la materia organica in biogas possono essere molteplici, alcune delle quali non necessariamente legate al corretto equilibrio dei fattori di controllo bio- logici (rapporto tra acidità e alcalini- tà totale, pH, ecc.). Alcune delle cause che più frequentemente infl uenzano il potenziale metanigeno residuo del digestato sono riconducibili a insuf- fi ciente tempo di ritenzione idraulica (tempo di permanenza della biomas- sa all’interno del digestore), miscela- zione inadeguata, termoregolazione non uniforme, formazione di sedi- menti, by-pass di materiale indige- rito, fattori di inibizione chimici, an- tagonismi microbiologici, ecc. Alcuni di questi fattori non sono facilmente individuabili in situ anche con una su- pervisione di esperti biotecnologi.
La valutazione del potenziale me- tanigeno delle biomasse in ingresso e
dell’effi cienza di conversione in biogas diviene, quindi, un elemento di valu- tazione fra i più importanti per una corretta e profi ttevole gestione dell’im- pianto. Una stima di quanto può inci- dere una perdita di effi cienza biologica sulla redditività dell’impianto è ripor- tata nel riquadro a pag. 39.
Come si valuta
Presso Crpa Lab (laboratorio del Cr- pa dedicato alla ricerca industriale ri- volto ai settori dell’agroalimentare e dell’ambiente ed energia), il potenziale metanigeno residuo (Rbp) del digesta- to viene analizzato, alla pari del po- tenziale biochimico metanigeno (Bmp, dall’inglese Biochemical methane poten- tial) delle biomasse in ingresso, me- diante una prova di fermentazione su scala di laboratorio in condizione me-
Biogas, l’analisi del digestato svela l’effi cienza dell’impianto
di
C. Fabbri, M. Garuti, M. Soldano, S. Piccinini
L
a valutazione dell’effi cienza biologica (il grado di conver- sione della sostanza organica in biogas) di un impianto di di- gestione anaerobica è un elemento di fondamentale importanza per una cor- retta gestione economica dello stesso e per ridurre al minimo il suo impat- to ambientale. In ogni impianto abbi- nato a cogenerazione o produzione di biometano, la biomassa rappresenta la fonte energetica primaria che viene convertita in metano e quindi in ener- gia elettrica o biocarburante. Se la bio- massa non viene convertita effi ciente- mente il digestato esce dall’impianto in una condizione ancora non total- mente stabilizzata e potrebbe conti- nuare a produrre biogas nella fase di stoccaggio.L’entità della produzione di biogas dalla fase di stoccaggio non è di facile determinazione a causa dei trattamen- ti che può subire il digestato all’uscita del digestore, del tempo di residenza nelle vasche di stoccaggio (che risulta variabile e dipendente dagli assetti col- turali tipici dell’azienda agricola), ma soprattutto delle condizioni di tempe- ratura in cui questo si trova, variabili indicativamente fra 5 e 30 °C.
Potenziale metanigeno residuo del digestato
La valutazione dell’effi cienza biolo- gica può essere condotta in laboratorio attraverso un test che misura il poten- ziale metanigeno residuo (abbreviabi- le in «Rbp», dall’inglese Residual biogas potential).
Il potenziale metanigeno residuo è un parametro biologico che rappresen- ta la quantità di biogas potenzialmen- te ancora producibile dalla materia or- ganica presente nel digestato alla fi ne del processo di digestione anaerobica condotto nell’impianto aziendale.
Le motivazioni che possono portare a una non completa conversione del-
● MONITORAGGIO DEL CRPA SU 30 IMPIANTI BIOGAS PER 3 ANNI
Il potenziale metanigeno residuo del digestato è un indice dell’effi cienza della digestione
anaerobica: a parità di biomasse in ingresso nel digestore, alti valori di questo parametro sono sintomo di gravi ineffi cienze del processo che si rifl ettono sulla redditività economica e sulla performance ambientale dell’impianto
SPECIALE ENERGIA RINNOVABILE
sofi la (38 °C). Essa è realizza- ta addizionando il digestato prelevato dall’impianto da valutare con un inoculo bat- terico adattato contenente una microfl ora diversifi cata e proveniente da un impianto di biogas funzionante corret- tamente. Alla miscela viene aggiunta una soluzione di- luente, arricchita con micro e macro nutrienti per evitare eventuali problemi di caren- za presenti nell’impianto da valutare. La diluizione otte- nuta nel reattore di labora- torio, unitamente all’inocu- lo, riduce la concentrazione e contemporaneamente gli effetti degli eventuali fatto- ri inibenti (ad esempio un ec- cesso di acidità organica) che potrebbero essere presenti nel digestato da valutare.
La prova ha una durata adeguata alla degradazione della sostanza organica pre- sente nel reattore.
