico e tecnologico e alla politica di incentivazione, un ruolo sempre più significativo nella formazione del bilancio energetico del nostro Paese.
Le aziende agricole sono protagoniste in questo campo. La Regione ne ha sostenuto l’iniziativa attraverso un piano d’azione articolato in cinque misure, tra le quali un budget di 9 milioni di euro per bandi Psr di cofinanziamento, ma soprattutto cercando una soluzione per conciliare la vocazione alimentare della nostra produzione agricola con quella energetica. La via è stata quella della
complementarietà tra le due produzioni attraverso l’utilizzo energetico degli effluenti zootecnici, dei sottoprodotti e scarti, dei terreni marginali.
Questo è il senso delle linee guida regionali per il fotovoltaico a terra che hanno fissato il limite del 10% di copertura massima delle superfici agricole aziendali disponibili. Ed è anche il senso delle successive linee guida per la localizzazione degli impianti a biogas, biomasse, eolici, idroelettrici, anche se, naturalmente, non potevano intervenire sulla causa prima del grande sviluppo delle coltivazioni agricole destinate alla trasformazione energetica, vale a dire l’elevata redditività assicurata dalle attuali tariffe elettriche incentivanti nazionali.
Le linee guida regionali si sono date, inoltre, un secondo grande obiettivo
propedeutico allo sviluppo delle rinnovabili in un territorio rurale con elevati livelli insediativi: la compatibilità della trasformazione energetica con la qualità dell’aria, dell’ambiente e della vita di comunità. Insomma un quadro di reali certezze per tutti all’interno del quale collocare scelte imprenditoriali particolarmente significative per il nostro futuro.
TIBERIO RABBONI, Assessore all’Agricoltura, Economia Ittica, Attività faunistico-venatorie, Regione Emilia-Romagna
Progetto Sebe, opportunità
per l’agricoltura di qualità
Il biogas, una delle filiere agro-energetiche con il più alto trend di crescita nelle regioni del nord Italia, è un’ottima opportunità per raggiungere gli obiettivi del Piano Energetico Regionale dell’Emilia-Romagna.
Attualmente nella regione sono presenti 63 impianti di biogas, nel settore agro-zootecnico, di cui 17 in costruzione (fonte Crpa: censimento maggio 2011).
Il progetto Sebe (Sustainable and Innovative European Biogas Environment) ben si inserisce in questo contesto di crescita del comparto, dato che con la sua attività mira a ottimizzare e ampliare l’utilizzazione del biogas a livello transnazionale. Gli obiettivi generali del progetto Sebe - che vede coinvolti il Crpa di Reggio Emilia e l’Environment Park di Torino, insieme ad altri 12 partner provenienti dal settore privato e pubblico di Austria, Slovenia, Polonia, Slovacchia, Germania, Repubblica Ceca, Romania e Ungheria - sono la protezione e l’uso responsabile delle risorse naturali. In particolare Sebe (www.sebe2013.eu) fa parte del programma Central
Europe Programme (www.central2013.eu), finanziato dall’Unione Europea e volto a migliorare l’innovazione, la fruibilità e la gestione ambientale per accrescere la competitività e l’attrattiva dei Paesi che ne sono protagonisti. Nello specifico, Sebe vuole favorire lo sviluppo del settore della produzione di energia rinnovabile da biogas con l’intento di rendere i Paesi coinvolti meno dipendenti dalle importazioni estere per quanto riguarda l’approvvigionamento energetico, contribuendo nel contempo al raggiungimento degli obiettivi fissati dall’UE di ridurre di almeno il 20% le emissioni di gas a effetto serra e aumentare al 20%
il consumo di fonti rinnovabili.
All’interno del progetto il Crpa ha individuato in Emilia-Romagna quattro impianti di biogas (Az. agricola Antonio di Molinella - BO; Az. Agricola Cazzani di Medicina-Buda - BO; Cat di Correggio - RE; Persiceto Bioenergia di San Giovanni in Persiceto - BO) per monitorarne i principali parametri relativi all’efficienza energetica, all’affidabilità gestionale e alla convenienza economica. In questi impianti vengono organizzate giornate dimostrative per i portatori di interesse (stakeholder) del settore. In varie province dell’Emilia-Romagna, inoltre, il Crpa svolge corsi di formazione sul biogas. Per dare supporto tecnico-
informativo è stato anche attivato un servizio sul sito italiano del progetto (http//sebe.crpa.it) per rispondere ai quesiti inerenti la produzione di biogas da biomasse agro-zootecniche.
Questo supplemento riporta una serie di esperienze del Crpa nell’ambito della produzione di biogas, che focalizzano l’attenzione sulle principali problematiche tecnico-gestionali. Produrre biogas, infatti, può essere una buona integrazione di reddito per gli agricoltori, a patto però che l’impianto, le biomasse e il digestato vengano gestiti nella maniera più appropriata e nel rispetto delle linee guide regionali, le quali tengono conto delle peculiarità territoriali e produttive di qualità dell’agricoltura emiliano-romagnola.
NICOLA LABARTINO, CRPA Spa, Reggio Emilia
IL BIOGAS COME OPPORTUNITÀ
Impianti a effl uenti bovini:
una pratica interessante
N
egli ultimi anni la costruzione di impianti di bio- gas ha coinvolto in modo consistente il mondo agricolo tanto che, secondo un’indagine condotta dal Crpa nel maggio 2011 (Fabbri et al. - L’Informatore Agrario. Supplemento al n. 26/2011), si è arrivati alla realizzazione di circa 521 impianti per circa 350 MW di potenza elettrica installata.Di questi, il 57,9% sono impianti di co-digestione di effl uenti zootecnici, sottoprodotti agroindustriali e colture dedicate, il 29% utilizza solo effl uenti e il 13,1% colture energetiche e/o sottoprodotti agroin- dustriali.
L’utilizzo in digestione anaerobica solo degli effl uenti zootecnici comporta molti vantaggi:
– produzione di energia rinnovabile senza modifi che all’assetto colturale dell’azienda;
– diminuzione delle emissioni di odori e gas ad eff etto serra (principalmente metano) in atmosfera;
– ottenimento, alla fi ne del processo, di una riduzione di circa il 50% del contenuto di sostanza secca e del 2-5% del volume degli effl uenti, che diventano più facilmente pompabili;
– stabilizzazione della sostanza organica residua che mantiene un elevato valore ammendante;
– miglioramento dell’effi cienza d’uso dell’azoto, quan- do utilizzato secondo le buone pratiche agricole.
Al fi ne di consentire una corretta valutazione del gran- de potenziale energetico disponibile, soprattutto nelle aree a elevata vocazione zootecnica, vengono riporta- ti in questo articolo i risultati di un’esperienza della durata di circa sei mesi condotta in un impianto di digestione anaerobica alimentato con soli effl uenti zo- otecnici. Si tratta di un impianto di biogas realizzato da Brevetti Cremonesi presso l’allevamento di bovini da latte dell’azienda F.lli Pedrotti di Reggio Emilia.
Descrizione dell’azienda
La F.lli Pedrotti produce latte per Parmigiano-Reggiano ed è composta da due distinti siti aziendali, distanti tra loro circa un paio di chilometri. I bovini in lattazione sono circa 700, 190 sono i capi in asciutta e 700 circa sono i vitelli, le manzette e le manze nel loro comples- so, per un totale di quasi 1.600 capi presenti. Nei piani aziendali è previsto un ampliamento dell’allevamento per ulteriori 150 bovini in lattazione, fi no a portare la mandria ad un totale di circa 1.800 capi (tabella 1).
