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Sintesi dei risultati del progetto

Convegno internazionale “Agroenergie per lo sviluppo sostenibile”

Centro Loris Malaguzzi, Reggio Emilia, 25 maggio 2010

Paolo Mantovi

Fondazione CRPA Studi e Ricerche

Sommario della presentazione

 Monitoraggio filiera BIOGAS

- aspetti agronomici, gestione biomasse

- impianti e risultati a confronto, benefici e criticità

 Monitoraggio filiera LEGNO

- aspetti agronomici, gestione biomasse

- risultati della conversione energetica, benefici e criticità

 Monitoraggio filiera OLIO

- aspetti agronomici, gestione biomasse

- risultati della conversione energetica, benefici e criticità

 Utilizzo fertilizzante dei residui dei processi di conversione energetica (digestato)

 Modello per la stima delle emissioni di gas serra e della

BIOGAS – Aspetti agronomici

Colture prescelte: sorgo da biomassa e triticale (per la loro rusticità, potenzialità produttive, complementarietà).

Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato o pollina.

Assenza di irrigazione

Sorgo da foraggio o fibra: + 1 t ss/ha rispetto a zuccherino.

In generale, scarse produzioni in secondo raccolto (tipo di suolo, condizioni climatiche e irrigazione sono fattori decisivi).

Coltura Produzioni (t ss/ha) Asportazioni N (kg/ha) media minimo massimo media massimo

Sorgo 13 5 26 125 244

Triticale 13 9 16 176 284

BIOGAS – Aspetti agronomici

Triticale: risultati del confronto varietale

BIOGAS – Gestione biomasse

Dalla raccolta al caricamento al digestore, alcune indicazioni derivate dal monitoraggio:

● attenzione al periodo di raccolta: per triticale rischio tenore ss troppo elevato, per sorgo il contrario

● per sorgo le varietà da foraggio (a più sfalci) richiedono maggiori costi di raccolta

● pezzatura del trinciato di circa 8-10 mm massimizza bilancio energetico

● buon compattamento e copertura riducono le perdite di valore energetico dell'insilato

● desilamento deve essere condotto riducendo al minimo l'esposizione all'aria (frese OK)

● Il pretrattamento dell'insilato è tematica recente e da

BIOGAS – Layout filiera

BIOGAS – Impianti a confronto

 Azienda Fontana (PC)

liquami suini

 Consorzio Agrienergy (RA)

liquami bovini, biomasse vegetali

 Azienda Cazzani (BO)

biomasse vegetali

 Azienda Mengoli (BO)

liquami bovini, biomasse vegetali

BIOGAS – Impianti a confronto

Az. Fontana Az. Mengoli Cons. Agrienergy Az. Cazzani

Ripartizione del carico organico

Effluenti zootecnici Sottoprodotti agroindustria Colture dedicate

Carico Organico Volumetrico (COV) [kg SV/m3/gg]

1,0 2,5 1,9 4,1

Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [gg]

100%

9,4%

67,0%

23,6% 5,0%

21,0%

74,0%

4,7%

95,3%

BIOGAS – Impianti a confronto

Azienda Tipo reattori Volume reattori Temperatura Potenza elettrica

Fontana CSTR 2 x 1.370 m3 36-38 °C 90 +

125 kW

Mengoli CSTR 2 x 1.050 +

850 m3

36-38 °C 115 + 240 kW Agrienergy PFR+CSTR 1.000 +

2 x 2.400 m3

36-38 °C 845 kW

Cazzani CSTR 2 x 2.800 m3 52-54 °C 1.450 kW

Caratteristiche degli impianti

BIOGAS – Risultati a confronto

Fontana Mengoli Agrienergy Cazzani 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

215

215 355355

845 845

1425 1425

116

287

750

1309

Potenza installata

Potenza effet- tiva

Potenza elettrica [kW]

BIOGAS – Risultati a confronto

Azienda Metano

(Nm3/kgSV)

