Agroenergie

Agroenergie

Misurazione e tipologie di energia

L'energia viene misurata in J, cal o Wh. Esistono diverse tipologie di energie:

• Energia primaria: fonte di energia presente in natura e non derivante dalla trasformazione di nessun’altra forma di energia (TEP = 1 TEP è circa il consumo annuo di energia elettrica di una famiglia – 5300 kWh_e – 11.700 kWh_t – 1200 m³ di gas naturale).
• Energia secondaria: fonte energetica trasformata dalla primaria (Wh).
• Energia finale: energia trasportata all’utente (energia utile – Wh).
• Intensità energetica: valuta l’efficienza energetica riferita al sistema economico di una nazione (TEP/PIL).
• Efficienza energetica: valuta la quantità di energia utilizzata per la produzione di un bene o servizio (%).

Schema del ciclo del carbonio

L’utilizzo dei combustibili fossili si pone al di fuori di questo schema, ciclo del carbonio C H_x y liberando elevate quantità di CO₂ ad un ritmo molto elevato. Ciò determina degli sbilanci nella fase di riorganicazione che solo in parte utilizza la CO₂ presente in atmosfera. Con un maggior ricorso alle rinnovabili, si riduce la quantità di anidride carbonica in atmosfera con due meccanismi: nel caso di utilizzo del vento, sole, idroelettrico e geotermico per mancata emissione; nel caso di biomasse per bilancio di emissioni pari a zero. Infatti, la quantità di CO₂ emessa con l’utilizzo dei biocombustibili viene catturata successivamente dai vegetali per riorganicare il materiale che costituirà i combustibili stessi.

Attuale contributo delle biomasse nel quadro dei consumi mondiali di energia

In una possibile evoluzione futura, si avrà l’incremento del consumo mondiale di energia da biomasse proporzionalmente più elevato del consumo globale di energia. Per i prossimi 30 anni si prevede un consumo globale incrementato del 40% con un aumento del consumo di biomasse del 120%.

Nella composizione dei consumi energetici primari mondiali, le rinnovabili costituiscono già il 18% dei consumi globali di energia primaria, anche se in maggior percentuale (13%) sono rappresentate da biomasse tradizionali, soprattutto utilizzate da paesi poveri e finalizzate alla produzione di energia termica ad utilizzo domestico. Il restante 5% riguarda l’idroelettrico (3%) e le “nuove rinnovabili” (2%).

I settori in cui le rinnovabili entrano in sostituzione delle fonti fossili sono la produzione di energia elettrica, di energia termica e di biocombustibili per i trasporti, con contributi globalmente ancora modesti ma in costante crescita. Nel periodo 2005-2006 la produzione di tali risorse ha avuto un incremento medio annuo globale del 15-30%.

Per quanto riguarda i trasporti, il settore risulta essere il principale utilizzatore di petrolio e da ciò il forte interesse alla sostituzione del combustibile fossile con combustibili rinnovabili, che, attualmente, soddisfano nella misura dell’1% i fabbisogni energetici complessi. Per “nuove rinnovabili” si intendono l’idroelettrico di piccola scala (< 10 MW), le moderne biomasse, l’eolico, il solare, il geotermico ed i biocombustibili. In Europa, il settore trasporti assorbe 1/3 dell’energia globalmente utilizzata, dipendendo per il 98% dai derivati del petrolio.

Qualità e quantità della biomassa agro-forestale ad utilizzo energetico

Risorse energetiche rinnovabili – RER (Renewable Energy Sources – RES):

• Sole: Non sono presenti costi per avere la fonte d’energia.
• Vento: Energia primaria gratuita.
• Geotermia: Intermittenti.
• Idraulica: Ubiquitarie.
• Oceanica
• Biomasse: Immagazzinabili.

Biomassa è la parte biodegradabile di prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (vegetali e animali) e dalla selvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani (Direttiva 2001/77/CE). La biomassa si tratta quindi di materiali di origine biologica.