Corretta interpretazione del valore ottenuto
Per una corretta interpre-
tazione del potenziale metanigeno re- siduo, tuttavia, occorre tener presente che esso viene espresso sul contenuto di solidi volatili residui presenti nel di- gestato e pertanto non può essere raf- frontato direttamente con il potenziale
TABELLA 1
- Parametri gestionali dell’impianto da 500 kWe considerato come esempio
Parametro
Biomasse per alimentazione
Totale insilato
di mais letame
bovino liquame
bovino insilato triticale
s.t. (g/kg)
287,2 200,6 73,4 303,4 –s.v. (g/kg)
272,4 156,8 56,5 280,4 –Biomassa caricata (t/giorno)
25,5 2,0 32,5 3,5 63,5s.t. complessivi nell’alimentazione
kg/giorno
7.319 401 2.386 1.062 11.167%
65,5 3,6 21,4 9,5 100s.v. complessivi nell’alimentazione
kg/giorno
6.936 314 1.836 981 10.067%
68,9 3,1 18,2 9,8 100Bmp (Nm
3CH
4/t s.v.)
350 200 220 305 317Metano nel biogas ottenuto (%)
54,0 55,6 60,5 55,1 54,9Produzione
di metano
Nm
3CH
4/giorno
2.428 63 404 299 3.194%
76,0 2,0 12,6 9,4 100Potenza elettrica kWe
379,76 9,81 63,20 46,82 500%
76,0 2,0 12,6 9,4 100s.t. = solidi totali. s.v. = solidi volatili. Bmp = potenziale metanigeno delle biomasse di alimentazione. Nm3 CH4 = normal metri cubi di metano.
14 12 10 8 6 4 2 0
Perdita efficienza (%)
0 20 40 60 80 100 120 140
Rbp digestato (Nm3 CH4/t s.v.)
200 Nm
3CH
4/t s.v. 250 Nm
3CH
4/t s.v.
300 Nm
3CH
4/t s.v.
GRAFICO 1
- Perdita di effi cienza biologica in relazione al potenziale metanigeno
dell’alimentazione e a quello residuo nel digestato
Nm3 CH4/t s.v. = normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatilli.
Rbp = potenziale metanigeno residuo nel digestato.
Considerando un potenziale metanigeno (Bmp) medio dell’alimentazione in ingresso pari a 300 Nm
3CH
4/t s.v., un valore misurato per il potenziale metanigeno residuo (Rbp) del digestato pari a 60 Nm
3CH
4/t s.v. indicherebbe una perdita di effi cienza del 4%. Con lo stesso valore di Rbp, la perdita di effi cienza sarebbe del 7% se il Bmp iniziale fosse pari a 200 Nm
3CH
4/t s.v.
metanigeno delle biomasse utilizzate (che è riferito al contenuto di solidi volatili dell’alimentazione in ingres- so). Per confrontare Rbp e Bmp biso- gna tener conto del bilancio di massa, cioè della relazione che intercorre tra
la massa dei fl ussi in entra- ta e in uscita dal digestore.
Il valore espresso sul tal quale diffi cilmente può es- sere utilizzato, poiché rara- mente viene effettuata una misura corretta della quan- tità di digestato prodotto in impianto. Diventa quindi fondamentale un piano ana- litico che consenta di deter- minare il contenuto di so- lidi volatili nelle matrici in ingresso e nel digestato in uscita.
Monitoraggio condotto dal Crpa
Crpa Lab, con il proprio la- boratorio specializzato nel- la valutazione del potenzia- le metanigeno, ha condotto negli ultimi tre anni un mo- nitoraggio su 30 diversi im- pianti di biogas raccogliendo i dati di circa 90 test Rbp. Gli impianti monitorati hanno un’alimentazione costituita da effl uenti zootecnici, col- ture dedicate e sottoprodot- ti e il digestato in uscita si caratterizza per un conte- nuto medio di solidi totali (s.t.), pari a 73,7 g/kg, e un contenuto di soli- di volatili (s.v.) pari a a 54,9 g/kg (rap- porto s.v./s.t. medio di circa il 74%). Il valore di Rbp medio negli impianti monitorati è risultato essere pari a 90 ± 41 Nm3 CH4/t s.v. (normal me- tri cubi di metano per tonnellata di solidi volatili), con valori minimi di 13,5 Nm3 CH4/t s.v. e massimi di 212 Nm3 CH4/t s.v. In termini di produ- zione di metano per unità di peso di digestato tal quale ciò signifi ca 5,2 ± 3,5 Nm3 CH4/t.