Energia elettrica

(kWh/kgSV) (kW/m³)

Fontana 0,28 0,99 0,042

Mengoli 0,24 0,80 0,097

Agrienergy 0,35 1,48 0,129

Cazzani 0,32 1,35 0,233

● La co-digestione ottimizza il processo di digestione

anaerobica (biogas per unità di volume di digestore) e permette di regolarizzare la produzione di energia

maggiore tempo di residenza migliore digestione Rese metano ed energia elettrica

BIOGAS – Risultati a confronto

Azienda Investimento

(M€) Tempo Ritorno Capitale

(anni)

Tasso Interno Rendimento

(%)

Fontana 1,0 9,2 10,9

Mengoli 1,2 6,3 17,1

Agrienergy 3,5 3,5 30,7

Cazzani 7,0 5,1 21,0

Redditività degli impianti

BIOGAS – Principali benefici

✔ Permette di sfruttare biomasse vegetali e/o animali, di scarto e/o dedicate, umide e/o secche

✔ Riduce le emissioni naturali di metano, di composti organici volatili ed odorigeni (da stoccaggi effluenti zootecnici e altri scarti organici)

✔ La flessibilità impiantistica e gestionale consente l'adattamento a varie realtà aziendali

✔ Il prodotto di risulta finale (digestato) ha elevato valore fertilizzante

✔ I tempi di ritorno, con gli attuali incentivi, sono di 4-5 anni

BIOGAS – Principali criticità

✗ È un processo di tipo biologico che richiede una conduzione attenta e professionale

✗ Il digestato deve essere gestito in modo compatibile, sia dal punto di vista economico che ambientale

✗ Il dimensionamento dell'impianto deve tenere conto sia delle biomasse utilizzabili che della disponibilità di terreni

✗ La produzione di biogas residuo (e non captato), dal digestato, può ridurre i benefici ambientali conseguiti

✗ Necessità di realizzare filiera completa

(approvvigionamento della biomassa e trasformazione in biogas – conversione energetica), per cui elevati

investimenti

LEGNO – Aspetti agronomici

Coltura prescelta: pioppo SRF (per la sua adattabilità a diversi ambienti e perché agrotecnica consolidata).

Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato

Azienda Clone Produzione nel biennio (t ss/ha) Non

fertilizzato Concime

chimico Liquami / digestato

Asicoop (RA) AF2 18,5 20,1 19,3

Stuard (PR) AF2 12,4 16,4 15,7

Monviso 16,5 21,3 21,2

Buone risposte alla fertilizzazione all'Azienda Stuard (terreno a tessitura franco limoso- argillosa, pH 8, S.O e NTK a inizio prova rispettivamente 2,2% e 1,6 ‰).

LEGNO – Gestione biomasse

Confronto cantieri di raccolta

- due fasi (Asicoop) vs. una fase (Stuard)

Peso delle macchine più contenuto per taglio nella raccolta a due fasi.

LEGNO – Gestione biomasse

Confronto cantieri di raccolta - caratteristiche della biomassa

Raccolta Operazione / data Umidità prodotto

(%)

Peso prodotto (t s.s./ha)

Due fasi Taglio / 20 febbraio 58 19,8

Cippatura / 10 giugno 34 19,3

Una fase Taglio e cippatura / 18 marzo 56 17,2

Stoccaggio / 30 luglio 37 11,0

LEGNO – Layout filiera

LEGNO – Conversione energetica

 Azienda Agr. Sperimentale Stuard (PR)

Superficie a pioppo SRF 1,5 ha

Resa media biomassa al campo 17 t s.s./ha (taglio 2009)

Perdita s.s. stoccaggio 35% in 7 mesi

Potenza caldaia 100 kWt

Volumetria riscaldata (uffici e serre) 1600 m3

Sostanza secca cippato 77%

Consumo di cippato (inverno 2009) 20 t s.s.

