Gli impianti di biogas per la produzione di energia elettrica consentono di produrre energia rinnovabile riducendo le emissioni di metano (gas ad effetto serra) derivanti dalla gestione degli effluenti zootecnici. Questa tecnologia, basata sulla conversione anaerobica di materiali organici in gas utilizzabile come fonte di energia, sta guadagnando terreno grazie alla sua efficienza e alla riduzione dell'impatto ambientale rispetto alle fonti fossili tradizionali.
Come Funziona un Impianto di Biogas
Per comprendere come funziona un impianto a biogas bisogna partire dal processo di trasformazione delle biomasse in biogas, ovvero la digestione anaerobica. Si tratta di un processo naturale, realizzato in assenza di ossigeno, mediante il quale le biomasse usate come alimentazione dell’impianto a biogas vengono fermentate grazie all’azione di batteri ed enzimi.
Tramite il funzionamento degli impianti a biogas, dunque, è possibile partire dalle biomasse per ottenere biogas, ovvero un gas composto prevalentemente da metano e anidride carbonica, oltre da una serie di composti in tracce come l’idrogeno solforato, l’ossido di carbonio, l’idrogeno e l’azoto.
Processo di Produzione del Biogas
Per capire meglio come si produce il biogas negli impianti adibiti a questa funzionalità, ecco una spiegazione semplice dei vari passaggi in base allo schema di funzionamento di un impianto a biogas:
- Produzione delle biomasse: in questa fase vengono prodotte le biomasse per alimentare gli impianti a biogas, ad esempio attraverso la raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani o il recupero dei residui agricoli, forestali e zootecnici.
- Raccolta e trattamento delle biomasse: il materiale organico naturale viene raccolto, selezionato e preparato per l’invio agli impianti, in base agli standard qualitativi richiesti dall’impianto a biogas e dal tipo di processi utilizzati.
- Trasporto delle biomasse alla centrale: il passaggio successivo è il trasporto delle biomasse verso l’impianto, dove viene depositato all’interno di appositi sistemi di stoccaggio (serbatoi, vasche, etc.).
- Digestione delle biomasse: la biomassa viene trattata e preparata al processo di fermentazione all’interno dei digestori anaerobici, con la separazione della materia liquida e solida (digestato) dal gas generato durante la respirazione anaerobica. La parte residua viene trattata ed utilizzata come ammendante naturale per le attività agronomiche. Le sostanze vengono poi trasferite tramite pompe e tubazioni apposite nei digestori, dove vengono mescolate con miscelatori ad elica o idraulici.
- Generazione di energia: la digestione anaerobica genera il biogas, il quale può essere utilizzato come combustibile per produrre calore e riscaldare gli edifici vicini, fornire acqua calda ad uso sanitario, per gli autoconsumi dell’impianto oppure per produrre energia elettrica da immettere nella rete nazionale.
- Trasformazione del biogas in biometano: gli impianti attrezzati per questo processo possono purificare il biogas e ottenere biometano, da poter utilizzare in sostituzione al tradizionale gas metano di origine fossile (es. autotrazione).
Tipologie di Biomasse Utilizzate
Quali biomasse si utilizzano per alimentare un impianto a biogas? Le biomasse consentite sono diverse, ad esempio alcuni sottoprodotti derivanti dalla lavorazione agricola e dalle attività zootecniche, gli scarti colturali, i reflui degli allevamenti zootecnici e la frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU) raccolti in modo differenziato.
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Proseguendo nel processo di raffinazione del biogas è possibile ottenere tramite upgrading anche biometano, un gas molto puro equivalente al metano di origine fossile contenuto nel gas naturale, prodotto eliminando l’anidride carbonica e le altre sostanze dal biogas per lasciare solo metano di origine biologica.
Al fine di ottenere la maggiore produzione possibile di biogas, relativamente all’alimentazione del digestore è consigliabile che lo stesso venga alimentato con liquami “freschi” e che la qualità della biomassa sia integra nella sua struttura energetica. Si dovranno quindi adottare tutti gli accorgimenti più opportuni per evacuare il più velocemente possibile i liquami dai ricoveri zootecnici nei quali sono stati prodotti.
Trattamenti del Biogas
Il biogas grezzo in uscita dal digestore anaerobico è saturo di vapore acqueo e si rendono pertanto necessari opportuni trattamenti finalizzati alla rimozione dell’umidità. La deumidificazione consiste nel raffreddamento del biogas tramite il suo passaggio in apposite tubazioni interrate. Infatti, grazie alla capacità termica del terreno è possibile fare condensare l’acqua presente nella miscela del biogas. In aggiunta, le tecniche applicabili per la deumidificazione sono le seguenti:
- Raffreddamento in uno scambiatore di calore, talvolta integrato con la compressione del gas prima del suo ingresso nello scambiatore.
