Digestione anaerobica da rifiuti
Fonti rinnovabili di energia
Prof. Andrea Corti
ing. Isabella Pecorini
Dipartimento di Energetica "Sergio Stecco"
Università degli Studi di Firenze
via di S. Marta 3 - 50139 Firenze (Italy)
Tel +39 055 4796473, Fax +39 055 4796342
E-Mail: [email protected]
Web: http://vega.de.unifi.it/staff.htm
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Sommario
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Cos’è la Digestione Anaerobica
Principi del processo di DA
Tipologie di impianti di DA
Processo integrato aerobico/anaerobico
Caso di studio
Prodotti del processo di DA
La DA in Europa
La DA in Italia
Valutazioni economiche e ambientali
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La Digestione Anaerobica….
• è un processo di trasformazione biochimica che avviene in assenza
di ossigeno all'interno di reattori chiusi e che porta alla
degradazione di sostanze organiche complesse con formazione di
biogas e “digestato”. Il biogas, sfruttabile a fini energetici, è
costituito per il 65-70% da metano (CH4) e per il resto soprattutto
da anidride carbonica (CO2). Il digestato, invece, è un materiale
semistabilizzato che può essere avviato a compostaggio
(trattamento aerobico) per produrre fertilizzante.
• ha come scopo la riduzione di massa, la mineralizzazione delle
componenti organiche maggiormente degradabili, l’igienizzazione
dei prodotti e, infine, il recupero energetico e di materiale.
• è condotta in reattori (digestori), opportunamente concepiti per
evitare il contatto tra la massa e l'ossigeno atmosferico e
mantenere una temperatura costante.
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La Digestione Anaerobica…
SUBSTRATI INVIABILI A DIGESTIONE ANAEROBICA
 Deiezioni animali: tipo di effluente caratterizzato da contenuti di sostanza secca e
solidi volatili molto variabile a seconda delle differenti tipologie di allevamenti
(liquame suino, bovino, eiezioni avicole, ecc.);
 Residui colturali: provenienti da raccolti agricoli quali foraggi, frutta e vegetali di
scarsa qualità;
 Colture ad uso energetico: coltivazione di piante specifiche da avviare alla DA per
la produzione di biogas (mais, sorgo, foraggi). La Politica Agricola Comunitaria
incentiva queste colture 45 euro/ha);
 Scarti organici e acque reflue dell’agro industria: reflui provenienti da lavorazioni
di prodotti agricoli (siero del latte, lavorazioni di succhi di frutta, distillazione di
alcool, scarti e sangue di macellazione, ….). La DA di queste materie produce un
digestato di ottima qualità per i terreni poiché fornisce molti nutrienti;
 FORSU: frazione organica umida contenuta nei rifiuti urbani domestici (da
selezione e RD) la presenza di piccole quantità di plastica e vetro è in genere
inferiore al 5% sul totale. Queste frazioni organiche presentano un elevato grado di
putrescibilità ed umidità (> 65%) che le rendono adatte alla digestione anaerobica;
 Fanghi di depurazione: sono il residuo del processo di depurazione delle acque
reflue urbane e industriali. Sono costituiti da biomassa batterica e da sostanza
inerte, organica ed inorganica.
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La Digestione Anaerobica…
Biomasse e scarti organici che si possono avviare a Digestione
Anaerobica e loro resa in Biogas (m3 a tonnellata di solidi volatili):
Materiali
m3 biogas/t SV
Deiezioni animali (suini, bovini, avicunicoli)
200 - 500
Residui colturali (paglia, colletti, barbabietole..)
350 – 400
Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti,
fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine..)
400 – 800
Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale
ed intestinale,sangue, fanghi di flottazione…)
550 – 1000
Fanghi di depurazione
250 – 400
Frazione organica rifiuti urbani
400 – 600
Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino…)
550 – 750
Liquame prodotto da una vacca da latte del
peso vivo medio di 500 kg
0,750 m3 biogas/d
Liquame prodotto da un suino del peso vivo
medio di 500 kg
0,1 m3 biogas/d
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Principi del processo di DA
Schema riassuntivo di
decomposizione delle
sostanze organiche
durante il processo di
digestione anaerobica
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Principi del processo di DA
Schema del processo
biologico di digestione
anaerobica
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Principi del processo di DA
L’attività biologica anaerobica è stata evidenziata in un ampio intervallo di
temperatura: tra –5 e + 70°C.
