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Il biogas è una miscela di gas prodotti durante il processo di digestione anaerobica (DA) a carico di diversi substrati organici.
I substrati organici possono produrre biogas mediante la degradazione della sostanza organica inizialmente presente. La conversione a biogas della sostanza organica può variare entro un ampio intervallo, compreso tra il 40% e il 90% (ed oltre). Le matrici avviabili a DA possono essere di vario tipo e derivare perciò da diversi settori produttivi:
- Settore agricolo: reflui zootecnici (es. liquami suini, bovini e, con opportune precauzioni, deiezioni avicole), residui colturali (es. paglia, pula di riso, colletti di barbabietole, ecc.), colture energetiche dedicate (es. mais, sorgo, silomais, erba, ecc.)
- Settore agroindustriale: scarti organici di macellazione, siero, sottoprodotti orto-frutticoli, fanghi e reflui dell’industria enologica.
- Settore industriale: acque reflue e/o fanghi ottenuti dalla loro depurazione.
- Settore civile: acque reflue e/o fanghi ottenuti dalla loro depurazione, frazioni organiche di rifiuti solidi urbani (FORSU) trattate in maniera specifica ovvero da discarica.
Particolare attenzione deve essere posta alle normative che regolano l’utilizzazione di tali matrici e dei successivi prodotti della DA (digestato) e che possono determinare lo status giuridico dello stesso impianto di DA. Si può ad esempio considerare un impianto di DA che utilizzi solo reflui zootecnici in co-digestione con residui colturali e colture energetiche dedicate prodotte nell’azienda agricola dove opera l’impianto di DA stesso. Tale impianto non è soggetto al complesso di norme relative ai rifiuti, purché il digestato prodotto dalla DA possa essere (e venga effettivamente) utilizzato agronomicamente nella stessa azienda di produzione. Viceversa, un impianto di DA che utilizzi in tutto o in parte acque reflue e/o fanghi industriali o civili ovvero FORSU, deve essere considerato un impianto di trattamento di rifiuti. In questo caso, anche i substrati organici in ingresso così come il digestato prodotto della DA ricadono nel campo di applicazione della disciplina sui rifiuti.
La digestione anerobica (DA) è un processo di tipo biologico, che avviene in assenza di ossigeno (anaerobiosi) tramite reazioni biochimiche ad opera di specifici batteri. La DA può essere suddivisa in quattro fasi caratterizzate dall’azione di distinti gruppi di batteri anaerobi: idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi, a sua volta suddivisibile in metanogenesi acetoclastica e metanogenesi idrogenofila.
In condizioni naturali, la DA avviene in svariati ambienti contraddistinti dalle condizioni più disparate, poiché i batteri che intervengono nella produzione di CH4 possano operare in un ampio intervallo di condizioni. La DA finalizzata alla produzione di CH4 viene invece condotta in appositi impianti in cui si ricerca l’ottimizzazione delle condizioni di processo, tra cui deve essere considerata la velocità delle reazioni biochimiche coinvolte. Quest’ultima dipende strettamente dalla temperatura, per cui l’odierna tecnica impiantistica tende a privilegiare le condizioni mesofile (30÷35°C) o termofile (55÷60°C).
Il biogas è costituito essenzialmente da metano (CH4, 50÷75% in volume), anidride carbonica (CO2, 25÷45%) e vapor d’acqua (H2O(g), 2÷7%), nonché da altri gas presenti in concentrazioni minori, tra cui l’acido solfidrico (H2S). Il potere calorifico del biogas è funzione del suo contenuto in CH4. In media può essere considerato pari a 20.000÷24.000 kJ Nm-3. Il biogas può essere utilizzato in diversi modi, che possono essere classificati per complessità tecnologica crescente (corrispondente grosso modo ad un grado di diffusione decrescente):
- Allo stato grezzo, per la produzione di energia termica. Tale utilizzazione è stata predominante negli impianti costruiti per tutti gli anni ’80, in pratica sino all’emanazione nel 1992 di una specifica delibera del Comitato Interministeriale Prezzi (la cosiddetta CIP 6) che ha incentivato la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.
