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della matrice (principalmente carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto), mentre il potenziale eff ettivo dipende dalla presenza di molecole recalcitranti, che ne riducono la degradabilità, dalla di- sponibilità di tutte le condizioni chi- mico-fi siche che consentono ai batteri di riprodursi e dalla presenza di fattori di inibizione.

Tutti i fattori sopra riportati hanno notevole infl uenza, oltre che sull’eff ettiva producibilità e, quindi, sul valore economico, anche su alcuni parametri di cinetica di processo che possono essere utilmente applicati per verifi care la compatibilità di utilizzo del prodotto nel proprio impianto o meglio per ottimiz- zare la progettazione.

Potenziale metanigeno massimo

Il Potenziale metanigeno massimo (o Bmp, dall’inglese Biochemical methane potential) esprime la quantità di bio- gas/metano massimo potenzialmente ottenibile dalla degradazione di una biomassa, ed è espresso come Nm³/kg s.v., ovvero normal metri cubi di biogas per kg di solidi volatili.

Nel grafi co 1 viene riportata la tipica curva di produzione giornaliera e cu- mulata di un test Bmp (vedi approfon- dimento), oltre che la curva di degrada- zione dei solidi volatili ottenibile come conseguenza della trasformazione degli stessi in biogas.

Biomassa, come si calcola il suo valore economico

di C. Fabbri, M. Soldano, G. Moscatelli, S. Piccinini

L

a digestione anaerobica è una tecnica in grado di utilizzare in modo molto fl essibile la maggior parte dei prodotti di origine organica (vegetale e/o animale) trasformandoli in biogas, una miscela composta prevalentemente da metano e biossido di carbonio (o anidride car- bonica, CO₂).

Tuttavia, il valore dei diversi prodotti organici che si immettono nel digestore anaerobico varia notevolmente sia in ter- mini di densità energetica, degradabilità, qualità del biogas producibile, sia in ter- mini di compatibilità impiantistica.

Durante il processo, la complessa se- quenza di trasformazioni biochimiche che avviene per opera delle diverse famiglie batteriche presenti porta dapprima a una demolizione delle molecole organiche in composti semplici (prevalentemente acido acetico, idrogeno e biossido di carbonio) e successivamente a una trasformazione in biogas.

Il potenziale metanigeno massimo dipende dalla composizione molecolare

RISULTATI OTTENUTI DALLA SEZIONE AMBIENTE ED ENERGIA DEL CRPA LAB

● Conoscere il potenziale metanigeno di una biomassa è fondamentale

per conoscerne la resa in metano, stimare il valore economico dei prodotti per cui non esiste un mercato di riferimento e determinare la quantità di azoto contenuta nel digestato

400

300

200

100

0 Produzione di metano (Nm3/t s.v.)

40

30

20

10

0 Velocità produzione (Nm3 metano/t s.v./giorno)

Giorni (n.)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Giorni (n.)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

70 60 50 40 30 20 10 0 Degradabilità dei solidi volatili (%)

Fmax (giorni): 39 F90 % (giorni): 28,2

F50 % (giorni): 7,6 Kmax (giorno): 3,5 BMP (Nm³/t s.v.): 291

GRAFICO 1 - Esempio di curva di produzione di biogas: sono riportati gli andamenti della velocità di produzione giornaliera e la curva cumulativa oltre che la curva di degradazione dei solidi volatili

BMP: Potenziale metanigeno massimo. Kmax: giorni necessari per raggiungere la massima velocità di produzione. Fmax: percentuale massima di solidi volatili degradabili (%). F50%: intervallo di tempo per raggiungere il 50% della produzione (giorni). F90%: intervallo di tempo per raggiungere il 90% della produzione (giorni).

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L’analisi del Potenziale metanigeno (o BMP, Biochemical methane poten- tial) statico viene condotta in labora- torio cercando di simulare in un ambiente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico.

La biomassa da valutare viene dapprima analizzata e poi miscelata a un inoculo «aff amato» (cioè un substra- to organico predigerito e provenien- te da un impianto che possibilmente stia già utilizzando la biomassa da valutare) e a una soluzione di sali (per tamponare la produzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consorzio bat- terico).