Resa energetica cippato post stoccaggio 2,9 kWht/kg s.s.

Resa energetica cippato al campo 1,87 kWht/kg s.s.

Temperatura media uffici 20 °C

Temperatura media serre 10,7 °C

Autoconsumi elettrici caldaia 4% dell'energia termica prodotta

Ceneri 4% in peso su s.s. alimentata

LEGNO – Principali benefici

✔ Cloni ad elevata produttività e resistenti a parassiti

✔ Possibilità di utilizzare residui organici di altre filiere produttive ai fini fertilizzanti

✔ Produzione può interessare zone marginali

✔ Elevato livello di sviluppo e affidabilità della tecnologia di combustione

✔ Impianti di facile conduzione - no processi biologici

✔ Rendimenti molto elevati (90%) con griglie a fiamma inversa

LEGNO – Principali criticità

✗ Perdite di valore energetico se il cippato è stoccato con elevata umidità

✗ Evitare reidratazioni del materiale cippato essiccato

✗ Calore sfruttabile solo nelle vicinanze della caldaia

✗ Tecnologia per produzione energia elettrica a piccola scala non ha raggiunto piena maturità

✗ Smaltimento ceneri, classificate come rifiuto

✗ Necessità di attento controllo delle emissioni in atmosfera

✗ Mancata incentivazione economica della filiera aziendale

OLIO – Aspetti agronomici

Colture prescelte: girasole e colza (per alto contenuto di olio nel seme, selezione varietale, agrotecnica consolidata).

Trattamenti a confronto: 1) testimone non fertilizzato 2) concime chimico 3) liquami o digestato o pollina o fanghi

In generale, con fertilizzazioni organiche rese paragonabili a concimazione chimica.

Per colza notevoli difficoltà ad ottenere letto di semina sufficientemente fine in terreni

Coltura Produzione (t ss/ha)

Pianura Collina

media minimo massimo minimo massimo

Girasole 3,6 3,0 4,1 1,9 2,6

Colza 3,3 2,9 3,7 - -

OLIO – Gestione biomasse

Dalla raccolta alla spremitura, filtrazione, alimentazione, alcune indicazioni derivate dal monitoraggio:

● No differenze sostanziali tra olio di girasole alto oleico o convenzionale, ai fini dell'utilizzo motoristico

● Pulizia del seme 'obbligatoria' pre-spremitura

● Filtrazione come fase fondamentale per ottenere prodotto idoneo

● Qualità elevata dell'olio combustibile assicura

funzionamento cogeneratori a tempo pieno e al massimo rendimento

● Monitoraggio del motore, temperature di combustione

● Utilizzo panello entro 90 gg inverno, 60 gg estate

OLIO – Layout filiera

OLIO – Conversione energetica

 Komaros Agroenergie srl (AN)

Capacità pressa 500 kg seme/ora

Potenza cogeneratore 420 kWe

Contenuto olio acheni 42,4%

Olio estratto e filtrato (1 µ) 34 kg/100 kg seme Specifiche MAN / Wartsila

PCI olio filtrato 37 MJ/kg >35 / -

Viscosità olio filtrato 37 cSt a 40 °C <40 / <100 Contenuto H2O olio filtrato 521 ppm <5000 / <2000 Acidità olio filtrato 2 mg KOH/g <4 / <5

Consumi specifici cogeneratore 250 gr olio/kWh Autoconsumi degli ausiliari 4,8%

Sostanza secca panello 91%

Proteina grezza panello 26%

PCI panello 21 MJ/kg

OLIO – Principali benefici

✔ Agrotecniche consolidate per girasole e colza

✔ Possibilità di utilizzare residui organici di altre filiere produttive ai fini fertilizzanti

✔ Elevata densità energetica dei prodotti (semi, olio, panelli)