CLAUDIO FABBRI, SERGIO PICCININI, FABIO VERZELLESI - Crpa Spa, Reggio Emilia
Tab. 1 - TIPOLOGIA DI STABULAZIONE.
CAPI IN LATTAZIONE
per il 70% circa dei capi cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite quotidianamente con raschiatore; per il 30% restante cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato
CAPI IN ASCIUTTA lettiera permanente e corsia di
alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore
MANZE
cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore
MANZETTE lettiera integrale
Descrizione dell’impianto
L’impianto è composto da un sistema di pretrattamen- to degli effl uenti al carico, due digestori anaerobici completamente miscelati e riscaldati in regime meso- fi lo coperti con teli gasometrici a doppia membrana (tabella 3), un sistema di separazione solido/liquido a compressione elicoidale del digestato e una vasca di stoccaggio della frazione chiarifi cata coperta con telo per il contenimento delle emissioni gassose residue.
Il biogas prodotto viene avviato ad un cogeneratore di potenza elettrica installata pari a 330 kWe, già dimen- sionato, quindi, per la consistenza prevista dal nuovo ampliamento dell’allevamento.
Le sale di mungitura sono due: in un caso le acque di lavaggio vengono gestite separatamente dagli ef- fluenti della stalla, mentre nell’altro viene fatta la miscelazione. In tabella 2 sono riportate le caratteri- stiche dei due effl uenti, la cui produzione è risultata pari complessivamente a 110-115 t/giorno in primave- ra e a 120-125 t/giorno nei mesi estivi, per eff etto della diluizione dei liquami provocata dai sistemi di raff re- scamento evaporativo presenti nelle stalle delle vacche produttive. La disponibilità di solidi totali è risultata mediamente pari a quasi 11.000 kg/giorno, con una percentuale media di solidi volatili dell’81% circa, pari a 12,3 kg ST/giorno/capo produttivo o 9,7 kg SV/gior- no/capo produttivo.
Risultati
Nel corso del periodo moni- torato sono stati raccolti i da- ti di funzionamento e di resa dell’impianto relativi sia alla fase di avviamento che a regi- me. Durante la fase di avvia- mento, durata circa 2,5 mesi, è stato progressivamente au- mentato il carico di effl uenti, con brevi intervalli per mo- difi che dovute all’esigenza di mettere a punto il sistema di pretrattamento, miscelazio- ne e carico. Nel periodo di funzionamento a regime il carico organico volumetrico è risultato pari a circa 2,3-2,5 kg SV/m3/giorno.
Nel grafi co 1 sono riporta- te le curve di produzione specifi ca di biogas rappor- tate sia alla volumetria utile del digestore che alla quantità di solidi volatili caricati. In entrambe le curve è evidente una pri- ma fase di avviamento in cui all’aumentare del cari- co organico e della messa a regime del processo biolo- gico le rese specifi che au- mentano progressivamen- te; segue una fase stabile in
cui i valori oscillano in un intervallo piuttosto ristretto.
Le variazioni di produzione sono riconducibili princi- palmente a due motivi:
– interventi sulle componenti elettromeccaniche di re- golazione (miscelazione, riscaldamento, carico, rego- lazione delle pressioni, regolazioni del motore, ecc.) necessari al fi ne di individuare i parametri ottimali di funzionamento;
– variabilità delle matrici dovuta principalmente alla dilu- izione provocata dalle precipitazioni qualora gli scarichi
GRAF. 1 - RESA DI CONVERSIONE IN GAS DELL’IMPIANTO.
GRAF. 2 - POTENZA ELETTRICA MEDIA SULLE 24 ORE [kW].
dei pluviali o la raccolta degli sgrondi dai paddock non siano regimentati a dovere (in questo caso le quantità di effl uente prodotte giornalmente possono anche rad- doppiare o triplicare), oppure alla modifi ca della dieta o alla variazione della quantità di lettime.
Nel periodo a regime la produzione media di biogas è risultata di 380-400 m3 biogas/t SV. La percentuale di metano nel biogas prodotto è stata mediamente pari al 54,5%, mentre la produzione specifi ca di metano è risultata pari a 0,22 m3 metano/kg SV.
Produzione specifica di biogas
Potenza elettrica media sulle 24h
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
febbraio marzo
m3 biogas/kg SV m3 biogas/m3 digestore/giorno
aprile maggio giugno luglio agosto
potenza elettrica media sulle 24 ore 0
50 100 150 200 250 300 350
marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre
La produzione elettrica generata dall’impianto è stata me- diamente di circa 6.500 kWh/giorno, per una potenza elettrica rapportata alle 24 ore pari a 272 kWe (fi gura 2), equivalenti a 0,30 kWe/capo produttivo presente o 2.600 kWhe/capo produttivo/anno. Gli autoconsumi elettrici, in- vece, sono risultati pari a 940 kWh/giorno, cioè il 14,4%
della produzione totale. La produzione netta giornaliera è quindi risultata di circa 5.550 kWh, mentre il risultato produttivo totale arriva a quasi 2.000 MWh/anno.
Con l’applicazione della tariff a omnicomprensiva di 280
€/MWh il fatturato lordo ammonta a 560.000 euro, pari a 800 €/bovino in lattazione.
In tabella 4 sono riportati i dati analitici del digestato tal quale e delle due frazioni dopo separazione solido-liquido.
Conclusioni
La variabilità e la non sempre regolare disponibilità di effl uenti bovini messe in evidenza nel corso delle attivi- tà di monitoraggio impone, per gli impianti alimentati esclusivamente con questa biomassa, una progettazio- ne accurata. Allo scopo servono una analisi preliminare particolarmente approfondita delle modalità di gestione degli effl uenti nella stalla - dalla tecnica di rimozione alla gestione delle acque di lavaggio della sala mungitura e delle acque meteoriche - fi no all’uso di altre tecniche che potrebbero infl uire sulla diluizione dei prodotti e delle relative caratteristiche chimico-fi siche.
Rispetto ad altri impianti alimentati a biomasse vegetali
Tab. 2 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI EFFLUENTI AVVIATI A DIGESTIONE ANAEROBICA.
TIPOLOGIA DI EFFLUENTE pH ST SV NTK N-NH4+
[-] [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] [mg/kg] [%NTK]
Liquame con acque lavaggio 7,11 48,9 40,9 82,8 1.493 4,6 656 43,9 sala mungitura
Liquame senza acque lavaggio 7,25 80,4 63,4 78,7 3.097 4,3 1.585 51,2 sala mungitura
Letame 8,03 163,9 137,3 83,8 4.610 2,9 1.492 32,4
Tab. 3 - CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DELL’IMPIANTO.
PARAMETRO UNITÀ MISURA VALORE
Tipologia [-] CSTR
Numero digestori [n°] 2
Volume totale lordo [m3] 4.560
Volume totale netto [m3] 3.800
Carico organico volumetrico (COV) [kg SV/m3/giorno] 2,3-2,5 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [giorni] 30-35
Tab. 4 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI EFFLUENTI AVVIATI A DIGESTIONE ANAEROBICA E DEL DIGESTATO PRODOTTO.
TIPOLOGIA DI EFFLUENTE pH ST SV NTK N-NH4+
[-] [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] [mg/kg] [%NTK]
Miscela media al carico 7,8 97 81,3 83,98 3.236 3,34 1.420 43,9 Digestato tal quale 7,82 56,36 40,86 72,23 3.400 5,6 2.039 60,4 Digestato chiarificato 7,94 45,9 29,18 63,52 3.419 7,47 2.067 60,6 Digestato solido separato 8,63 259 231 89,2 5.111 1,97 1.802 35,2
dedicate, inoltre, gli autoconsumi elettrici sono più alti perché le rese per unità di solidi volatili e le concentra- zioni di sostanza secca sono più basse e ciò comporta un maggior dispendio per la movimentazione e la miscela- zione.
