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COGENERAZIONE DA BIOGAS Normativa, tecnica, filiera agro energetica e case study di un impianto da biomasse di origine agrozootecnica
Giorgio Mariotti
ISBN 978-88-98673-00-1 Editore: enmoveme, Viale Augusto 88 – 80125 Napoli Copyright © 2013 enmoveme
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SOMMARIO SOMMARIO .......................................................................................................... 3 INTRODUZIONE ................................................................................................. 5 1.
PANORAMA POLITICO, SOCIALE E NORMATIVO ......................... 8 1.1 Le origini del dibattito ..................................................................... 10 1.1.1 Il dibattito in Europa .............................................................. 11 1.1.2 Il recepimento italiano .......................................................... 12
2. ENERGIA DALLE BIOMASSE, FONTE RINNOVABILE PROGRAMMABILE .......................................................................................... 14 2.1
Il biogas .............................................................................................. 15
2.2
Le biomasse per la produzione del biogas .................................. 16
2.3
Qualità delle biomasse .................................................................... 19
2.4 Il processo di fermentazione anaerobica .................................... 22 2.4.1 Contenuto di solidi .................................................................. 22 2.4.2 Sistemi di alimentazione ....................................................... 22 2.4.3 Temperatura di digestione ................................................... 23 2.4.4 Materiale di risulta della digestione .................................. 24 2.5 Trasformazione del biogas in energia utilizzabile .................... 26 2.5.1 Emissioni in atmosfera .......................................................... 28 2.6 Costi di investimento ....................................................................... 29 2.6.1 Fattibilità tecnico-economica ............................................... 30
4.
REFLUI ZOOTECNICI: IL PROBLEMA DELL’AZOTO ................... 34 3.1
Inquinamento azotato ..................................................................... 35
3.2
Riduzione del carico azotato dei liquami zootecnici ................ 36
3.3
Rimozione dell'azoto: lo strippaggio ............................................ 37
3.4
Uso agronomico del digestato ....................................................... 40
3.5
Gestione agronomica del digestato .............................................. 42
3.6
Direttiva Nitrati e Piano d’Azione Nitrati ................................... 45
FILIERA AGROENERGETICA DEL BIOGAS ..................................... 48
Capitolo: SOMMARIO
3.
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4.1
Descrizione generale ........................................................................ 48
4.2
Approvvigionamento substrati...................................................... 49
4.3
Pre-trattamenti e gestione dei substrati ...................................... 52
4.4
Processo di fermentazione anaerobica ........................................ 54
4.5
Gestione del digestato ...................................................................... 62
4.6 Utilizzo energetico del biogas ........................................................ 64 4.6.1 Trattamenti biogas.................................................................. 65 4.6.2 Tecnologie di cogenerazione ................................................ 67 4.6.3 Utilizzo dell’energia elettrica ............................................... 69 4.6.4 Utilizzo dell’energia termica ................................................ 70 4.7 Studio di fattibilità tecnico-economico per l’introduzione di un impianto biogas in azienda egricola esistente ........................................ 70 5.
CASE STUDY: IMPIANTO BIOGAS 500 kWe.................................... 75 5.1
Inquadramento dell’impianto ........................................................ 75
5.2
Fattibilità tecnico-economica......................................................... 77
5.3
Analisi finanziaria ............................................................................ 82
5.4
Considerazioni .................................................................................. 83
5.5 Dati tecnici di dimensionamento dell'impianto biogas ............ 85 5.5.1 Lay-out impiantistico ............................................................. 85 5.5.2 Alimentatore biomassa.......................................................... 85 5.5.3 Digestore con serbatoio gas a bassa pressione integrato 86 5.5.4 Impianto di cogenerazione ................................................... 89 5.5.5 Trincee ....................................................................................... 90
Capitolo: SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 92
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INTRODUZIONE
La crisi economica mondiale degli ultimi anni, la recente crisi del Maghreb e dei paesi arabi del mediterraneo, mettono in evidenza la fragilità e l’insostenibilità dell’attuale sistema energetico mondiale: risulta necessario un riassetto, che consenta uno svincolamento economico ed energetico dai combustibili fossili, ed in particolare dal petrolio. Le fonti di energia fossili sono oggetto di attente analisi e di accese critiche, a causa delle ripercussioni sociali, economiche ed ambientali che derivano dal loro massiccio utilizzo. La concentrazioni di tali fonti di energia in paesi caratterizzati da instabilità politica si ripercuote sia sui prezzi, che risultano estremamente variabili, sia sulla incertezza dell’approvvigionamento. Inoltre i gas prodotti dalla loro combustione sono i principali responsabili dell’effetto serra e dei cambiamenti climatici del pianeta.