- Adsorbimento su carbone attivo, gel di silice o setacci molecolari. Il biogas attraversa una colonna riempita di materiale adsorbente selettivo nei confronti del vapore acqueo.
La desolforazione biologica avviene grazie all’attività di batteri aerobici che ossidano l’H2S facendolo precipitare in cristalli di zolfo. Questo trattamento è di norma integrato nello spazio di testa dei digestori nel quale viene immessa una limitata quantità di aria, circa il 5% del gas prodotto, in modo da creare le condizioni idonee per l’attività batterica.
Componenti Fondamentali dell'Impianto
Gli oblò dotati di luce antideflagrante consentono un controllo visivo immediato della situazione interna al digestore e Sono gli elementi che permettono il pieno e fondamentale controllo visivo necessario per ispezionare direttamente il livello di formazione della massa, la formazione di schiume o cappelli superiori, la corretta miscelazione e formazione di bolle fermentative di produzione gas.
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Il sistema di riscaldamento è fondamentale al fine di mantenere una temperatura di processo costante all’interno del digestore per garantire condizioni mesofile o termofile necessarie.
Cogenerazione
I cogeneratori sono le apparecchiature che devono trasformare il biogas in energia elettrica e termica. Dal loro buon livello di rendimento sommato a quello dell’impianto di produzione gas si avrà la maggiore efficienza complessiva ed il conseguente migliore risultato economico. Per la cogenerazione si utilizzano motori endotermici (a combustione interna) o microturbine. Maggiori dettagli sulla cogenerazione sono descritti in questo articolo.
BIOCHIMICO, sfruttando la degradazione della sostanza organica da parte di enzimi, funghi e microorganismi che si formano nella biomassa in particolari condizioni. Il funzionamento dettagliato di un impianto di cogenerazione a biogas varia naturalmente a seconda della sua tipologia.
Torcia di Sicurezza
Come si è già ricordato, il biogas non può essere liberato in atmosfera essendo il metano un gas serra molto più dannoso dell’anidride carbonica. Nel caso di impossibilità di sfruttamento il biogas và, dunque bruciato in torcia. Esistono diverse tipologie di torce, che si differenziano essenzialmente per la temperatura di combustione, la presenza di isolamento e per l’alimentazione dell’aria, a ventilazione naturale o forzata.
Incentivi per gli Impianti di Biogas
Per accedere a questo sistema di incentivazione ci sono due alternative.
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- Gli impianti fino a 100 kW possono presentare domanda con l’entrata in esercizio.
- Gli impianti con potenza superiore a 100 e inferiore a 300 kW devono essere iscritti ad un registro con cui viene assegnato il contingente di potenza disponibile.
I registri vengono aperti periodicamente e l’ultimo è stato aperto dal 9 luglio al 7 settembre 2022. Il criterio che consente di accedere agli incentivi è la tipologia di alimentazione dell’impianto di biogas. In qualsiasi caso, le matrici utilizzate devono derivare dall’azienda agricola realizzatrice.
Come si vede in figura 1, l’incentivo massimo è pari a 233 €/MWh (a prescindere dalla potenza installata, purché inferiore ai 300 kW) e si ottiene a patto che i sottoprodotti della tabella 1A superino il 70% in peso dell’alimentazione totale e i prodotti della tabella 1B restino sotto al 30%, altrimenti l’incentivo scende a 170 €/MWh. In caso di colture di secondo raccolto, per ottenere l’incentivo massimo queste non devono superare il 20% in peso e i prodotti della tabella 1B il 10%.
Tra i sottoprodotti della tabella 1A, oltre a diverse matrici di origine agro-alimentare, sono presenti anche gli effluenti zootecnici che, al momento, sono la matrice più utilizzata in questa tipologia di impianti. Nei prodotti della tabella 1B invece si trovano colture quali triticale, loiessa, sorgo, erba medica, ecc.
Da alcuni mesi è in discussione la revisione della normativa che incentiva le energie rinnovabili innovative, in cui rientrano anche gli impianti di biogas di piccola taglia (sotto i 300 kW di potenza installata). Si tratta del decreto Fer 2 la cui bozza stabilisce alcune modifiche che meritano attenzione, anche se non sono ancora ufficiali.