Nonostante il breve periodo di monitoraggio dell’im- pianto (6 mesi), si può comunque aff ermare che la pro- duzione di biogas da soli effl uenti zootecnici permette di ottenere risultati molto interessanti sia in termini energe- tici che economici.
Le rese produttive sono state dell’ordine dei 380-400
m3 biogas/t SV con il 54,5% di metano, equivalenti a circa il 40% in meno di quanto producibile media- mente con la stessa quantità di sostanza organica da un buon insilato di mais, ma a costi di approvvigiona- mento molto bassi o nulli.
Non sono poi da sottovalutare i benefi ci ambientali de- rivanti dalla riduzione delle emissioni di gas ad eff etto serra, come pure il contenimento dell’impatto olfatti- vo al momento dell’utilizzo agronomico del digestato, rispetto all’effl uente zootecnico non sottoposto a dige- stione anaerobica.
F
in dalla sua nascita il mercato del biogas non ha avuto uno sviluppo omogeneo sul territorio nazio- nale, ma si è concentrato in particolare in Lombardia, Piemonte, Veneto ed Emilia-Romagna. Il più delle volte si è trattato di aziende agricole che hanno con- vertito la propria produzione di cereali da granella alla produzione di energia, ma ci sono stati anche casi di aziende zootecniche che hanno ampliato la propria su- perfi cie agricola coltivata per coniugare le due attività.L’impianto di Volta Mantovana
Tra queste l’azienda agricola Cominello di Volta Manto- vana (MN), che ha realizzato un impianto di digestione anaerobica alimentato a colture dedicate e sottoprodotti agroindustriali, nel quale confl uiscono matrici da circa 180 ha dei diversi soci agricoltori, oltre che da ulteriori
150 ha di fornitori non soci. L’impianto è entrato in produzione nel settembre 2009.
L’impianto di produzione di biogas è costituito da due digestori primari completamente miscelati e riscaldati per operare in mesofi lia del volume utile di circa 2.283 m3 cadauno, connessi con due tramogge automatiche su celle di carico che provvedono al caricamento degli in- silati di mais a intervalli di tempo prefi ssati (tabella 1).
Il digestato uscente dai reattori primari viene pompato nel reattore secondario di 3.385 m3 e da qui alle vasche di stoccaggio fi nale coperte (due vasche da 3.385 m3).
Il volume lordo totale dedicato direttamente al pro- cesso di digestione anaerobica è pari a 7.940 m3 (7.280 m3 utili), il volume di stoccaggio (6.760 m3 lordi), invece, viene utilizzato nella digestione limi- tatamente al periodo in cui il digestato è presente.
Nei momenti di massima presenza di digestato in im-
Digestione anaerobica
a colture dedicate
CLAUDIO FABBRI, SAMI SHAMS-EDDIN, FILIPPO BONDI, SERGIO PICCININI - Crpa Spa, Reggio Emilia - Azienda Cominello, Volta Mantovana (MN)
Tab. 1 - CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE DELL’IMPIANTO.
PARAMETRO UNITÀ MISURA VALORE
Tipo di reattore (1) CSTR
Numero digestori n° 3
Volume totale lordo m3 7.940
Volume totale netto m3 7.280
Volume di stoccaggio del digestato m3 6760
Temperatura di processo °C 38-40
Tempo ritenzione idraulica (2) giorni 130-140 Potenza elettrica installata CHP(3) kW 999 (1) CSTR: reattore completamente miscelato e riscaldato
(2) considerando il solo carico di biomasse solide (insilati) e escludendo il volume delle vasche di stoccaggio;
(3) CHP: cogeneratore.
pianto, di conseguenza, il volume di processo è pari a 14.700 m3 lordi (13.480 m3 netti), equivalenti a 13,5 m3/kWe installato.
Tutte le vasche realizzate, comprese quelle di stoccag- gio, sono dotate di copertura gasometrica a doppio telo con sostentamento pneumatico a pressione diff e- renziata. Per l’utilizzo del biogas prodotto e raffi nato viene utilizzato un cogeneratore da 999 kWe.
Lo stoccaggio delle colture dedicate (prevalentemente insilato di mais) viene fatto in tre trincee di cemento armato costruite in opera.
Verifi ca dell’effi cienza
Presso l’impianto dell’azienda Cominello il Crpa ha realizzato un programma di monitoraggio per verifi ca- re l’effi cienza di conversione delle biomasse utilizzate, ma anche per rilevare i principali parametri di funzio- namento dell’impianto e individuare eventuali proble- mi gestionali. Il periodo considerato è stato di quello compreso fra l’avvio dell’impianto (settembre 2009) e la fi ne di novembre 2010, per un totale di 457 giorni di lavoro ovvero 10.968 ore.
In questo lasso di tempo l’impianto ha prodotto 10.354 MWhe. Gli autoconsumi (tabella 2) per il funzionamen- to dei cogeneratori e dei digestori sono stati pari a 947 MWhe, equivalenti al 9,2% della produzione lorda. La potenza media prodotta, calcolata sulle 24 ore, è stata di 944 kWe, pari al 94,4% della potenza installata del co- generatore. In fi gura 1 viene riportato l’andamento del-
Tab. 2 - SINTESI DEI PARAMETRI DI PRODUZIONE ENERGETICA DELL’IMPIANTO NEL PERIODO DI MONITORAGGIO (15 MESI) E PER ANNO.
PARAMETRO UNITÀ DI MISURA PERIODO MONITORATO (15 MESI) PER ANNO Produzione lorda energia elettrica MWh 10.354 8.270 Potenza elettrica media prodotta kW 944 944 - percentuale della potenza installata % 94,4 94,4 Autoconsumo ausiliari cogeneratore MWh 393 314 - percentuale della produzione lorda % 3,8 3,8 Autoconsumo impianto digestione MWh 554 443 - percentuale della produzione lorda % 5,4 5,4 Produzione di energia elettrica vendibile MWh 9.406 7.513
FIG. 1 - POTENZA ELETTRICA PRODOTTA NEL PERIODO MONITORATO.
FIG. 2 - RIPARTIZIONE DEI SOLIDI VOLATILI CARICATI NELL’IMPIANTO PER TIPOLOGIA DI MATRICI ORGANICHE.
la produzione della potenza elettrica totale giornaliera dell’impianto. Rapportando i valori monitorati all’ar- co temporale annuale, la produzione elettrica lorda è risultata pari a 8.270 MWhe (equivalente ad un funzionamento giornaliero del cogeneratore a pieno carico di 22,6 h), mentre la produzione netta vendibile è stata di 7.513 MWhe.
Mediamente sono state caricate 50,3 t di matri-
ci organiche (18.311 t/anno, per il 95% da insilati di mais), equivalenti a 16,7 t/giorno di solidi volatili (6.095 t SV/anno). In tabella 3 sono riportate le carat- teristiche chimiche medie del digestato: considerando la percentuale di solidi volatili (SV) sui solidi totali
Carico della biomassa nelle tramogge dosatrici.
Vista aerea dell’impianto di digestione anaerobica.
(ST) è possibile calcolare una conversione dei solidi volatili in biogas pari al 78%. La resa di conversione biologica delle biomasse è stata pari a 638 Nm3/t SV, corrispondente a 331 Nm3/t SV di metano (212 Nm3 biogas/t di biomassa).