Capitolo: INTRODUZIONE
Quando si parla di impianti di biogas non si può comunque prescindere da considerazioni sull’attuale sistema energetico. Il termine ‘energia’ (dal greco ενεργεια, da ενεργον, opera) viene usato in fisica e tecnica per descrivere la capacità di un sistema di compiere lavoro. L’attività umana è sempre stata legata all’utilizzo dell’energia: nel corso della storia sono cambiate sia le fonti primarie di energia, sia le forme con le quali viene utilizzata. Lo sviluppo tecnologico e la struttura economica moderna sono profondamente legati alla situazione energetica, il cui andamento influisce in maniera profonda in tutti gli ambiti della quotidianità. Il veloce aumento demografico mondiale dell’ultimo secolo, ed in particolare degli ultimi 50 anni, insieme allo sviluppo tecnologico ed economico, ha determinato un altrettanto repentina salita dei consumi energetici.
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L’obiettivo da perseguire è quello di riuscire ad ottenere energia competitiva, sostenibile e sicura, investendo sullo sviluppo di tecnologie energetiche con basse emissioni di gas effetto serra. Il ricorso a fonti di energia alternative e rinnovabili parte dalle crisi energetiche degli anni ’70 (1973guerra del Kippur, 1979 rivoluzione Iran). Nella loro drammaticità a questi avvenimenti può essere assegnato il ‘merito’ di aver comunicato la consapevolezza della necessità di ricorrere a fonti energetiche diverse da quelle fossili: nonostante l’avversione iniziale riservata dalla società e dai media (“progetti prediletti da vegetariani barbuti in sandali”, The Economist), si è lentamente formata una ‘coscienza ecologica’, risultata fondamentale per il cammino che ha portato fino alla ratifica del “protocollo di Kyoto”. Lo sviluppo di ‘impianti a biogas’ risulta quindi interessante sia in un ottica di contenimento delle emissioni di gas serra, sia in un panorama di indipendenza energetica.
Sono considerati attentamente i principali fattori che influiscono sulla potenzialità e sull’efficienza di tali impianti: le qualità e quantità di biomasse e le tecnologie di produzione di energia elettrica utilizzabili. Nell’esame di questi impianti è data massima importanza all’esame della filiera agro-energetica, cioè al complesso di operazioni, macchine e impianti necessari per gestire il
Capitolo: INTRODUZIONE
Il volume vuole analizzare la fattibilità tecnico-economica di un ‘impianto a biogas’: con tale termine si intende un particolare impianto di produzione di energia elettrica alimentato da biogas, cioè gas biologico composto principalmente da metano e biossido di carbonio, ottenuto dalla fermentazione anaerobica di substrati a matrice organica. L’analisi si concentra principalmente sul biogas derivante da substrati di origine agricola e zootecnica.
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complesso di operazioni per ottenere il vettore energetico scelto, a partire dalle biomasse.
Capitolo: INTRODUZIONE
L’intenzione è quella di verificare la coerenza degli impianti esaminati con il contesto territoriale e con i fattori economici, energetici, ambientali ed agronomici.
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BIBLIOGRAFIA C.R.P.A. SpA, “Digestato. Un utile sottoprodotto del biogas”, Centro Divulgazione Agricola, 2012 Vismara R., Canziani R., Malpei F., Piccinini S., “Biogas da agro zootecnia e agroindustria”, Dario Flaccovio Editore, 2011 Bocci E., Caffarelli A., Villarini M., D’Amato A., “Sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica – impianti di generazione di calore e di elettricità”, Maggioli Editore, 2011 UNIVPM, “Tecnologia per l’abbattimento del carico d’azoto del digestato ottenuto da impianti di fermentazione anaerobica per facilitare l’introduzione delle filiere agro energetiche”, Programma Nazionale di ristrutturazione del settore bieticolosaccarifero. PABS - Piano di azione Bieticolo – Saccarifero della Regione Marche Attività di studio, ricerca e sperimentazione, ASSAM, 2010 C.R.P.A. SpA, “Energia dal biogas prodotto da effluenti zootecnici, biomasse dedicate e di scarto”, A.I.E.L., 2008 Chiumenti A., Chiumenti R., Da Borso F., “La digestione anaerobica”, La digestione anaerobica, pp.1 - 96, ed. Universita' di Udine (ITALIA) , Udine, 2008
Capitolo: BIBLIOGRAFIA
Bonazzi G., Piccinini S., Fabbri C., “Tecnologie innovative per il trattamento dei liquami”, Suinicoltura N. 11- 2007