Per evitare un’inibizione dell’inoculo nelle fasi di avviamento, la quanti- tà di solidi volatili (s.v.) del substrato non deve essere eccessiva rispetto alla quantità di solidi volatili dell’inoculo. Il rapporto fra i solidi volatili del substrato da valutare e i solidi volatili

dell’inoculo deve essere superiore ad almeno 0,5. La miscela viene riposta in un piccolo digestore, tipicamente una bottiglia da 1.000-1.500 mL la cui forma dipende dalla tipologia di prodotto da analizzare, e posizionata in un ambiente in cui viene mantenuta costante la temperatura di processo.

Accanto al digestore utilizzato per la conduzione del test occorre prevedere la conduzione di un test con il solo inoculo, in modo da poter sot- trarre alla produzione di biogas della miscela l’eff etto di produzione residua dell’inoculo stesso.

Il processo si innesca rapidamente, grazie alla presenza della fl ora micro- bica presente nell’inoculo, e la produzione di biogas inizia sin dai primi giorni del test. La curva di produzione cumulativa di biogas cresce mol- to rapidamente nella prima parte per poi rallentare progressivamente e di- venire piatta.

Analisi della qualità del biogas

Il test deve prevedere anche la de- terminazione della qualità del biogas prodotto.

La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica delle sostanze contenute nel substrato e dai parametri fi sico-chimici della prova.

Il contenuto di metano (CH4) varia solitamente nell’intervallo compreso tra il 50 e l’80% in volume, mentre il contenuto di CO2 varia nell’intervallo del 20-50%.

Sono presenti anche basse concen- trazioni di idrogeno (10-1.000 ppm), ammoniaca (50-2.000 ppm), idrogeno solforato (50-2.000 ppm) e vari altri gas in tracce.

Il test BMP statico generalmente viene prolungato fi no a quando la produzione dell’ultimo giorno di test è superiore all’1% di tutta la produzione accumulata.

La misura viene fatta in continuo e la curva cumulata della produzione fornisce anche importanti informazioni in merito alla velocità di degradazione.

Nel rapporto di conduzione del test devono essere riportati almeno i seguenti aspetti:

descrizione del substrato;

descrizione dell’inoculo;

andamento della formazione di biogas, descrizione qualitativa del processo fermentativo con indica- zione del valore percentuale di metano;

potenziale metanigeno espresso come Nm³/kg s.v., ovvero normal metri cubi per kg di solidi volatili.

La Sezione ambiente ed energia di Crpa Lab conduce attività di ricerca fi nalizzata al miglioramento della conoscenza del processo di digestione anaerobica, ma svolge anche servizi diretti a imprese.

Crpa Lab ha avuto il sostegno fi nan- ziario della Regione Emilia-Romagna (Por Fesr 2007-2013) ed è insediato nel Tecnopolo di Reggio Emilia.

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● APPROFONDIMENTO

L’analisi del potenziale metanigeno massimo

Panoramica e dettaglio dei reattori di processo del dispositivo Crpa Lab per la misurazione del potenziale metanigeno

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Diventa quindi importante valutare il potenziale metanigeno per i seguenti motivi:

conoscere la disponibilità di metano potenziale della biomassa poiché al mo- mento della progettazione o della gestione degli approvvigionamenti consente di predire per tempo il grado di autosuffi - cienza delle scorte;

stimare il valore economico, soprattut- to per tutti quei prodotti per i quali non esiste un mercato di riferimento quotato con regolarità;

determinare il volume di digestato potenzialmente producibile e quindi calco- lare il volume delle vasche di stoccaggio necessarie;

determinare le quantità di azoto da ge- stire poiché nella digestione anaerobica le quantità di azoto strippato sono mol- to limitate e pertanto la maggior parte dell’azoto caricato deve poi essere gestito con il digestato;

conoscere le cinetiche di processo come velocità di degradazione, percentuale di solidi volatili degradati, caratteristiche chimiche del digestato.