Tab. 3 - CARATTERISTICHE CHIMICHE DEL DIGESTATO NELLE DIVERSE SEZIONI DELL’IMPIANTO.
PARAMETRO UNITÀ DI MISURA FM1 FM2 FM3 SF
pH - 7,8 7,77 7,91 7,92
ST g/kgtq 88,7 88,1 82,3 73,3
SV g/kgtq 72,4 72,1 68,18 57,8
%ST 81,7 81,8 82,8 78,8
NTK mg/kgtq 4.408 4.903 4.953 4.783
%ST 4,89 5,57 6,07 6,81
N-NH4+ mg/kgtq 2.034 2.070 2.175 2.471
%NTK 45,4 40,1 42,8 51,7 FM1 e FM2: digestori primari, FM3: postfermentatore, SF: stoccaggio
Tab. 4 - INDICI DI EFFICIENZA PRODUTTIVA DELL’IMPIANTO.
INDICE UNITÀ DI MISURA VALORE
Carico organico volumetrico (COV) kgSV/m3digestore/giorno 2,29 Tempo di ritenzione idraulica giorni 138 Resa specifica di conversione in biogas Nm3/t SV 638
Nm3/t tal quale 221
Resa specifica di conversione in metano Nm3/t SV 331
Nm3/t tal quale 114
Percentuale metano % 51,8
Produzione gas per unità di volume di digestione (GPR) Nm3/m3 digestore/giorno 1,36 Resa specifica di conversione in energia elettrica kWhe/kgSV 1,37
Conclusioni
Nel caso degli impianti alimentati prevalentemente a colture energetiche, la costanza del prodotto permette di costruire impianti affi dabili anche se più complessi e con esigenze di competenze sia ingegneristiche che biologiche importanti.
Nel caso preso in esame le rese di trasformazione del- la sostanza organica caricata è risultata molto vicina ai valori riscontrabili in letteratura: a fronte di un carico complessivo di 18.311 t/anno (6.095 t SV/anno) la pro- duzione di biogas è risultata pari a 3.886.000 Nm3/an- no (2.013.000 Nm3 metano/anno). In termini specifi ci ciò ha comportato una resa di conversione biologica di 638 Nm3 biogas/t SV con una percentuale di metano del
51,8% che porta ad una resa in metano di 331 Nm3/t SV.
Non sono mancati problemi di carattere impiantistico e gestionale: le problematiche maggiori sono state legate alle coperture, all’allestimento del gruppo di cogenerazione e alla gestione biologica. L’adozione del monitoraggio con- tinuo attraverso la registrazione di tutti i parametri fun- zionali e di carico, nonché delle caratteristiche chimiche del digestato, hanno consentito di gestire in modo ottimale l’impianto. L’esperienza maturata nella conduzione ha for- nito, inoltre, gli elementi per redigere una programma di controlli ispettivi e di manutenzione preventiva e preditti- va dell’impianto, anche con l’adozione di un protocollo di valutazione della qualità dei trinciati che ha permesso di ridurre al minimo la variabilità della produzione.
Tab. 1 - CARATTERISTICHE CHIMICHE MEDIE E DEVIAZIONE STANDARD DEL SILOMAIS CARICATO NEI DIGESTORI.
pH ST SV NTK TOC [C/N] P TOT K
[-] [g/kg tq] [g/kg tq] [% ST] [mg/kg tq] [% st] [% ST] [-] [mg/kg tq] [% ST] [mg/kg tq] [% ST]
SILOMAIS
Media 3,3 305,1 291,4 95,5 3.363,8 1,2 46,15 39,75 557,9 0,2 2.473 0,88 Dev.ST 0,0 46,1 45,3 0,5 32,9 0,0 4,0 4,6 43,6 0,0 83,4 0,0 SILOSORGO
Media 3,8 317,7 289,3 91,1 2.591,3 0,8 45,2 59,05 508,2 0,15 6.334,5 1,95 Dev.ST 0,0 7,1 4,9 0,6 761,9 0,3 3,0 15,6 25,7 0,1 27,6 0,1 ST: sostanza secca; SV: sostanza organica; NTK: azoto totale; TOC: carbonio organico; C/N: carbonio/azoto;
P tot: fosforo totale; K: potassio.
L’
utilizzo delle colture energetiche nella fi liera del biogas, con relativa conversione in energia elettrica, è diventa- to una realtà consolidata soprattutto nelle aree agricole ad elevata vocazione produttiva cerealicola, in cui la zootecnia è poco rappresentativa. Allo stato attuale l’insilato di mais rappresenta la coltura più utilizzata negli impianti di co- digestione anaerobica grazie all’elevato valore energetico, all’ottimo equilibrio tra la quantità di amido e fi bra e alle eccellenti conversioni in biogas.La conversione in biogas delle colture dedicate dipende principalmente dalla specie e ibrido/varietà utilizzata, dal periodo di raccolta, dalla corretta applicazione della tec- nica di insilamento e, quindi, dal contenuto di nutrienti presenti nella coltura.
L’utilizzo del mais trinciato integrale per la produzione di biogas, tuttavia, soff re di alcune limitazioni che vanno dal- la sua elevata esigenza di mezzi tecnici, irrigui in primis e nutrizionali in secondo luogo, e di concorrenza con altri usi, zootecnici per la produzione di latte e carne ma anche
umani. L’individuazione di una coltura alternativa al mais rappresenta da sempre un obiettivo di tutti i gestori di im- pianti di biogas che devono fare i conti con la terra dispo- nibile per gli approvvigionamenti e la quantità di metano necessario ad alimentare i propri cogeneratori.
Se tutte le pratiche agronomiche e gestionali citate sopra ven- gono attuate correttamente, il sorgo può rappresentare una valida alternativa al mais negli impianti di biogas, soprattut- to in virtù dei suoi positivi aspetti agronomici e colturali.
Questa coltura, infatti, ha un’elevata resistenza alla siccità e una buona capacità di utilizzare l’acqua e l’azoto disponibile nel terreno, nonché una quasi totale assenza di parassiti che possono comprometterne il risultato produttivo. Il suo uso, quindi, risulta molto interessante nei comprensori non ir- rigui o che si caratterizzano per un costo elevato dell’acqua (Bortolazzo et al, Agricoltura n. 89/2009).
Naturalmente, anche il sorgo ha alcune caratteristiche che ne limitano la diff usione: facilità di allettamento quando seminato con densità non appropriata o concimato con
Le rese in biogas
del sorgo e del mais
MARIANGELA SOLDANO, NICOLA LABARTINO - Crpa Spa, Reggio Emilia
troppo azoto, ridotta pro- duzione in carenza di acqua e contenuto amidico infe- riore e scelta varietale molto più limitata rispetto al mais, suo diretto concorrente.
I cicli di analisi del Crpa Lab
Allo scopo di valutare e confrontare i rendimenti in biogas e, quindi, ener- getici del silosorgo e del silomais, il Crpa - attra- verso il proprio labora- torio specialistico Crpa Lab - ha attivato una se- rie di prove di digestione anaerobica. L’attività ha riguardato l’esecuzione di tre cicli di analisi del po- tenziale metanigeno dei due insilati, della durata di 50 giorni circa ciascu- no; la prova è stata eff et- tuata in minidigestori da laboratorio alimentati in continuo (foto a lato), di
volume totale pari a 23 litri, miscelati e riscaldati, con misura in continuo della quantità di biogas pro- dotto (metodo manometrico) e misura discontinua della qualità del biogas. La metodologia applicata ha permesso, quindi, di valutare le rese eff ettivamente ottenibili in impianti in scala reale e di controllare le condizioni di processo.