- Dopo opportuna purificazione, utilizzato in cogeneratori con motori a combustioneinterna (ciclo Otto, ciclo Diesel adattato a gas) per la produzione combinata di energia elettrica ed energia termica. Da 1 m3 di biogas è possibile così produrre circa 1,8÷2 kWh di energia elettrica e 2÷3 kWh di energia termica. Questa è la forma di utilizzazione attualmente più diffusa in Europa e in Italia.
- Il biometano: dopo una purificazione spinta e compressione sino a raggiungere caratteristiche simili a quelle del gas naturale compresso (CNG), con un contenuto di CH4 pari al 95% ed essere quindi immesso in rete. La destinazione finale può essere l’utenza domestica (riscaldamento e cottura), la co-generazione in impianti centralizzati (ove il calore prodotto possa essere usato in maniera più efficiente), le stazioni di rifornimento di carburante, poste più o meno nei pressi dell’impianto di produzione di biogas in funzione dello sviluppo e della struttura della rete di distribuzione del gas.
- Dopo opportuna purificazione, utilizzato in turbine a gas, motori a vapore, processi ORC (Organic Rankine Cycles), impianti multi-fuel (es. Kalina Cycles), motori Stirling.
- Dopo opportuna ulteriore purificazione e reforming, finalizzati alla produzione di idrogeno (H2) da utilizzare in celle a combustibile (fuel cells) per la produzione combinata di energia elettrica ed energia termica ad alta efficienza (>60%) e a minori emissioni.
Considerando la diffusione della tecnologia di produzione del biogas è possibile esaminare sinteticamente la situazione nell’Unione Europea, in Italia ed infine nella Regione Veneto.
In Europa il settore del biogas ha avuto un notevole sviluppo in questi ultimi anni grazie in particolare al ricorso di colture energetiche utilizzate nella DA, la cui applicazione sino ad alcuni anni fa aveva invece come oggetto solo i rifiuti. Nel 2007 si è quindi raggiunta una produzione di energia da biogas pari a 5,9 Mtoe che ha rappresentato un aumento pari a ben il 20,5% rispetto al 2006 (1 Mtoe è pari a 4,1868 x 10Exp16 J ovvero a 11.400 x 10Exp6 kWh). Da notare che questi valori si riferiscono solo al biogas che è sfruttato a fini energetici e non a quello inviato in torcia. [EurObserv’ER, 2008].
Dei 5,9 Mtoe prodotti nel 2007, il 49,2%, corrispondente a 2,9 Mtoe, è stato ottenuto dalle discariche (+44,7% rispetto al 2006). Il 15%, corrispondente a 0,9 Mtoe, è stato originato da fanghi di depurazione (+2,2% rispetto al 2006). Infine, il 35,7%, pari a 2,1 Mtoe, è stato prodotto da “altre fonti”, costituite essenzialmente da impianti di biogas agricoli ed in subordine da impianti di DA di FORSU e impianti centralizzati di co-digestione (+58,4% rispetto al 2006). Anche da questi dati sintetici, si evidenzia come il biogas di origine agricola sia attualmente la reale forza trainante dello sviluppo del settore biogas nell’Unione Europea. [EurObserv’ER, 2008].
UNA INTERESSANTE CURIOSITA’...
- Attualmente in Germania sono in funzione circa 4.200 impianti a biogas per una potenza elettrica complessiva prodotta di 1.400 MW.
- Di questi 1.400 MW di potenza da biogas installati, circa 1.050 MW sono stati realizzati negli ultimi 4 anni.