Caratteristiche della biomassa a fini energetici

Composizione della biomassa:

• Parte attiva nei processi di trasformazione = sostanza organica Sostanza Secca
• Ceneri = sostanza inorganica
• Acqua = caratteristica dell’acqua contenuta nei vegetali: acqua legata (all’interno dei tessuti) e acqua libera (se ne va grazie ad evaporazione ed umidità)

Massa volumica e densità:

• Metro cubo solido (m³)
• Metro stero (accatastato) (msa)
• Metro stero (riversato) (msr)

Composizione chimica della biomassa

Macroelementi: C, H, O, S, Cl, N (composizione chimica elementare), Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P, Si, Ti

Microelementi: As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Tl, V, Zn (vanno a costituire le ceneri)

Potere calorifico

Energia liberata dalla biomassa nella sua combustione completa, dipende dalla composizione chimica elementare, in particolare C, H e S aumentano il potere calorifico, O e N lo diminuiscono. Esso rappresenta quindi l’energia che un combustibile libera durante il processo di combustione. Combustibile + O₂ → CO₂ + H₂O + Energia.

Viene generalmente espresso in MJ, kWh, kcal prodotte per kg di biomassa. Sotto il profilo energetico, il potere calorifico è uno dei parametri più significativi di un combustibile e viene determinato in ottemperanza alla normativa ASTM D 240, per gli oli e le biomasse liquide, e alla EN 14918 per le biomasse solide. Il potere calorifico può essere espresso come:

• Potere calorifico superiore (PCS)
• Potere calorifico inferiore (PCI)
• Potere calorifico netto (PCN)

Biomassa per produzione di gas

La biomassa utilizzata per la produzione di gas (sfruttamento energetico) non viene usata direttamente per produrre energia. Hanno una composizione funzionale per essere usate dai microrganismi (substrato per colonie di microrganismi), avvengono dunque una serie di reazioni metaboliche. Il prodotto della digestione in genere si attesta intorno al 94% rispetto al materiale in ingresso, si ha un alto contenuto di azoto nel digestato. Per essere applicato il digestato in campo occorre valutare le indicazioni presenti nella normativa nitrati che limitano le quantità di azoto distribuibili in campo in base alla vulnerabilità del terreno, legata ad esempio alla presenza di falde sottostanti. Il restante 4-6% è costituito da biogas. La biomassa immessa nell’impianto deve essere costante nel tempo (rappresenta un costo per l’impianto).

Provenienza della biomassa ligno-cellulosica e degli oli

Le principali caratteristiche di interesse energetico per la produzione di biogas comprendono i reflui zootecnici. I reflui sono i prodotti di scarto di un allevamento o, meglio, sono il risultato della miscela di svariati materiali: deiezioni zootecniche (feci e urine), acque di lavaggio, lettiera, peli e residui alimentari. Le deiezioni, e ancor più i reflui zootecnici, presentano pertanto una composizione estremamente variabile, non solo in funzione della specie animale che li origina (bovina, suina o avicola), ma anche in funzione delle modalità di allevamento e di gestione del refluo nel suo complesso. In genere sono formati principalmente da azoto, carbonio, fosforo e potassio più una serie di microelementi (interessanti per il terreno).

Il materiale in ingresso al digestore può essere quindi costituito da sostanze derivanti dall’industria zootecnica come liquami, letami e sottoprodotti aziendali o dell’agro-industria (es. negli oleifici la sansa). Tra i reflui zootecnici, i liquami presentano una composizione chimico/fisica mediamente più adatta per i processi di digestione anaerobica più diffusi. Per i letami, in virtù del loro elevato contenuto in sostanza secca, si rende necessaria l’adozione di un processo tecnologico in grado di lavorare sul secco (sostanza secca > 20%) oppure, in alternativa, devono essere necessariamente utilizzati in processi di codigestione, miscelati con altre matrici più liquide.

Considerazioni sui reflui zootecnici

I materiali impiegati presentano quindi una diversa composizione in termini di sostanza secca, solidi volatili e azoto. La percentuale di sostanza secca presente nel materiale può influire sulla sua movimentazione. Il letame bovino ha un contenuto di sostanza secca compreso tra 11-25%, ciò lo rende un prodotto pompabile o attraverso movimentazione discontinua. Letame suino 20-28% palabile, il letame avicolo 60-80% è un materiale molto secco che contiene anche la lettiera esausta (substrato inerte come paglia o truciolato messo a terra per assorbire i liquidi prodotti dall’animale). La pollina preessiccata è stata essiccata per garantire una maggiore stabilità. I liquami hanno invece un basso contenuto di sostanza secca.