✔ Movimentazione e stoccaggio relativamente economici

✔ Co-generazione prossima ad utenza termica

✔ Imprenditore agricolo attivo a diversi livelli

✔ Impianti di facile conduzione - no processi biologici

OLIO – Principali criticità

✗ Volume minimo critico di semente da lavorare, necessità di ampi bacini di approvvigionamento

✗ Possibilità di valorizzare i co-prodotti (calore, panello)

✗ Incentivi premianti olio nazionale o comunitario → dimostrare i requisiti di tracciabilità

✗ Frammentazione della filiera, necessaria figura di coordinamento

✗ Utilizzo del panello, prodotto in quantità significative

Utilizzo fertilizzante residui Il DIGESTATO

Il digestato è il residuo del processo di digestione anaerobica.

Può essere considerato un buon materiale fertilizzante, ad effetto concimante più o meno pronto a seconda della sua origine. Dati da aziende dimostrative LIFE:

Parametri chimici Unità di

misura Digestato da liquami

suini

Digestato da liquami bovini + biomasse

vegetali

Digestato da biomasse

vegetali

pH - 8,3 7,8 7,9

Solidi Totali (ST) % t.q. 3,0 4,3 6,8

Solidi Volatili (SV) % ST 52 66 65

Azoto Totale (NTK) g/kg t.q. 3,9 3,8 4,0

Azoto Ammoniacale % NTK 77 62 53

Prototipo digestori pilota

Dinamica dell'azoto

La digestione anaerobica mineralizza parte dell'azoto organico ad azoto minerale (ammoniacale).

DIGESTATO - Pro e contro

I principali vantaggi dell’uso agronomico del digestato:

✔

distribuzione di materiale stabilizzato e igienizzato;

✔

apporto di sostanza organica;

✔

apporto di NPK (sostituzione dei concimi di sintesi);

✔

riduzione delle emissioni di gas serra.

DIGESTATO - Meno odori

Misure sulle concentrazioni di odore

Tesi 1: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, NON digerito Tesi 2: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, digerito

DIGESTATO - Sostanza organica

In molti casi il contenuto di SO nei terreni è basso

DIGESTATO - Pro e contro

Possibili problematiche legate all’uso agronomico del digestato:

✗ emissioni di ammoniaca in atmosfera (qualora non venga gestito con le Migliori Tecniche Disponibili);

✗ perdite di nitrati nelle acque (qualora si ecceda negli

apporti e si applichi in periodi non opportuni).

DIGESTATO - Emissioni

Misure sulle emissioni di ammoniaca

Tesi 1: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, NON digerito Tesi 2: Liquame bovino da stabulazione libera, senza paglia, digerito

DIGESTATO - MTD, esempi.

Misure emissioni GHG

Prove in campo e in vaso con varie matrici organiche, tra cui digestati e loro frazioni chiarificate e solide (in corso)

Misure periodiche delle emissioni di anidride carbonica, protossido di azoto, metano

Modelli per la stima di GHG e S.O.

INPUTS

Localizzazione del sito Caratteristiche del terreno

Colture praticate Fertilizzazioni

OUTPUTS Emissioni N₂O

Dinamica sostanza organica

Le serie di dati meteorologici, rese disponibili da Servizio IdroMeteoClima di ARPA Emilia-Romagna, sono recuperate automaticamente una volta

Le misure sono state indispensabili per la calibrazione di modelli che permettono di effettuare delle stime sulla dinamica della sostanza organica nel terreno e sulle emissioni di N₂O.

Modelli implementati come servizio web su www.crpa.it/seqcure

MODELLI – dati da caricare

MODELLI – dati da caricare

MODELLI – esempi di risultati

MODELLI – esempi di risultati

MODELLI – esempi di risultati

Sintesi dei risultati del progetto

Convegno internazionale “Agroenergie per lo sviluppo sostenibile”

Centro Loris Malaguzzi, Reggio Emilia, 25 maggio 2010

Visita il sito

www.crpa.it/seqcure

per scaricare le presentazioni ed i poster esposti