Utilità del test Bmp

Dal test Bmp è possibile ottenere dei cosiddetti parametri di cinetica, i quali possono essere di grande aiuto per il di- mensionamento degli impianti e per valutare la qualità delle biomasse. Dall’analisi delle curve di produzione raffi gurate nel grafi co 1 possono essere facilmente elaborati i seguenti parametri cinetici:

Kmax: intervallo di tempo per rag- giungere la massima velocità di produzione (giorni);

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Fmax: percentuale massima di solidi volatili degradabili;

F50%: intervallo di tempo per raggiun- gere il 50% della produzione (giorni);

F90%: intervallo di tempo per raggiun- gere il 90% della produzione (giorni).

Questi parametri sono importanti per valutare la qualità e la stabilità della biomassa: una biomassa molto facil- mente degradabile, come ad esempio un composto formato da carboidrati semplici, ha un valore di Kmax più basso di una biomassa diffi cilmente degradabile come ad esempio una fra- zione fi brosa.

Dall’analisi dei risultati ottenuti su 200 campioni si desume che, mediamente, la velocità massima di produzione di biogas si raggiunge in circa 8 giorni nel 65% dei campioni analizzati (grafi co 2).

La velocità media di degradazione della biomassa, invece, si valuta con i coeffi - cienti F50% e F90%: una biomassa molto degradabile ha valori di F50% e F90%

più bassi di una biomassa diffi cilmen- te degradabile.

La conoscenza di questo parametro, pertanto, permette di valutare la compa- tibilità dimensionale del digestore con la biomassa che si intende utilizzare: una volta noto il tempo di ritenzione idrau- lico di un impianto è possibile capire se questo è compatibile con i tempi di degradazione ricavati con il test Bmp.

Anche in questo caso, il 77% dei campioni analizzati per l’elaborazione raggiunge il 90% della degradazione dei solidi volatili al massimo in 26 giorni (grafi co 3).

Le informazioni rese disponibili dai test Bmp, in sostanza, permettono di

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analizzare la grande variabilità del potenziale delle matrici disponibili nel settore biogas.

Classiﬁ cazione delle matrici organiche

In linea generale le matrici organiche possono essere così classifi cate:

cereali trinciati o insilati: si tratta di prodotti derivati da colture dedicate, a elevata densità energetica, elevato standard qualitativo e ottima degradabilità.

La scelta della fase fenologica del raccol- to, le modalità di trinciatura e conserva- zione possono infl uenzare notevolmente la resa in biogas;

sottoprodotti di origine animale (Soa): appartengono a questa categoria tutte le matrici derivanti dalla lavorazione di prodotti animali (carnicci, gras- si animali, latte e suoi derivati, sangue, contenuto ruminale, uova e derivati, ecc.). Si tratta di prodotti con una notevole variabilità, molto ricchi di lipidi e proteine, generalmente a elevata densi- tà energetica, ma con potenziali proble- mi di degradabilità ed elevata instabili- tà biologica;

sottoprodotti dell’industria alimen- tare: categoria molto vasta che racchiu- de gli sfridi di produzione di diversi prodotti alimentari (pane, pasta, dolciumi, caff è, ecc.). I prodotti di questa categoria sono molto ricchi in carboidrati più o meno complessi, hanno un’elevata de- gradabilità, sono spesso disponibili in periodi limitati dell’anno, diffi cilmente conservabili per periodi prolungati e caratterizzati da un basso livello di stan- dardizzazione;

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30 25 20 15 10 5 0

Frequenza (%)

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Kmax (giorni)

GRAFICO 2 - Distribuzione media del parametro Kmax dei 200 campioni analizzati

Mediamente la velocità massima di produzione di biogas si raggiunge in circa 8 giorni nel 65% dei campioni analizzati.

20 1816 1412 108 64 20

Frequenza (%)

44 42 38 34

30 32 36 40

28 26 24 22 20 18 16

F90% (giorni)

GRAFICO 3 - Distribuzione media del parametro F90% dei campioni utilizzati per l’elaborazione

Il 77% dei campioni analizzati per l’elaborazione raggiunge il 90% della degradazione dei solidi volatili al massimo in 26 giorni.