- 1.000 MW è la taglia di potenza di una centrale nucleare, ma il tempo medio per la realizzazione di una centrale nucleare in Germania è di 18 anni
Anche in Italia, il forte sviluppo che ha caratterizzato il settore del biogas è riconducibile essenzialmente all’incremento nella diffusione del biogas agricolo. Tale diffusione è direttamente correlata allo sviluppo della tecnica di co-digestione mediante il ricorso a colture energetiche dedicate e alla relativa adozione di tecnologie impiantistiche derivate o ispirate a sistemi sviluppati soprattutto in Germania, Austria e Svizzera.
Le potenzialità produttive annue per il biogas in Italia sono pari a circa 8 miliardi di m3 di CH4. Tale quantità di metano renderebbe possibile la produzione annua di circa 25 x 10Exp9 kWh di energia elettrica. Tali valori produttivi si raggiungerebbero ricorrendo all’utilizzo annuale di substrati organici quali i reflui zootecnici (150 milioni t), residui colturali (10 milioni t sostanza secca), colture energetiche (200 mila ha), sottoprodotti e scarti dell’agro-industria inclusi gli scarti di macellazione di categoria 3 (12 + 1 milioni t), fanghi di depurazione (3 milioni t), FORSU (9 milioni t). [C.R.P.A., 2008].
Per quanto riguarda invece le produzioni reali, va ricordato che i dati devono essere aggiornati molto frequentemente, alla luce dell’impetuoso sviluppo che sta attraversando il settore in questi ultimi mesi. Dei 406,2 ktoe prodotti nel 2007 (1 ktoe è pari a 4,1868 x 10Exp13 J ovvero a 11.400 x 10Exp3 kWh), l’88,1%, corrispondente a 357,7 ktoe, è stato ottenuto dalle discariche (+0,3% rispetto al 2006). Lo 0,2%, corrispondente a 1,0 ktoe, è stato originato da fanghi di depurazione (inalterato rispetto al 2006). Infine, l’11,7%, pari a 47,5 ktoe, è stato prodotto da “altre fonti”, costituite essenzialmente da impianti di biogas agricoli ed in subordine da impianti di DA di FORSU e impianti centralizzati di co-digestione (+6,0% rispetto al 2006). [EurObserv’ER, 2008].
Nel 2008 il numero di impianti italiani di biogas è risultato essere pari a 362, di cui 202 impianti di DA operanti su reflui zootecnici, scarti organici e colture energetiche (~56%), 29 impianti su reflui agro-industriali (~8%), 121 su fanghi di depurazione civile (~33%) ed infine 10 impianti operanti su FORSU (~3%). [C.R.P.A., 2008].
Infine, per quanto riguarda la Regione Veneto, in base a dati relativi all’anno 2004 (e, ove tecnicamente possibile, al 2005) le potenzialità produttive annue sono risultate pari a più di 11 milioni t di reflui zootecnici, ~11 milioni di t tra residui colturali e colture energetiche potenzialmente avviabili a DA (corrispondenti ad una superficie di ~614 mila ha), ~607 mila t di sottoprodotti e scarti dell’agro-industria, ~250 mila t di FORSU e ~210 mila t di materiale vegetale derivante dalla gestione del verde urbano. [Veneto Agricoltura – PROBIO/BIOGAS, 2008].
Per quanto riguarda le produzioni reali in base a dati relativi agli anni 2007 e 2008, il numero di impianti di biogas operanti sul territorio è risultato pari a 28, di cui 12 agricoli (DA condotta su reflui zootecnici, colture agricole, sottoprodotti dell’agroindustria) e 16 industriali (DA a carico di sottoprodotti e scarti agroindustriali, sottoprodotti di origine animale ex DM 1774/1999, fanghi di depurazione, fanghi di lavaggio, acque di lavaggio, frazione liquida della FORSU). [Veneto Agricoltura – PROBIO/BIOGAS, 2008].
Il biogas prodotto a fine 2007 è stato pari a ~45 milioni di m3, con una potenza installata pari a 15.529 kWe. [Veneto Agricoltura – PROBIO/BIOGAS, 2008].
Consulta i documenti sul biogas/biometano