Il mais e il sorgo sono stati campionati presso due distinte aziende agricole e sono stati insilati tramite
“minisilo-bag”, introducendo quantitativi di circa 1 kg di prodotto in sacchetti sottovuoto e conservan- do gli stessi al buio in camera termostatata a 26°C.
Con questa metodica si annullano di fatto le perdite per percolamento e, quindi, le perdite di potenziale produttivo delle matrici, ottenendo al contempo una matrice omogenea durante tutto il ciclo di prova.
Il sorgo zuccherino utilizzato durante i test appar- tiene alla varietà Sucro 405, di particolare interesse per gli usi energetici data la maggiore dotazione di zuccheri semplici rispetto ad altre varietà. Le matrici, dopo l’insilamento, sono state caratterizzate chimica- mente per ciascun ciclo e in tabella 1 viene riportata l’analisi media per i tre cicli di prova.
Le due biomasse sono state utilizzate in miscela con un liquame bovino proveniente da un allevamento di bovini da latte. Per la co-digestione con effl uenti è stata scelta questa tipologia di effl uente, in quanto più comunemente impiegata in codigestione con bio- masse vegetali negli impianti aziendali e perchè ricca di tutti i micronutrienti importanti per un giusto svi- luppo della fl ora microbica. Per valutare la produzio- ne di biogas della componente liquame presente in
Impianto di digestione anaerobica in continuo localizzato presso il laboratorio biogas del CRPA Lab.
entrambe le miscele con insilati sono state condotte altrettante prove di digestione con il solo liquame.
La temperatura di conduzione è sempre stata nell’am- bito mesofi lo (38-39°C), i tempi di ritenzione per le due tesi sono stati di 50 giorni, mentre il carico orga- nico volumetrico (quantità di solidi volatili o sostan- za organica caricata per metro cubo di digestore e per giorno) è stato pari a 1,85 kg SV/m3/giorno (56% da liquame e 43% da insilato).
I valori medi di produzione, elaborati per depura- re dalla produzione di biogas l’apporto a carico dei solidi volatili del liquame, ottenuti dai test, hanno indicato:
– per il silomais: una resa pari mediamente a 745 Nm3 biogas/kg SV (393 Nm3 metano/kg SV pari al 52,7%;
– per il silosorgo: una resa pari mediamente a 732 Nm3/kg SV (387 Nm3 metano/kg SV).
Nella fi gura 1 è riportato un esempio di periodo di rilevamento durante il quale si evidenzia l’andamen- to della velocità di produzione volumetrica, ovvero il volume di biogas prodotto per unità di volume di di- gestore e per giorno per le due miscele testate. Si os- serva che i trend di produzione sono piuttosto simili, allineati nel tempo e dell’ordine di 1,57 m3 biogas/
m3/digestore giorno per la miscela liquame bovino + silomais e 1,65 m3 biogas/m3/digestore giorno per la miscela liquame bovino + silosorgo.
FIG. 1 - PRODUZIONE DI BIOGAS PER UNITÀ DI VOLUME UTILE DI DIGESTORE PER GIORNO.
I rendimenti a confronto
I risultati emersi dai test del potenziale metanigeno han- no evidenziato, quindi, rendimenti in biogas e in metano dell’insilato di sorgo del tutto simili a quelli dell’insilato di mais. Fondamentale per l’ottenimento di questi risultati è stata la costanza nelle caratteristiche degli insilati caricati nell’impianto di laboratorio e la qualità dei prodotti. Ov- viamente, sui risultati di laboratorio hanno inciso in modo determinante la buona conservazione dei prodotti stessi, che ha permesso di mantenerne praticamente inalterato il contenuto energetico, ma anche il buon mix con gli ef- fl uenti zootecnici che ha garantito un ottimale equilibrio fra acidità organica e alcalinità, il giusto apporto di macro e micronutrienti e l’assenza di fenomeni inibenti.
In defi nitiva, il sorgo è una coltura molto interessante come biomassa di sostituzione/integrazione per la pro- duzione di biogas, che si predispone bene all’insilamento e alla fermentazione - a patto che venga raccolta al giusto grado di maturazione e di umidità - che ha un’elevata ru- sticità, una buona produzione e un potenziale energetico del tutto confrontabile a quello del mais.
La sua idoneità all’uso nella fi liera del biogas, quindi, è ga- rantita purché vengano rispettate le condizioni in azienda di un insilamento di prima qualità, che ne riduca la varia- bilità e le perdite per percolamento, e adeguate condizioni di processo di digestione anaerobica, quali un giusto tem- po di ritenzione idraulica e di carico organico giornaliero.
Biogas/volume utile digestore [dm3/dm3/gg]
Giorni di prova
Utilizzo della separazione
ne solido-liquido. Il trattamento, infatti, genera una frazione chiarifi cata, che contiene principalmente azoto in forma am- moniacale, e una frazione palabile caratterizzata da un’elevata percentuale di sostanza organica parzialmente stabilizzata. La frazione chiarifi cata potrebbe essere, quindi, usata per fertiliz- zare le colture, in luogo del concime di sintesi, a patto che ven- ga utilizzata in periodi coincidenti con lo sviluppo colturale e facendo in modo di limitare le emissioni gassose ammoniacali che avvengono durante la distribuzione. La frazione solida po- trebbe, invece, essere valorizzata ai fi ni ammendanti.
I
l digestato è il frutto di una serie molto complessa di reazioni che - seppur non variando in modo signifi cativo il quantitativo di azoto introdotto nel digestore - ne modifi cano la composizione.Durante il processo di digestione anaerobica, infatti, parte del- la sostanza organica delle diverse forme di azoto organico vie- ne demolita per produrre biogas, mentre il gruppo amminico ad essa legato viene liberato in soluzione sotto forma di azoto minerale (ione ammoniacale, N-NH4+); l’entità di queste re- azioni dipende dal tipo di composto azotato e dall’effi cienza del processo di digestione anaerobica. Parte dell’azoto ammo- niacale presente nel materiale
all’interno dei digestori viene allontanato con il biogas, ma tale quota rappresenta in ge- nere non più dell’1-2% della quantità di azoto complessi- vamente caricato con le di- verse matrici.
Le quote di azoto organico e di quello ammoniacale che si ritrovano nel digestato di- pendono quindi dalla “dieta”
utilizzata per alimentare il di- gestore. Nel caso di impianti alimentati a soli effl uenti zo- otecnici l’azoto ammoniacale nel digestato può arrivare fi no all’80-85% dell’azoto totale, mentre negli im- pianti alimentati a sole col- ture dedicate tale quota arri- va generalmente al 50-60%.
In linea generale la gestione del digestato viene notevol- mente agevolata se questo viene sottoposto a separazio-
solido-liquido del digestato
CLAUDIO FABBRI, SERGIO PICCININI, FABIO VERZELLESI - Crpa Spa, Reggio Emilia
Vantaggi nella gestione degli effl uenti
Dal punto di vista della ge- stione pratica degli effl uenti, inoltre, la separazione so- lido-liquido previene i pro- blemi di fl ottazione super- fi ciale delle frazioni sospese (il caratteristico “cappello”) negli stoccaggi e/o la sedi- mentazione sul fondo delle vasche, che nel tempo ne ri- duce la capacità di conteni- mento, cioè il volume utile.