Esistono differenti specie di microrganismi classificabili in base all’intervallo termico
ottimale di crescita:
► psicrofili, con temperature inferiori a 20 °C;
► mesofili, con temperature comprese tra i 20 °C ed i 40 °C;
► termofili, con temperature superiori ai 45 °C.
La conversione di substrati organici complessi in ambiente anaerobico avviene
attraverso una catena di processi biologici diversi.
Ad essa partecipano almeno tre gruppi metabolici distinti di microrganismi che si
differenziano sia per i substrati che per i prodotti del loro metabolismo.
Nel corso del processo biodegradativo si hanno in particolare quattro stadi:
1. idrolisi
2. acidogenesi
3. acetogenesi
4. metanogenesi
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Principi del processo di DA
Il processo biodegradativo si compone delle seguenti fasi:
►una prima fase di idrolisi nella quale, per intervento di diversi gruppi batterici, si
ha la degradazione di substrati organici complessi particolati o solubili, quali
proteine, grassi e carboidrati, con formazione di composti semplici, quali
aminoacidi, acidi grassi e monosaccaridi in forma solubile.
►una successiva fase acetogenica, in cui, a partire dagli acidi grassi, si ha la
formazione di acido acetico, acido formico, biossido di carbonio ed idrogeno
molecolare;
►ed, infine, un’ultima fase in cui, a partire dai prodotti della fase precedente, si
osserva la metanizzazione, cioè la formazione di metano a partire dall’acido acetico
o attraverso la riduzione del biossido di carbonio utilizzando l’idrogeno come cosubstrato.
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Principi del processo di DA
I principali parametri che permettono di dimensionare, valutare e gestire il processo di
digestione anaerobica si possono suddividere in due categorie:
► parametri di operazione del reattore:
definiscono l’esercizio in termini di tempi di permanenza della massa alimentata nel
reattore, di concentrazione dei microrganismi, di rese di produzione di biogas in
relazione al volume del reattore ed alle caratteristiche del substrato trattato.
► parametri di stabilità dei processi biologici:
obiettivo è il mantenimento di condizioni operative ottimali e stabili.
Per la digestione anaerobica la fase controllante l’intero processo, cioè la metanogenesi,
risulta particolarmente sensibile alle variazioni ambientali del mezzo di reazione. Di
particolare importanza risultano parametri quali il pH, la concentrazione di acidi grassi
volatili (VFA), l’alcalinità, il rapporto tra acidi grassi volatili ed alcalinità, la produzione e
composizione percentuale del biogas, la temperatura ;
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Principi del processo di DA
GESTIONE REATTORE:
► tempo medio di residenza idraulico (HRT), [giorni]: rappresenta il tempo di permanenza
di ogni elemento di fluido all’interno di un reattore. Ciò è vero in senso stretto per i soli
reattori ideali, mentre nel caso dei reattori reali assumerà il senso di tempo di
permanenza medio per i vari elementi di fluido. (compreso tra 10 e 30 giorni)
► tempo medio di residenza dei solidi, in prima approssimazione, o dei microrganismi (SRT)
[giorni];
► carico organico riferito al volume del reattore (OLR) [kg substrato/m3 reattore giorno]: Il
carico organico volumetrico di substrato applicato al reattore è definito come la quantità
di substrato entrante nel reattore riferita all’unità di volume del reattore stesso ed al
tempo.
► produzione specifica di gas (SGP) [m3 biogas/kg substrato VS alimentato]: Questo
parametro rappresenta la quantità di biogas che viene prodotta per quantità di sostanza
volatile alimentata al reattore ed è strettamente correlato alla biodegradabilità del
substrato trattato (valori tipici 0.2 – 0.6).