Relazione
tra pontenziale residuo ed effi cienza biologica
Il potenziale metanigeno residuo (Rbp) è strettamente correlato al po- tenziale metanigeno delle biomasse utilizzate (Bmp) e l’incrocio di queste due variabili consente di individuare la perdita di effi cienza dell’impianto. Nel grafi co 1 è riportata la relazione che le- ga l’Rbp alla relativa perdita di effi cien- za potenziale, in relazione a biomas- se in ingresso aventi tre diversi valori di Bmp. Ad esempio, considerando un
38
L’Informatore Agrario •4/2016Bmp medio dell’alimentazione carica- ta in impianto pari a 300 Nm3 CH4/t s.v.
e un Rbp misurato nel digestato pari a 120 Nm3 CH4/t s.v., la perdita di effi - cienza è calcolabile nel 7,7%.
Per approfondimenti sulla relazio- ne che lega i valori di Bmp e Rbp alla perdita di effi cienza biologica si veda il grafi co A pubblicato all’indirizzo in- ternet riportato a fi ne articolo.
Esempio di valutazione dell’effi cienza
di un impianto
Come esempio dell’utilità del poten- ziale metanigeno residuo nell’analisi dell’effi cienza biologica consideria- mo il caso di un impianto alimenta- to con la dieta riportata in tabella 1 e caratterizzato da un tempo di riten-
zione idraulica di circa 50 giorni e un rendimento elettrico del cogenerato- re del 38%. La quantità complessiva di solidi totali caricati risulta pari a 11,2 t/giorno, mentre la quantità di solidi volatili è di circa 10,1 t/giorno, con un rapporto s.v./s.t. di 90,2%. Tale dieta porta a una produzione di me- tano di circa 3.200 Nm3/giorno, suffi - cienti per alimentare un cogeneratore da 500 kWe.
In queste condizioni la quantità di solidi volatili convertiti in biogas ri- sulta pari a 7 t/giorno, ovvero il 69%
della quantità caricata e la rimanen- te parte (3,1 t/giorno) viene residuata nel digestato. Considerando nulli i de- positi di ceneri (sali minerali e inerti) all’interno del digestore, il rapporto s.
v./s.t. nel digestato risulta pari a 73,8%
[= 3,1/(11,2 – 7)].
Per il potenziale metanigeno residuo del digestato ottenuto dall’ultimo stadio di produzione consideriamo un valore di 91 Nm3 CH4/t s.v. (pari al valore me- dio ottenuto negli impianti monitorati dal Crpa), ovvero, ricordando la quan- tità di solidi volatili nel digestato pro- dotto (3,1 t/giorno), pari a a un produ- zione di metano di circa 280 Nm3/gior- no (= 3,1 × 91).
Tenendo conto del contenuto in me- tano del biogas (54,9%) e della densi- tà di quest’ultimo (1,28 kg/Nm3), ta- le quantità di metano corrisponde a una potenziale maggiore conversione di solidi volatili di circa 0,65 t/giorno [=(280/54,9%) × (1,28/1.000)] e una con- seguente potenziale maggiore produ- zione di 1.056 kWh/giorno.
In rapporto ai solidi volatili carica- ti (10,1 t s.v/giorno), tale potenziale Negli impianti di produzione di
biogas che utilizzano materie pri- me o sottoprodotti, aziendali o repe- riti sul mercato, il costo di approv- vigionamento può andare da 0,1 a 0,5 euro/Nm3 di metano producibile.
Questo dato può incidere sul costo di produzione dell’energia elettrica per 0,025-0,17 euro/kWh, in relazione al rendimento elettrico di conversio- ne del cogeneratore (grafi co A). Chia- ramente, quanto più il rendimento elettrico del cogeneratore è basso tanto più il costo di alimentazione incide sulla redditività dell’impian- to. Nel caso, ad esempio, degli im-
pianti funzionanti con tariffa onni- comprensiva pari a 280 euro/MWh questo comporta un’incidenza varia- bile dal 9 al 60% sul fatturato.
Qualunque azione relativa alla con- duzione idraulica, alla gestione biolo- gica o alle modifi che della dieta deve essere quindi attentamente valutata e giudicata nelle sue conseguenze.
Infatti, considerando la variabilità dell’incidenza dei costi di alimen- tazione, per un impianto da 1 MWe una differenza di effi cienza biologi- ca anche solo del 5-10% può arrivare a incidere sui bilanci economici per 10-100.000 euro/anno.
•
QUANTO COSTA L’INEFFICIENZA DELL’IMPIANTO QUANTO COSTA L’INEFFICIENZA DELL’IMPIANTO
0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02
Costo di approvvigionamento (euro/kWh)0
60 50 40 30 20 10 0
Incidenza sul fatturato (%)
30,0 32,5 35,0 37,5 40,0 42,5
0,1
Euro/Nm
3CH
4: 0,2 0,3 0,4 0,5
Rendimento elettrico cogeneratore (%) GRAFICO A
- Incidenza del costo della biomassa e del rendimento del cogeneratore sul fatturato (
1)
Nm
3CH
4 = normal metri cubi di metano(1) Ipotizzando che l’impianto goda della tariffa onnicomprensiva pari a 280 euro/MWh.