L’interesse per l’implemen- tazione di questa tecnologia negli impianti a biogas è
elevato, ma lo sviluppo contrasta con la problematica della destinazione d’uso dell’azoto introdotto nel sistema. L’at- tuale tecnologia di produzione di biogas, infatti, comporta spesso la realizzazione di impianti che prevedono l’aggiun- ta di biomasse (insilati di cereali e/o sottoprodotti agroin- dustriali) con elevati tenori di azoto, che incrementano signifi cativamente il quantitativo di azoto al campo che i gestori degli impianti si trovano a dovere distribuire. Ciò potrebbe compromettere o ridurre in modo signifi cativo la fattibilità di impianti di questo tipo nelle aziende con limitata disponibilità di terreno per l’utilizzo agronomico della frazione chiarifi cata.
In uno studio condotto dal Crpa sull’utilizzo della separa- zione solido-liquido con le macchine più comunemente uti- lizzate in questo settore (sistemi a compressione elicoidale), sono stati analizzati i principali fattori che infl uiscono sull’ef- fi cienza di separazione. Questa viene convenzionalmente espressa come la quota parte del singolo elemento (peso, azoto totale, azoto ammoniacale, solidi totali, ecc.) che viene separata/segregata nella frazione solida/addensata rispetto al- la quantità dello stesso elemento avviata al trattamento.
Le prove hanno riguardato tre distinti impianti di biogas caratterizzati da diversi mix di alimentazione (colture dedi- cate + sottoprodotti vegetali e animali; solo colture dedica- te; colture dedicate + sottoprodotti vegetali) e compressore elicoidale. La compressione elicoidale lavora sul principio fi sico della fi ltrazione per compressione attraverso un ce-
stello forato e di fatto consente di trattenere soprattutto la frazione più fi brosa e particellare di media/grossa dimen- sione a cui è legata la frazione di azoto organico, mentre la frazione di azoto ammoniacale, soluta come ione minera- le nella frazione liquida, fi ltra attraverso i fori del cestello.
Di conseguenza, quanto maggiore è la diluizione del pro- dotto, minore la dimensione delle particelle e maggiore la quantità di azoto ammoniacale in relazione alla quantità di azoto totale, tanto minore è l’effi cienza di separazione che la macchina è in grado di esercitare.
Diversi gradi di effi cienza
Sulla base delle risultanze analitiche è stato possibile desu- mere che le effi cienze di separazione diff eriscono in modo considerevole quando le stesse macchine sono applicate a digestati di caratteristiche chimico-fi siche diverse:
– l’effi cienza di separazione in peso passa dal 16,3%, media per digestati molto densi al 9,2% di solidi totali e deri- vanti da sole colture dedicate, al 6,1% quando derivanti da digestati al 5,9% di solidi totali prodotti con colture dedicate e sottoprodotti animali e vegetali;
– l’effi cienza di separazione dei solidi totali, allo stes- so modo, si riduce dal 39,9 al 22%, così come l’effi - cienza di separazione dei solidi volatili che passa dal 46,9 al 26,7%: la riduzione dell’effi cienza è dell’ordine del 45% per i solidi totali e del 43% per i solidi volatili;
Separatore e platea di stoccaggio con solido separato.
– in merito all’azoto totale, le diff erenze nella miscela al carico e le relative caratteri- stiche chimiche hanno un duplice eff etto in quanto viene ridotta contempo- raneamente sia l’effi cienza di separazione dei solidi totali, e quindi dell’azoto organico, sia dell’azoto am- moniacale: l’effi cienza di separazione passa dal 18,4 al 7,3% con una riduzione del 60% circa;
– l’effi cienza di separazione dell’azoto ammoniacale passa dal 14,1 al 4,9% con una riduzione del 65%;
– l’effi cienza di separazione del fosforo passa dal 38,5 al 19,6% con una dinami- ca del tutto simile a quella dei solidi totali, mentre l’effi cienza di separazione del potassio passa dal 14,6 al 4,3% con una dinamica simile a quella dell’azoto ammoniacale. Ciò, ov- viamente, a causa del fat- to che il fosforo è legato principalmente alla pre- senza di solidi totali, men- tre il potassio è soluto in soluzione acquosa al pari dell’azoto ammoniacale.
In defi nitiva, il monitoraggio
di diff erenti macchine funzionanti in diverse condizioni ope- rative ha permesso di ricavare una serie di curve di effi cienza.
Dall’elaborazione dei dati sono emersi alcune importanti consi- derazioni ed elementi utili per la progettazione e la gestione degli impianti di digestione anaerobica:
– l’alimentazione dell’impianto infl uenza in modo deter- minante le caratteristiche chimiche e fi siche del digestato e questo, a sua volta, l’effi cienza di separazione dei diversi elementi chimici;
– l’effi cienza è direttamente proporzionale al contenuto di solidi totali e di azoto totale (fi gure 1 e 2);
– all’aumentare del contenuto di azoto ammoniacale l’effi - cienza di separazione dell’azoto sia totale che ammoniacale si riduce a causa dell’elevata solubilità di questo composto;
– la separazione del fosforo segue le dinamiche della sepa- razione dei solidi totali, mentre la separazione del potas- sio segue la dinamica della separazione dell’azoto ammo- niacale.
FIG. 1 - EFFICIENZA DI SEPARAZIONE IN PESO IN FUNZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI SOLIDI TOTALI PRESENTI NEL DIGESTATO AVVIATO AL TRATTAMENTO.
FIG. 2 -EFFICIENZA DI SEPARAZIONE DELL’AZOTO TOTALE IN FUNZIONE DELL’EFFICIENZA DI SEPARAZIONE DEI SOLIDI TOTALI.
Efficienza separazione pesoEfficienza separazione azoto totale
Solidi totali (g/kg)
Efficienza separazione solidi totali
N
egli ultimi mesi il dibattito sulle opportunità e sulle problematiche che derivano dall’installa- zione di digestori anaerobici per la produzione di biogas nel comprensorio del Parmigiano-Reggiano è stato particolarmente acceso. Le questioni che legano biogas e formaggio Dop sono, a questo proposito, essenzialmente dovute al timore di un aumento della contaminazione con spore di clostridi degli ambientidi produzione del latte, a seguito della produzione e utilizzazione di insilati negli impianti di biogas in associazione a effl uenti zootecnici e al relativo span- dimento dei digestati sui terreni a foraggere destinate all’alimentazione delle bovine da latte.
Altri aspetti di preoccupazione riguardano la produ- zione di essenze vegetali da orientare alla produzione di biogas e le possibili turbative in termini di dispo-
nibilità e di prezzo degli alimenti zootecnici.
Con delibera dell’Assem- blea legislativa n. 51 del 26 luglio 2011 la Regio- ne Emilia-Romagna ha definito le disposizioni per la localizzazione de- gli impianti che produ- cono energia elettrica a partire da fonti energe- tiche rinnovabili (eolica, da biogas e idroelettri- ca). Per quanto riguarda gli impianti di biogas, vengono stabiliti livelli di attenzione particolari per il territorio di produzione del Parmigiano-Reggiano e per le zone di coltiva- zione dei prati stabili. Il territorio di produzione del Parmigiano-Reggiano è considerato non ido- neo all’installazione di impianti di produzione di energia da biogas e produzione di biometa-
Biogas e Parmigiano-Reggiano:
una coesistenza possibile?
PAOLA VECCHIA, SERGIO PICCININI - Crpa Spa, Reggio Emilia
no «qualora gli impianti utilizzino silomais o altre essenze vegetali insilate, fatto salvo il caso in cui l’utilizzazione agronomica del residuo del processo di fermentazione (digestato), tal quale o trattato, avvenga in terreni ubicati all’esterno del medesimo comprensorio».