► velocità di produzione del biogas (GPR) [m3 biogas/m3 reattore giorno]: definita come la
portata di biogas prodotto rispetto al volume del reattore
► efficienza di rimozione del substrato [%] (40-70%).
► Miscelazione: favorire il contatto tra batteri e substrato, omogeneizzare le temperature,
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ottimizzare il rilascio di biogas, evitare la decantazione delle frazioni più pesanti.
Principi del processo di DA
STABILITA’ DEL REATTORE:
► pH: fornisce un’indicazione sulla stabilità della reazione. In processi di DA stabili in
genere il pH si attesta su valori compresi tra 6,5-7,5
► Alcalinità: rappresenta la capacità di un sistema di neutralizzare cambiamenti indotti nel
suo pH
► Produzione e composizione del biogas: il monitoraggio di questi due parametri è di
fondamentale importanza per il controllo della stabilità del processo di digestione
anaerobica. Se il reattore sta operando in condizioni di stabilità la produzione e la
composizione del biogas risultano costanti.
► Temperatura: dato che i processi di degradazione anaerobica sono determinati
dall’attività di popolazioni microbiche eterogenee l’effetto delle variazioni di temperatura
è particolarmente importante.
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Tipologie di Impianti
I processi anaerobici
possono essere
classificati in
base al:
► regime termico
del reattore
(mesofilia 35°C o
termofilia 55°C)
► tenore in solidi
nel rifiuto
trattato
► numero di fasi
presenti nel
processo (una o
due)
WET
SEMI-DRY
DRY
90%
10%
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Tipologie di Impianti – regime termico
Dato che i processi di degradazione
anaerobica
sono
determinati
dall’attività
di
popolazioni
microbiche eterogenee l’effetto delle
variazioni
di
temperatura
è
particolarmente importante.
Variazioni di soli 2-3 °C possono
influire sulle prestazioni generali del
processo, specialmente in prossimità
dei limiti dell’intervallo operativo.
Quando si passa da un regime di
temperatura ad un altro si osserva
un vero e proprio cambiamento
nella composizione della comunità
batterica.
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Tipologie di Impianti – numero fasi
Nel digestore le fasi idrolitica, acetogenica e metanogenica possono
avvenire:
Tutte e tre simultaneamente
Digestori a una fase
Con l’ultima fase separata
dalle altre due
Digestori a due fasi
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Tipologie di Impianti - WET
Nei processi di tipo wet la sostanza organica di partenza viene opportunamente trattato e
diluito al fine di raggiungere un tenore in solidi totali inferiore al 10% attraverso il ricorso
a diluizione con acqua così da poter poi utilizzare un classico reattore completamente
miscelato del tipo applicato nella stabilizzazione dei fanghi biologici negli impianti di
depurazione.
In generale, il processo prevede,
dopo la fase di pre-trattamento del
rifiuto (finalizzato a rimuovere le
parti
più
grossolane
che
potrebbero danneggiare gli organi
meccanici),
uno
stadio
di
miscelazione in cui si ottiene una
miscela
con
caratteristiche
omogenee
e
l’opportuno
contenuto in solidi.
La diluizione può avvenire tramite
aggiunta di acqua di rete o dal
parziale ricircolo dell’effluente del
reattore.
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Tipologie di Impianti - WET
La fase a densità intermedia è
quella in cui avvengono per lo
più le effettive reazioni di
degradazione e produzione del
biogas.
Nella gestione di impianto
sono generalmente previste
saltuarie rimozioni sia dello
strato più pesante, presente sul
fondo del reattore, che di
quello leggero.
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Tipologie di Impianti – SEMI-DRY
In questo caso il contenuto di sostanza solida che caratterizza il rifiuto trattato si pone
nell’intervallo intermedio rispetto ai processi wet e dry, opera infatti con rifiuti con un
contenuto in solidi del 15-20%.
Dal punto di vista impiantistico la soluzione adottata è quella di un reattore miscelato
(CSTR) che può operare tanto in regime mesofilo che termofilo.
Anche in questo processo, come nei processi di tipo wet, si osserva la formazione di
tre fasi distinte all’interno del reattore, anche se, in generale, il fenomeno è meno
accentuato. Sarà comunque necessario prevedere, di tanto in tanto, lo svuotamento e
la pulizia del fondo del reattore.