Considerando l’acquisto di silomais standard (contenuto di solidi totali pari al 33% e rapporto tra solidi volatili e solidi totali pari al 96%) a un valore di mercato di 55 euro/t e con potenziale metanigeno di 350 Nm
3CH
4/t s.v.
(normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatili) il costo
di approvvigionamento è calcolabile pari a 173,6 euro/t s.v
[=55 / (33% x 96%
)], corrispondente a 0,496 euro/Nm
3CH
4(= 173,6/350). Considerando tale costo e ipotizzando che il cogeneratore abbia un rendimento elettrico del 40%, la conversione del metano in energia elettrica porta a un costo di produzione pari a 125,5 euro/MWh, ovvero il 44,8% del fatturato ottenibile.
La valutazione del potenziale metanigeno residuo viene effettuata sul digestato prelevato dall’ultimo stadio di fermentazione dopo opportuna miscelazione del digestore
SPECIALE ENERGIA RINNOVABILE
metanigeno corrisponderebbe a una maggiore degradazione di circa il 6,5%
(= 0,65/10,1), mentre in termini di po- tenza elettrica producibile a un incre- mento dell’8,8%.
Utili indicazioni sulla sostenibilità
dell’impianto
Con un utilizzo corretto degli stru- menti di valutazione del potenziale metanigeno (delle biomasse in ingres- so e del digestato) è possibile avere una buona stima dell’efficienza energetica di conversione delle biomasse utiliz- zate in digestione anaerobica per pro- durre biogas. Tale valutazione è ine- rente sia alla sostenibilità economi- ca dell’impianto sia alla compatibilità ambientale.
Nel primo caso è determinante ri- cordare che la tariffa onnicomprensiva è fissa e a valori costanti per tutta la durata del periodo di incentivazione;
quindi conseguentemente il gestore dell’impianto può migliorare la propria competitività e far fronte agli effetti della svalutazione solo agendo sull’ef- ficienza gestionale.
Nel secondo caso risulta chiaro che un impianto deve limitare al massi- mo il potenziale metanigeno residuo dai lagunaggi. Tale emissione non è però strettamente legata al valore del Rbp mesofilo descritto nell’articolo, in quanto le condizioni di stoccaggio so- no variabili sia per dinamica di riempi- mento degli stessi sia per temperatura.
In definitiva, la perdita di efficienza dipende da una stretta correlazione, di tipo non lineare, fra Bmp e Rbp: a parità di Rbp la perdita di efficienza è tanto maggiore quanto minore è il Bmp iniziale.
Claudio Fabbri, Mirco Garuti Mariangela Soldano, Sergio Piccinini
Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia
Per commenti all’articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a:
[email protected] Per consultare gli approfondimenti
e/o la bibliografia:
www.informatoreagrario.it/
rdLia/16ia04_8291_web
40
L’Informatore Agrario •4/2016Biogas, l’analisi del digestato svela l’effi cienza dell’impianto
● ARTICOLO PUBBLICATO SU L’INFORMATORE AGRARIO N. 4/2016 A PAG. 37
BIBLIOGRAFIA
Walker M., Banks C., Heaven S., Fre- derickson J. (2010) - Development and evaluation of a method for testing the resi- dual biogas potential of digestates. Waste and Resources Action Programme, Ja- nuary 2010.
Gioelli F., Dinuccio E., Balsari P. (2011) - Residual biogas potential from the storage
tanks of non-separated digestate and dige- sted liquid fraction. Bioresource Techno- logy, 102: 10248-10251.
Hansen T.L., Sommer S.G., Gabriel S., Christensen T.H. (2006) - Methane pro- duction during storage of anaerobically di- gested municipal organic waste. J. Environ.
Qual., 35: 830-836.
GRAFICO A
- Correlazione tra potenziale metanigeno dell’alimentazione, potenziale metanigeno residuo del digestato e perdita di effi cienza biologica
Bmp = potenziale metanigeno dell’alimentazione. Rbp = potenziale metanigeno residuo nel digestato. Nm3 CH4/ / t s.v. = normal metri cubi di metano per tonnellata di solidi volatilli.
SPECIALE ENERGIA RINNOVABILE
Tutti i diritti riservati, a norma della Legge sul Diritto d’Autore e le sue successive modificazioni. Ogni utilizzo di quest’opera per usi diversi da quello personale e privato è tassativamente vietato. Edizioni L’Informatore Agrario S.r.l. non potrà comunque essere ritenuta responsabile per eventuali malfunzionamenti e/o danni di qualsiasi natura connessi all’uso dell’opera.
Edizioni L’Informatore Agrario