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effluenti zootecnici: matrici molto importanti per la digestione anaerobica, caratterizzati da elevata variabilità, degradabilità media o medio-bassa in funzione delle modalità gestionali in al- levamento;

sottoprodotti vegetali: matrici resi- duali generate dalla lavorazione dei prodotti ortofrutticoli, residui colturali, bar- babietola. Sono prodotti generalmente ricchi di frazioni fi brose, ma non man- cano prodotti amidacei, di degradabili- tà mediamente elevata e basso standard qualitativo;

sottoprodotti dell’industria molito- ria: prodotti a elevato standard qualita- tivo, ricchi di amidi, elevata degradabi- lità. Appartengono a questa categoria le farine, i derivati, le crusche, i farinacei dei diversi cereali.

A titolo di esempio in tabella 1 vie- ne riportato uno screening dei prin- cipali valori di resa in biogas/metano, degradabilità e velocità di degradazione delle diverse famiglie di prodotti descritte.

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Potenziale metanigeno del digestato

Oltre alla valutazione del potenziale metanigeno delle matrici da utilizzare in impianto, la tecnica del BMP può essere utilizzata anche per valutare il loro eff ettivo grado di utilizzo. In questo caso si parla di BMP_Residuo, ovvero del potenziale metanigeno del digestato uscente dall’impianto, che ovviamente è tanto più eleva-

to quanto più bassa è l’effi cienza dell’impianto di digestione anaerobica.

In questo caso, su 20 campioni analizzati sono state riscontrate produzioni medie di 63 Nm³/t s.v., con valori minimi di 20 Nm³/t s.v. e massimi di 91 Nm³/t s.v.

La degradabilità massima arriva al 15%

con un Kmax di 11 giorni.

La valutazione del potenziale meta- nigeno con test BMP può essere valida- mente utilizzata dai gestori degli im- Esempi di sottoprodotti di origine agroindustriale avviabili a digestione anaerobica.

1 Scarti di frutta. 2 Scarti di cipolle. 3 Scarti di tabacco. 4 Scarti di torrefazione dell’orzo 1

1 22

3 3 44

TABELLA 1 - Resa in metano e degradabilità media delle diverse famiglie di prodotti analizzati

Famiglia di prodotti Campioni

(n.) Resa in metano (Nm³/t s.v.) Kmax

(giorni) Fmax (%)

Cereali insilati 81 348 (36) 6,5 (1,9) 81,6 (6,8)

Sottoprodotti di origine animale 11 409 (46) 7,0 (2,0) 72,0 (8,9) Sottoprodotti industria alimentare 17 407 (184) 5,7 (3,4) 85,8 (21,7) Sottoprodotti vegetali 37 318 (125) 7,3 (4,0) 65,1 (24) Sottoprodotti industria molitoria 8 361 (28,1) 3,4 (3,4) 81,3 (5,2)

Fra parentesi è indicata la deviazione standard.

I sottoprodotti di origine animale e dell’industria alimentare hanno elevate rese in metano, pari rispettivamente a 409 e 407 Nm³/t s.v.

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pianti di biogas anche per assegnare un valore economico congruo alle singole biomasse. Tale esigenza, sempre più sen- tita dagli operatori del settore, può essere soddisfatta confrontando il prezzo loro off erto per tali prodotti con una matrice di riferimento di cui sia noto un prezzo di mercato e caratteristiche standard.

Il prodotto di riferimento maggior- mente utilizzato, allo stato attuale, negli impianti di biogas è il silomais. Si defi - nisce Silomais Equivalente (SMeq) la

«quantità equivalente di insilato di mais standard (SMst) necessaria per produrre lo stesso volume di metano».

In linea generale si può definire silomais standard (SMst) un prodotto con il 33% di solidi totali, il 4% di ceneri e una produzione di metano pari a 350 Nm³/t s.v. Utilizzando tale approccio un prodotto con SMeq pari a 0,5 avrà un controvalore energetico pari al 50% di quanto ottenibile con un silomais standard e pertanto un prezzo pari al 50%.