Il sistema di miscelazione è generalmente garantito da miscelatori meccanici che
possono essere inoltre coadiuvati da lance a gas che provvedono a ricircolare il biogas
prodotto per incrementare l’efficienza di miscelazione.
Può essere inoltre previsto il ricircolo del materiale presente nel digestore inviato alla
caldaia e poi reimmesso nei digestori
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Tipologie di Impianti – SEMI-DRY
Schema di impianto di biogas a reattore
orizzontale, cilindrico, miscelato
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Tipologie di Impianti – DRY
Nei processi dry il tenore in solidi del rifiuto alimentato al digestore è generalmente
nell’intervallo 25-40% e pertanto solamente particolari rifiuti con elevato tenore di solidi
(>50%) necessitano di essere diluiti con acqua per poter essere convenientemente trattati.
Ciò non comporta significative variazioni dal punto di vista biochimico e microbiologico nel
processo anaerobico ma determina la necessità di una completa revisione dei metodi di
trattamento per quanto concerne la tecnologia dei reattori.
Sono infatti necessari particolari metodi di pompaggio e miscelazione.
Infatti, a causa delle proprietà dei flussi trattati, il materiale organico viene trasportato con
nastri e pompato attraverso il ricorso a speciali pompe appositamente progettate per
operare con flussi molto viscosi.
Ciò incide sui costi di realizzazione di questo tipo di impianti.
Questi sistemi sono in grado di operare con flussi di materiale molto concentrati e resistono
ai possibili problemi causati da sassi, vetro o legno che non causano inceppamenti o danni.
L’unico pre-trattamento richiesto è una preliminare vagliatura al fine di rimuovere il
materiale con dimensioni superiori ai 40 mm.
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Tipologie di Impianti – DRY
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Tipologie di Impianti
ECOPARC I – BARCELLONA
Tecnologia LINDE – WET
4 digestori X 6300 M3
140.000 t/anno totali
ECOPARC II – BARCELLONA
Tecnologia VALORGA – DRY
3 digestori X 4500 M3
80.000 t/anno totali
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Processo integrato aerobico/anaerobico
Il fatto che, a fronte del
consolidamento del ruolo del
compostaggio aerobico, anche la
digestione anaerobica stia
ottenendo sempre maggiore
attenzione tra le tecnologie per il
trattamento dei rifiuti solidi
organici, ha invogliato, in
particolare in questi ultimi anni,
sempre più i progettisti ad
esaminare le possibili integrazioni
dei due processi al fine di
ottimizzarne i rispettivi pregi e
minimizzarne gli svantaggi.
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Processo integrato aerobico/anaerobico
VANTAGGI
Miglioramento del bilancio energetico dell’impianto: nella fase anaerobica si
ha in genere la produzione di un surplus di energia rispetto al fabbisogno
dell’intero impianto;
 Riduzione e controllo dei problemi olfattivi: le fasi maggiormente odorigene
sono gestite in reattore chiuso; il digestato è già un materiale semi-stabilizzato
e quindi gli impatti olfattivi durante il post-compostaggio sono ridotti;
 Minor impegno di superficie a parità di rifiuto trattato;
 Riduzione di emissione di CO2 in atmosfera;
Minore necessità di matrici “strutturali” quali gli scarti vegetali;
Gestione di una parte importante delle acque di scarto della digestione
grazie alle capacità evaporative del compostaggio;
La maturazione aerobica mediante compostaggio esalta le proprietà
ammendanti del digestato, ne massimizza le capacità di fissazione del C nei
suoli;
Il compostaggio del digestato consente di acquisire lo “status” legale e
commerciale di prodotto (ai sensi della legge nazionale sui Fertilizzanti)
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Processo integrato aerobico/anaerobico
SVANTAGGI
Gli investimenti iniziali alti, superiori a quelli del solo compostaggio;
La gestione delle acque di processo che necessitano di trattamenti specifici
e presuppongono una buona integrazione con i centri di depurazione;
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Processo integrato aerobico/anaerobico
Schema e bilancio di massa
del sistema di trattamento
integrato anaerobico/aerobico
per il solo rifiuto organico da
raccolta differenziata
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Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio
IMPIANTO DI CAMPOSANPIETRO (PD)
Impianti:
depurazione biologica;
 codigestione anaerobica;
Cogenerazione;
 compostaggio aerobico
Sono strettamente interconnessi in modo da sfruttare al massimo le sinergie
gestionali e di processo rese possibili dalle tecnologie utilizzate.