Il problema dei clostridi
La microfl ora legata agli ambienti di produzione del latte rappresenta un elemento fondamentale di carat- terizzazione e di qualifi cazione dei formaggi a deno- minazione d’origine, ma altrettanto signifi cativamen- te può infl uenzarne negativamente gli andamenti maturativi e quindi la qualità, in modo particolare quella del Parmigiano-Reggiano in quanto prodotto
senza l’ausilio di additivi per il controllo dello svilup- po microbico.
Il controllo della contaminazione ambientale da spo- re di Clostridium (componente batterica particolar- mente dannosa per le produzioni casearie con grave deprezzamento del prodotto) in aziende che produ- cono latte per Parmigiano-Reggiano è da molto tem- po oggetto di prescrizioni da parte del disciplinare di produzione.
I clostridi sono batteri anaerobi e sporigeni (forma- no all’interno della cellula vegetativa un’endospora).
Le spore, resistenti al calore, a radiazioni e a diver- si agenti chimici, mantengono a lungo la possibilità di germinare e dar luogo a nuove cellule vegetative quando si presentano condizioni ambientali idonee.
Questi batteri sono ubiquitari e possono essere isolati
dal suolo, dall’acqua, dalla polvere, da sedimenti, da feci, da materiale in decomposizione, ecc.
La diff usione dei clostridi nella fi liera latte segue uno schema preciso: le spore presenti nelle produzioni ve- getali imbrattate di terra infl uenzano la quantità di quelle degli alimenti conservati; il numero di spore negli alimenti condiziona quello nelle feci, che inevi- tabilmente contaminano l’ambiente di allevamento, gli animali, gli impianti di mungitura e di conseguen- za il latte; le feci, a loro volta, tornando come conci- mi organici al terreno, restituiscono spore al suolo e possono indurre anche un aumento del loro numero.
La presenza di spore negli alimenti zootecnici è, quindi, la base della contaminazione del processo di produzione del latte. La presenza di spore nel latte è strettamente legata al numero di spore presenti nelle feci, che generalmente sono più di quante ne siano state ingerite dalle bovine con l’alimento.
Clostridium tyrobutyricum è la specie più comune nei
formaggi difettosi; meno frequenti C. butyricum, e C. sporogenes. I primi due fermentano i carboidrati e l’acido lattico, producendo acido butirrico, anidride carbonica e idrogeno. Il terzo è responsabile di degra- dazioni putrefattive dei composti azotati, liberando acidi organici, anidride carbonica e composti male- odoranti. La produzione di gas determina gonfi ore, occhiature e spaccature della pasta del formaggio. La produzione di acidi organici e l’attività proteolica portano, invece, ad alterazioni di sapore e aroma. La ricerca di ottimali condizioni nella pasta del formag- gio e alcune pratiche da adottare sia in azienda che in stalla possono limitare fortemente i danni, ma non eliminare il problema.
Pertanto i clostridi svolgono un ruolo fondamentale negli impianti di digestione anaerobica contribuen- do all’idrolisi dei composti organici e alla produzione delle molecole base utilizzate dai metanobatteri per la produzione di metano.
Il contenuto di spore nel digestato
Nel 2009 il Crpa ha condotto una sperimentazione, fi nan- ziata dalla Regione Emilia-Romagna con il contributo del Consorzio del Parmigiano-Reggiano, tesa a verifi care gli eff etti del processo di digestione anaerobica sulla presenza di spore di Clostridium introdotte negli impianti di biogas tramite liquami bovini tal quali o addizionati di altre fra- zioni fermentescibili.
La sperimentazione nasceva dall’esigenza di non perdere un’opportunità economica importante anche per le aziende zootecniche da latte rappresentata dalla produzione di ener- gia da fonti rinnovabili, alla luce però della necessità di verifi - carne la compatibilità con la qualità microbiologica dell’am- biente di produzione del latte per Parmigiano-Reggiano.
All’avvio della sperimenta- zione non erano disponibili risultati di ricerche orien- tate a defi nire l’entità della presenza delle spore di clo- stridi nei refl ui di impianti di produzione di biogas da co-digestione; per contro, era viva la preoccupazione che tali batteri anaerobi, naturalmente presenti, po- tessero trovare negli im- pianti condizioni favorevoli al loro sviluppo e che l’uti- lizzazione agronomica dei digestati potesse contribu- ire ad aumentare la conta- minazione ambientale da parte di questi batteri.
Allo scopo sono stati con- dotti tre cicli di digestione anaerobica in reattori da laboratorio che simulano il processo di produzione del biogas come avviene in sca- la reale. Ogni ciclo ha visto l’utilizzazione contempora- nea di tre reattori; le matri- ci in ingresso dei reattori, per ognuno dei cicli, sono
state: liquame bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano-Reggiano tal quale;
liquame bovino proveniente da un allevamento per la pro- duzione di latte per Parmigiano-Reggiano addizionato con insilato di mais; liquame bovino proveniente da un alleva- mento per la produzione di latte per Parmigiano-Reggiano addizionato con insilato di sorgo. Ogni ciclo, condotto in mesofi lia (38-39°C), ha avuto una durata di 90 giorni (start-up di 30 giorni, più un periodo di prova vero e pro- prio di 60 giorni).
La composizione chimica e il profi lo fermentativo dei materiali impiegati per alimentare i digestori, insilati ed effl uenti zootecnici hanno mostrato valori normali.
La resa in biogas è stata quella attesa e maggiore per le miscele liquame-insilato rispetto al solo liquame. An-
che i digestati ottenuti hanno mostrato caratteristiche normali in base alla tipologia dei materiali utilizzati in ingresso, a testimonianza di un regolare svolgimento dei processi fermentativi e di metanogenesi.
Confrontando il contenuto di spore rilevato nelle tre tipologie di digestato non si sono rilevate diff erenze sta- tisticamente signifi cative fra il contenuto di spore dei digestati del reattore liquame+silomais e quello dei di- gestati del reattore liquame+silosorgo: l’insilato di mais e di sorgo, addizionati al liquame, hanno condiziona- to allo stesso modo il contenuto di spore nei digestati.
La diff erenza è stata signifi cativa, invece, fra contenuto di spore dei digestati dei reattori liquame+silomais e liquame+silosorgo e quello dei digestati del reattore con solo liquame: i digestati provenienti da solo liquame hanno presentato un numero di spore più basso.
Facendo un bilancio delle spore in ingresso e in uscita dai digestori si è rilevato che l’aumento delle spore nel digestore solo liquame non è signifi cativo, mentre lo è quello che si realizza nei digestori liquame-solomais e liquame-silosorgo.
Conclusioni
Alla domanda se le spore di clostridi aumentano op- pure no nei digestati in uscita dagli impianti di bio- gas rispetto a quelle presenti nei materiali in ingresso, la sperimentazione condotta consente di rispondere che le spore aumentano nei digestati provenienti da digestori alimentati con insilati e liquame, mentre non aumentano nei digestori alimentati con solo li- quame.
I risultati ottenuti danno conto dell’attenzione che deve essere posta nello sviluppo di una pratica inno- vativa che può portare ad un arricchimento in spore del materiale organico destinato ad essere utilizza- to come concime. Ciò avvalora le ragioni alla base dell’adozione da parte della Regione Emilia-Roma- gna del principio di precauzione, volto a evitare un accumulo di spore nel ciclo produttivo del Parmigia- no-Reggiano.