Rimanendo nel campo delle ipotesi, l’incentivazione degli impianti di biogas dovrebbe essere mantenuta per 20 anni ma con una tariffa di 250 €/MWh e quindi superiore al valore attuale. Per accedere agli incentivi ogni impianto dovrebbe partecipare a procedure pubbliche competitive, anche gli impianti sotto i 100 kW che ad oggi beneficiano dell’accesso diretto.
Per quanto riguarda i criteri relativi alle tipologie di alimentazioni ammesse, i sottoprodotti presenti nella tabella 1A non dovrebbero variare, mentre nella tabella 1B rientrerebbero anche colture quali mais di secondo raccolto, orzo, avena, barbabietola. Potrebbero cambiare anche le soglie di impiego delle matrici presenti nelle due tabelle, infatti i sottoprodotti della tabella 1A sembra debbano costituire almeno l’80% in peso dell’alimentazione, mentre l’eventuale quota residua dai prodotti della tabella 1B.
Questa nuova ripartizione spinge ulteriormente verso l’utilizzo dei sottoprodotti a scapito dei prodotti, ma senza stravolgere le attuali regole che prevedono la soglia per i sottoprodotti al 70%. Riguardo all’utilizzo di sottoprodotti agroalimentari di origine extra aziendale il decreto Fer2 apre ad un maggior impiego, abbassando al 21% la quota di prodotti e sottoprodotti per l’alimentazione dell’impianto derivante dai cicli produttivi aziendali.
Per un impianto di taglia contenuta però, può essere complesso utilizzare quantità rilevanti di sottoprodotti acquisiti da terzi, perché comporta un aggravio del carico di lavoro in termini di reperimento dei sottoprodotti sul mercato e la loro gestione aziendale nel tentativo di mantenere una costanza nell’approvvigionamento, fondamentale per non sbilanciare la stabilità biologica del digestore e ridurre di conseguenza la produzione di biogas. Altra novità da evidenziare riguarda le vasche per lo stoccaggio del digestato prodotto da questi impianti.
Il contesto ideale per la realizzazione di un impianto di biogas di piccola taglia è quindi l’azienda zootecnica, perché dispone di sottoprodotti in grande quantità e a costo zero, cioè gli effluenti zootecnici.
Per capire quali aziende zootecniche possono dotarsi di un impianto di biogas di piccola taglia sono stati definiti 8 scenari, basati sulle regole della normativa attuale, comprendenti allevamenti di bovini da latte e di suini sia da ingrasso che a ciclo chiuso, prevedendo potenze installate di 100 kW o 300 kW e alimentazioni basate su effluenti zootecnici da soli o con l’aggiunta di biomasse ottenute da colture dedicate. Come colture dedicate sono state considerate triticale da insilato (prodotto della tabella 1B) e mais da insilato in secondo raccolto dopo il triticale.
I primi 4 scenari elaborati riguardano impianti da 100 kW o 300 kW alimentati solo ad effluenti zootecnici (Grafico 1). Negli allevamenti di bovini da latte le quantità complessive di effluente si riducono di circa il 60%, perché il liquame bovino ha una potenzialità produttiva di biogas superiore al liquame suino, avendo una maggior concentrazione di solidi, ma anche perché questi allevamenti spesso dispongono di letame, che presenta potenzialità produttive ancora superiori ai liquami. Negli scenari elaborati relativi agli allevamenti di bovini, la quota di letame corrisponde al 30% dell’effluente totale prodotto. La dimensione degli allevamenti che possono dotarsi di un impianto alimentato solo ad effluenti è riportata in tabella 2.
Per alimentare un impianto da 100 kW con effluente suino è necessaria una consistenza di circa 9000 suini grassi mediamente presenti, ad esempio un ciclo aperto in cui i suini entrano a 30 kg ed escono a 160 kg, oppure un ciclo chiuso che dispone di circa 650 scrofe, più tutti i capi presenti a partire dai lattonzoli fino ai grassi. Passando alla taglia da 300 kW, la consistenza dell’allevamento per garantire la fornitura di liquame per l’impianto assume dimensioni difficili da trovare nel contesto italiano.
Nel caso dell’allevamento di bovini da latte, un’azienda è in grado di sostenere un impianto da 100 kW quando dispone di 300 vacche in produzione (lattazione e asciutta) e relativa rimonta (pari al numero delle vacche in produzione), una consistenza che ormai è abbastanza diffusa nel panorama italiano, mentre il salto alla taglia di 300 kW richiede consistenze riscontrabili in poche aziende. La possibilità di introdurre biomasse nell’alimentazione consente di ridurre l’effluente necessario e di conseguenza rende accessibile l’impianto anche ad aziende di dimensioni più contenute.