In generale, per i reflui zootecnici, i fattori che devono essere maggiormente considerati sono:

• Composizione del materiale – influisce sulla velocità di degradazione (degradabilità) che presenta valori decrescenti rispettivamente per proteine, grassi, cellulosa, lignina. Ad esempio, il liquame bovino, ha maggior contenuto di materiale cellulosico e presenta una velocità di degradazione inferiore ad un liquame suino più ricco in grassi che, tra l’altro, ha maggiori rendimenti in biogas rispetto agli altri liquami.
• Presenza di elementi tossici per il metabolismo microbico – sono spesso micronutrienti, quali sodio (Na), potassio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), ammonio (NH₄⁺), zolfo (S) che, se presenti in eccesso, possono indurre tossicità; inoltre anche metalli pesanti, quali rame (Cu), cromo (Cr), nichel (Ni), zinco (Zn), piombo (Pb) possono creare danni al metabolismo se presenti in concentrazioni superiori a 1 mg/l.

Reflui zootecnici: pro e contro relativi al loro utilizzo nei processi di digestione anaerobica

Pro

• Costo basso o nullo della matrice;
• Reperibilità in ambiti territoriali limitrofi nei numerosi distretti zootecnici italiani;
• Valorizzazione degli scarti e potenziale integrazione di reddito dell’azienda zootecnica;
• Presenza di strutture di stoccaggio preesistenti (nelle aziende zootecniche);
• Stabilizzazione con riduzione delle emissioni maleodoranti;
• Possibilità di utilizzare nei processi di codigestione differenti matrici, anche residuali, in miscela.

Contro

• Basse rese metanigene;
• Riduzione dell’apporto ai suoli della componente carboniosa;
• Possibile formazione di croste flottanti con reflui eccessivamente pagliosi (letami);

Colture dedicate e residui di coltivazione

L’utilizzo delle colture dedicate in codigestione si è diffuso nel corso degli ultimi anni, inizialmente disponibili in casi di sovrapproduzione, provenienti da terreni marginali, parzialmente coltivati o da terreni in set-aside, con l’evoluzione della filiera, grazie soprattutto agli incentivi (certificati verdi ed altro), sono sempre di più usate in modo vantaggioso sia nei grandi che nei piccoli impianti. Nel primo caso, in una logica più orientata all’aumento dei ricavi, vengono impiegate, in particolare, in processi di digestione anaerobica dei rifiuti; nel secondo caso, invece, servono a migliorare l’efficienza globale del processo (standardizzazione della miscela in ingresso) e a raggiungere più opportune economie di scala.

L’insilato di mais è un materiale piuttosto efficace per la produzione di biogas, ha un contenuto di sostanza secca del 20-25% e una percentuale di solidi volatili del 90% circa (usati dai microrganismi). Viene prodotto attraverso la trinciatura della pianta intera, quando è ancora verde e i chicchi hanno una consistenza latteo-cerosa (vengono spremuti durante il processo di trinciatura). L’insilamento è un processo di conservazione, si ha la produzione di acidi a catena corta che bloccano la degradazione del materiale. Si può osservare che la percentuale di solidi volatili delle colture dedicate presenta valori di 10-15 punti percentuali superiori ai reflui zootecnici, ciò è chiaramente dovuto al fatto che si tratta di matrici organiche vergini e non predigerite dagli animali durante la loro alimentazione in relazione alla loro capacità di assimilazione dei nutrienti.

Colture dedicate: pro e contro relativi al loro utilizzo nei processi di digestione anaerobica

Pro

• Uso in opportune miscele, ai fini della standardizzazione delle caratteristiche delle matrici in ingresso nel reattore nei processi di codigestione;
• Colture diffuse e/o di facile inserimento e adottabilità nell’azienda agraria;
• Reperibilità in ambiti territoriali limitrofi;
• Aumento delle rese in biogas per unità di volume di reattore;
• Relativa facilità di stoccaggio;
• Creazione di possibilità di sbocco più agevole per il digestato, quando i suoli da cui derivano le colture dedicate fanno parte dell’impresa bioenergetica.

Contro

• Aleatorietà del costo di opportunità per le notevoli fluttuazioni del mercato delle materie prime;
• Necessità di pretrattamenti e di attrezzature adatte allo scopo;
• Possibile formazione di croste flottanti;
• Aumento del digestato da gestire e quindi del carico di azoto da smaltire per unità di superficie.