Il valore economico del prodotto così ottenuto deve poi essere corretto tenen-

do in considerazione altri aspetti, che possono aumentarlo ma, più frequente- mente, anche diminuirlo, quali:

conservabilità e relative perdite di valore energetico del prodotto: tale aspetto incide sull’eff ettiva disponibilità del prodotto all’impianto di biogas. Un prodotto non conservabile può essere ritirato solo entro i limiti quantitativi caricabili nei 2-5 giorni successivi;

volume di digestato prodotto (m³/ Nm³ di metano prodotto): tale parametro incide sui volumi di stoccaggio necessari e sui trasporti per l’uso agronomico. Considerando la varia- bilità delle biomasse i volumi di digestato possono andare da 1 a circa 50 volte a parità di metano prodotto;

quantità di azoto (kg N/Nm³ di metano prodotto): tale parametro incide sulla sau necessaria per l’uso agronomico del digestato e sui relativi costi di distribuzione. Considerando la variabilità delle biomasse i quantitativi di azoto possono andare da 1 a circa 20 volte a parità di metano prodotto.

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Considerazioni conclusive

Il valore energetico delle biomasse da destinare all’uso in digestione anaerobica può essere defi nito applicando una tecnica analitica che consenta di individuare il potenziale metanigeno. Tale tecnica, defi nita nelle sue modalità dalla norma UNI EN ISO 11734:2004, permette di ottenere, oltre alla quantità massima di biogas/metano ottenibile, tutti i princi- pali parametri di cinetica di conversio- ne della sostanza organica, la quantità di digestato producibile e la quantità di azoto per Nm³ di metano.

Confrontando il risultato di tale test con la producibilità di metano di una matrice standard, quale il silomais, è possibile, inoltre, assegnare anche un valore economico alle biomasse permetten- do, in tal modo, di acquisire prodotti sul mercato al valore più congruo.

L’applicazione di tale tecnica al digestato, infi ne, consente di valutare il potenziale metanigeno residuo e pertanto il grado di sfruttamento delle biomasse utilizzate per il proprio impianto.

Claudio Fabbri, Mariangela Soldano Giuseppe Moscatelli, Sergio Piccinini

Crpa, Reggio Emilia L’uscita del dm 6 luglio 2012, in attuazione dell’art. 24 del decreto legislativo

3 marzo 2011 n. 28, ha ridefi nito il quadro degli incentivi per gli impianti di biogas che saranno messi in esercizio a partire dal 2013. Le più importanti novità sono rappresentate dall’individuazione di tariff e onnicomprensive decrescenti al crescere della taglia dell’impianto, ma anche dell’istituzione di un Registro na- zionale a cui iscriversi per acquisire il diritto di accesso agli incentivi.

Tale registro consentirà la costruzione di impianti di biogas fi no al raggiun- gimento di un quantitativo contingentato (art. 9, comma 4), che per il triennio 2013-2015 è stato fi ssato rispettivamente in 170, 160 e 160 MWe.

Il decreto fi ssa anche le priorità di accesso al diritto di costruire l’impianto di biogas: al primo posto sono stati individuati gli impianti di aziende agricole alimentati da biomasse e sottoprodotti fi no a 600 kW di potenza elettrica. Il decre- to, peraltro, defi nisce anche che gli impianti fi no a 100 kW di potenza elettrica possono essere realizzati senza iscrizione al Registro.

Le indicazioni che emergono dal decreto, in sostanza, mettono in luce una chiara intenzione da parte del legislatore di incentivare soprattutto impianti di piccola taglia alimentati da sottoprodotti di recupero.

In questo contesto, il Crpa, su incarico del Servizio sviluppo del sistema agroa- limentare della Direzione generale agricoltura della Regione Emilia-Romagna, ha prodotto una linea guida per la gestione delle strutture produttive dei bovini da latte coerente con la conduzione di un impianto di biogas e i criteri di progettazione e conduzione di impianti di biogas alimentati prevalentemente a effl uenti zootecnici. Una parte importante della linea guida è dedicata all’analisi del potenziale metanigeno degli effl uenti stessi nelle loro diff erenti forme: liqua- mi, letami, solido separato in relazione alle modalità gestionali e caratteristiche strutturali delle stalle.

La linea guida è disponibile in formato integrale come e-book nella sezione «Pub- blicazioni», sottosezione «e-book» sul sito internet del Crpa (www.crpa.it).

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APPROFONDIMENTO

Linee guida per gli impianti di biogas da efﬂ uenti zootecnici

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[email protected] Si può deﬁ nire silomais standard un prodotto con 33% di solidi totali, 4% di ceneri e una produzione di metano di 350 Nm³/t s.v.