D’altra parte, sono indiscutibili le potenzialità tecni- che ed economiche del recupero di biogas nel settore
zootecnico da latte. Per questo motivo si auspica da più parti un “supple- mento d’indagine”, volto ad ampliare e verifi care in campo i risultati ottenuti nella sperimentazione di laboratorio, per meglio delineare i limiti della coesistenza fra produzio- ne di Parmigiano-Reg- giano e produzione di biogas e defi nire l’eff etti- va possibilità di una in- tegrazione sinergica delle due fi liere: valutando, ad esempio, l’uso di matrici alternative agli insilati o la possibilità di attenua- re la carica clostridica dei digestati mediante oppor- tune modalità di gestio- ne degli impianti e degli effl uenti.
P
er dimensionare e gestire correttamente un im- pianto per la produzione di biogas è necessario tener conto del potenziale metanigeno delle biomasse utilizzate. Occorre considerare, infatti, che solo una parte di esse, i solidi volatili degradabili, viene con- vertita in biogas. La quota di prodotto che non viene convertita costituisce il cosiddetto digestato, che de- ve poi essere stoccato e possibilmente utilizzato agro- nomicamente.La fi liera biogas, di fatto, è praticamente l’unica fi liera bioenergetica in cui un residuo del processo produttivo è così fortemente vincolante in termini gestionali, norma- tivi ed economici. La quantità di digestato, la volumetria dei bacini di stoccaggio, il quantitativo di azoto da gestire e, in defi nitiva, i suoi costi di gestione dipendono dalle caratteristiche di reattività delle biomasse scelte. A parità di metano prodotto, le quantità di digestato e/o di azoto da gestire possono andare da 1 a 10-20 volte, passando da impianti alimentati a colture energetiche ad impianti alimentati ad effl uenti zootecnici.
Conoscendo, inoltre, le quantità di biomasse disponi- bili in azienda o reperibili
sul mercato e il relativo potenziale metanigeno è possibile defi nire sia il cor- retto dimensionamento delle volumetrie dell’im- pianto di biogas che i co- sti di approvvigionamen- to, prima voce di spesa nella conduzione di un impianto di digestione anaerobica quando si usa- no biomasse dedicate. La valutazione del potenziale è, inoltre, particolarmen-
te importante quando si considera di introdurre nella dieta dell’impianto sottoprodotti di origine agroindu- striale, che, per defi nizione, hanno una composizione chimica molto variabile - oltre che da fornitore a forni- tore - anche nel tempo.
Esistono diversi sistemi di determinazione del poten- ziale metanigeno: con analisi chimica, con metodo sta- tico (o in batch) e con metodo dinamico. La scelta di applicare un metodo piuttosto che un altro dipende essenzialmente dalle fi nalità e dall’importanza che ha la misura.
Nel corso del 2011 il Crpa, con la propria struttura Crpa Lab, ha realizzato un apparato per la valutazio- ne del potenziale metanigeno con “metodo statico”, che si affi anca a quello già esistente per la valutazione del potenziale metanigeno con “metodo dinamico”.
Il laboratorio nasce con l’obiettivo di fornire suppor- to alle imprese di costruzione e ai gestori di impianti per sviluppare proprie tecnologie di produzione di biogas e verifi care le performance produttive delle di- verse matrici utilizzabili per produrre biogas.
Progettazione e gestione:
le prove di laboratorio
MARIANGELA SOLDANO, GIUSEPPE MOSCATELLI, CLAUDIO FABBRI - Crpa Spa, Reggio Emilia
CRPA Lab è un laboratorio dedicato alla ricerca industriale rivolto ai settori dell’agroalimentare, dell’ambiente e dell’energia. CRPA Lab ha avuto il sostegno finanziario della Regione Emilia-Romagna (POR FESR 2007-2013) ed è insediato nel Tecnopolo di Reggio Emilia.
CRPA Lab è una divisione di CRPA Spa.
Il potenziale metanigeno (BMP)
L’elemento di base che maggiormente infl uenza qualunque tipo di analisi, e dal quale gli studi di fattibilità per la rea- lizzazione di un impianto di digestione anaerobica devono partire, è rappresentato dalla conoscenza del “Potenziale Metanigeno Biochimico” o BMP (dall’inglese Biochemical Methane Potential). Questo parametro esprime la quantità di biogas/metano massimo potenzialmente ottenibile dalla degradazione di una biomassa ed è espresso come Nm3/ kg SV, ovvero normal metri cubi di biogas per kg di solidi volatili ovvero di sostanza organica. Accanto al volume di biogas producibile, l’analisi deve sempre riportare anche la percentuale di metano presente nel biogas, in quanto è questo il combustibile utile per la conversione energetica.
Il metodo statico del Crpa Lab
L’analisi del BMP con “metodo statico” viene condot- ta in laboratorio cercando di simulare in un ambiente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico.
La biomassa da valutare viene dapprima analizzata e poi miscelata ad un inoculo “aff amato”, cioè un substrato organico predigerito e proveniente da un impianto che possibilmente stia già utilizzando la biomassa da valu- tare, e ad una soluzione di sali (per tamponare la pro- duzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consorzio batterico). La miscela viene riposta in un piccolo digestore, tipicamente una bottiglia da 1.000-1.500 ml, la cui forma dipende dal- la tipologia di prodotto da analizzare, e posizionata
in un ambiente termosta- tato in cui viene mante- nuta costante la tempera- tura di processo. Accanto al digestore utilizzato per la conduzione della prova, occorre prevedere la con- duzione di un test con il solo inoculo, in modo da poter sottrarre alla pro- duzione di biogas della miscela l’eff etto di produ- zione residua dell’inoculo stesso.
Il processo si innesca rapi- damente, grazie alla pre- senza della fl ora microbica che si trova nell’inoculo, e la produzione di biogas inizia sin dai primi gior- ni del test. La curva di produzione cumulativa di biogas presenta, normal- mente, una prima parte di crescita intensa per poi ri- durre la velocità di produ- zione, in una seconda fase, fi no a tendere nell’ultima parte ad un asintoto oriz- zontale, che rappresenta il
Dispositivo per la determinazione del BMP con test statico progettato dal Crpa.
valore massimo di produ- zione.
Il dispositivo realizzato dal Crpa Lab dispone di 32 reattori indipendenti e dotati ciascuno di una propria linea di raccolta del gas (fi gura 1). Vi- sta l’importanza che ha la determinazione della quantità di gas sviluppa- to, il dispositivo è stato realizzato con un dop- pio di sistema di misura in serie: manometrico e massico. Il gas prodotto nel reattore viene mi- surato continuamente e direttamente all’interno del digestore analizzando l’incremento di pressio- ne nello spazio di testa con metodo manometri- co (la produzione di gas è direttamente propor- zionale all’incremento di pressione nello spazio di testa del digestore).
Ogni volta che la pressione del gas raggiunge una so- glia preimpostata, una valvola si apre e il contenuto dello spazio di testa viene svuotato in un piccolo ga- sometro esterno. Una volta raggiunta la massa critica suffi ciente a fl ussare l’analizzatore di qualità, il biogas viene pompato attraverso un sensore massico a disper- sione termica (il sensore massico a dispersione termica misura la massa di biogas fl uente attraverso una corre- lazione con la dissipazione di calore da una superfi cie riscaldata, corretta per la composizione specifi ca del biogas analizzato).
Un test per la qualità
Accanto alla misura della produzione di biogas il test prevede, ovviamente, anche la determinazione della qualità del biogas prodotto. La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica del-
Dettaglio dei reattori della digestione anaerobica.
FIG. 1 - SCHEMA DI PRINCIPIO DEL DISPOSITIVO REALIZZATO DA CRPA LAB.