Biomasse legnose e ligno-cellulosiche

Biomasse naturali – anche se si ha una grande quantità di biomassa a disposizione spesso risulta essere non conveniente economicamente a causa dell’elevato costo della sua raccolta/esbosco/trasporto.

Colture dedicate all’arboricoltura da legno – nelle utilizzazioni boschive commerciali possono essere adottate diverse tipologie di impianti in base ad esempio al tempo SRF (2 anni – 5000/6000 pp/ha) e MRF (5 anni – 1500/1600 pp/ha), con conseguenze sulla produttività (uso di macchine specifiche) e sulle caratteristiche del materiale. Più le piante sono giovani maggiore sarà il loro contenuto di acqua, dipende poi infine anche dalle caratteristiche del terreno e l’allestimento. L’uso di arboricolture lineari ed assiepamenti permette una maggiore biodiversità, beneficio paesaggistico, frangivento, controllo dell’erosione, fitodepurazione, captazione della CO₂, contenimento della deriva dei fitofarmaci, integrazione del reddito (contributi, e vari usi come miele, funghi, tartufi, selvaggina..ecc.) e produzione di biomassa legnosa.

Le specie arboree più diffuse sono la robinia, il frassino, il platano, l’ontano, tra le quali si possono intervallare specie arbustive quali il nocciolo, il biancospino e il prugnolo. La produttività media di turni di ceduazione di 6-7 anni di assiepamenti razionali:

• Siepe di robinia, 4-6 t.q. / 100 m lineari (M50)
• Siepe di platano, 7-10 t.q. / 100 m lineari (M50)

Biomassa legnosa residuale – Biomasse residuali lignocellulosiche da residui di agricoltura. Nelle produzioni tipiche si parla di tonnellate tal quali (t.q.) occorre quindi verificarne il contenuto in termini di acqua, devono per questo essere essiccate prima dello sfruttamento energetico. Le ceneri sono invece gestite come rifiuto speciale e causano l’abbassamento del potere calorifico.

Provenienza della biomassa per la produzione di energia

Le biomasse di origine agricola possono derivare da reflui zootecnici, colture dedicate o residui colturali. Tali biomasse vengono impiegate nel digestore anaerobico, scarso livello di ossigeno, dove il materiale viene lasciato per un dato periodo di tempo in relazione alla temperatura, con produzione di biogas (miscela di gas che comprende principalmente metano ed anidride carbonica, la composizione varia in base al materiale in ingresso) e digestato. Il biogas prodotto è un biocombustibile che può essere usato per fornire calore (energia termica) e produrre energia elettrica, negli impianti di cogenerazione la produzione avviene nello stesso momento.

Il biogas può essere inserito quindi in un motore endotermico (η 30-35%) per generare elettricità ed il restante dell’energia prodotta è rappresentata dal calore (può essere impiegato per vari scopi), in alternativa il gas può essere introdotto direttamente in rete anche per usi domestici, tuttavia dovrà presentare un indice di purezza per quanto riguarda il metano contenuto (in rete – CH₄ = 99%).

Il biogas rappresenta solamente il 4-6% del prodotto da digestione anaerobica mentre il 94-96% è rappresentato da digestato, un sottoprodotto formato principalmente da acqua con un contenuto di sostanza secca in genere intorno al 10% con sostanza organica non metabolizzata dai microrganismi, può rappresentare un problema la sua corretta gestione deve essere per questo valorizzato ed impiegato per esempio nei processi produttivi in ambito agronomico. Nel digestato occorre tuttavia eseguire una separazione tra la frazione solida e quella liquida. La parte solida dal punto di vista volumetrico è la porzione minore (minor quantitativo), ricorda il letame e dotato di caratteristiche ammendanti impiegabile nella concimazione di base, la parte liquida invece ricorda un fertilizzante liquido con elementi prontamente utilizzabili grazie alla presenza ad esempio di azoto ammoniacale.

Biomasse di origine animale

Le deiezioni rappresentano l’insieme degli escrementi degli animali mentre i liquami sono una miscela di deiezioni, acqua, residui alimentari, residui vari e lettiera. Le biomasse animali presentano una composizione variabile in termini di % di sostanza secca:

• Pompabili – possono essere anche programmate (automatizzazione)
• Liquami = contenuto di sostanza secca inferiore al 12%
• Semi solide = contenuto di sostanza secca variabile tra 12-20%