Un impianto di biogas in un’azienda suinicola richiede l’85% in meno di liquame, a fronte di un’integrazione di 1600 t/anno di insilati se di potenza pari a 100 kW e 5000 t/anno passando ai 300 kW. Negli allevamenti di bovini da latte, la quantità di effluente si riduce del 65% a seguito dell’aggiunta di 1300 t/anno di insilati se di potenza pari a 100 kW e 4000 t/anno passando ai 300 kW. Come logica conseguenza, la dimensione degli allevamenti suini si riduce fino a 1400 suini grassi o 100 scrofe a ciclo chiuso per un impianto da 100 kW.
Negli allevamenti bovini, un impianto da 100 kW è realizzabile già con 115 vacche in produzione, una consistenza decisamente diffusa e spesso superata nelle aree zootecniche di pianura. L’allevamento con 300 vacche che poteva installare un impianto da 100 kW, con l’aggiunta di insilati può arrivare a 300 kW. Visto l’impiego di colture dedicate, è opportuno considerare la superficie agricola in doppio raccolto da dedicare all’impianto di biogas.
Considerando rese di 25 t/ha per l’insilato di triticale e 55 t/ha per il silomais, l’intervallo varia da 16 ha per l’impianto da 100 kW in un’azienda di bovini, a 63 ha per l’impianto da 300 kW in un’azienda di suini. L’utilizzo delle colture dedicate consente l’installazione di un impianto di biogas di potenza maggiore a parità di effluente disponibile in azienda o l’abbassamento della consistenza animale necessaria, però bisogna valutare l’effettiva disponibilità di superficie da destinare alla produzione agroenergetica a scapito della produzione agricola da destinare al fabbisogno alimentare dell’allevamento.
Per evitare di impegnare troppa superficie alla produzione di colture dedicate, si potrebbe valutare l’introduzione di altri sottoprodotti aziendali nell’alimentazione dell’impianto. Gli allevamenti suini, ad esempio, possono utilizzare gli stocchi di mais, dato che la produzione di pastone o granella lascia tutta la pianta sul terreno. Senza ridurre la superficie destinata alla produzione di alimento per i suini, servono 3-5 ha di superficie su cui raccogliere gli stocchi per sostituire 1 ha coltivato a doppio raccolto triticale + mais insilato.
Sulla base delle regole definite nella bozza del decreto Fer 2, è possibile prevedere un maggiore impiego di sottoprodotti agroalimentari extra aziendali, ad esempio borlande, buccette di pomodoro, scarti di molitura dei cereali o sostanze grasse, ecc. Considerando che ogni tonnellata di questi sottoprodotti può sostituire tra le 0.2 e 3 t di silomais, significa che 1 ha a doppio raccolto può essere sostituito da 25 t di sfarinati o 460 t di borlande.
Questa grande variazione nella quantità che ci si può trovare a gestire, impone valutazioni attente sul rispetto delle soglie della normativa, oltre ai costi di acquisto, logistica e strutture di stoccaggio in azienda.
Il Decreto legislativo 28 del 3 marzo 2011 definisce un nuovo sistema di incentivi per gli impianti da fonti rinnovabili, differenziato in base alla dimensione dell’impianto.
- una tariffa incentivante omnicomprensiva per gli impianti di potenza fino a 0,500 MW, calcolata sommando alla tariffa incentivante base gli eventuali premi a cui l’impianto ha diritto.
- un incentivo per gli impianti di potenza superiore a 0,500 MW, calcolato come differenza tra la tariffa incentivante base - a cui vanno sommati eventuali premi a cui l’impianto ha diritto - e il prezzo zonale orario dell’energia.
Tabella: Dimensione degli Allevamenti per Alimentare un Impianto di Biogas
| Tipo di Allevamento | Potenza Impianto | Consistenza Necessaria |
|---|---|---|
| Suini (ingrasso) | 100 kW | Circa 9000 capi |
| Suini (ciclo chiuso) | 100 kW | Circa 650 scrofe |
| Bovini da latte | 100 kW | Circa 300 vacche |
| Suini (ingrasso, con insilati) | 100 kW | Circa 1400 capi |
| Suini (ciclo chiuso, con insilati) | 100 kW | Circa 100 scrofe |
| Bovini da latte (con insilati) | 100 kW | Circa 115 vacche |
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