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Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio
Può trattare….
 liquami civili e industriali per una
capacità depurativa di 35.000 A.E.
(ampliabile fino a 70.000 A.E.);
 fino a 16.000 t/a di frazione
organica dei rifiuti solidi urbani
(FORSU) e scarti vegetali(erba,
ramaglie, ecc.);
 da 25.000 a 50.000 t/a di reflui
zootecnici;
 da 12.500 a 25.000 t/a di fanghi
dalla depurazione biologica;
Consente di produrre….
 acqua depurata riutilizzabile
anche in irrigazione;
 energia elettrica e termica che
andranno autoconsumate
all’interno degli impianti o resi
disponibili per utilizzatori esterni;
da 10.000 a 15.000 t/a di compost
di qualità;
 fino a 90.000 t/a di frazione
liquida stabilizzata ricca di azoto e
quindi riutilizzabile in
fertirrigazione.
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Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio
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Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio
Schema di impianto di codigestione anaerobica dell’impianto
di Camposanpietro
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Prodotti finali del processo di DA
La digestione anaerobica consente una gestione ordinata degli scarti organici
trasformandoli in una fonte energetica pienamente rinnovabile e in una
componente organica che può essere maturata e restituita al suolo per i piani di
ripristino della fertilità organica dei suoli.
GAS COMBUSTIBILE
DIGESTATO
Potere calorifico medio di 23
MJ/Nm3 costituito da:
Può essere di composizione diversa a
seconda del tipo di materiale trattato e
soprattutto del processo adottato;
Metano 65-70 %;
Anidride carbonica la restante
parte in funzione del tipo di
sostanza digerita e dalle
condizioni di processo
Ottimo fertilizzante poiché parte
dell'azoto che avrebbe potuto andare
perduto sotto forma di ammoniaca è in
una forma fissata e quindi direttamente
utilizzabile dalle piante;
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Prodotti del processo di DA - Biogas
La digestione anaerobica di circa 25mila ton/anno di rifiuto organico da RD è
in grado di alimentare un generatore della potenza di 1MWe (in grado di
soddisfare il fabbisogno energetico di circa 2.500 famiglie).
La trasformazione del biogas in energia può avvenire per:
combustione diretta in caldaia, con produzione di sola energia
termica;
combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per la produzione
di energia elettrica;
combustione in cogeneratori per la produzione combinata di energia
elettrica e di energia termica;
uso per autotrazione come metano al 95% (utilizzo avanzato nei
soprattutto nei paesi del Nord Europa)
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Prodotti del processo di DA - Digestato
Compost di qualità
 Commercializzato con le indicazioni
e i limiti indicati nella legge
sui Fertilizzanti (D. Lgs. 217/06);
Il Consorzio Italiano Compostatori (CIC) è promotore e Ente
Certificatore della certificazione volontaria;
Il Marchio di Qualità rappresenta uno strumento utile sia ai
produttori di ammendante per monitorare la produzione e la
qualità del prodotto, sia ai consumatori potenziali per verificare la
qualità dell’ammendante richiesto e/o utilizzato.
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La DA in Europa
 Circa 1600 digestori operativi
nella stabilizzazione dei
fanghi di depurazione.
 Circa 400 impianti di biogas per il trattamento delle
acque reflue industriali ad alto carico organico.
Oltre 3000 impianti operanti su liquami zootecnici in
particolare in Germania, Austria, Svizzera, Italia, Danimarca
e Svezia.
Circa 130 impianti di digestione anaerobica trattano
ciascuno più di 2500 t/anno di frazione organica di
rifiuti urbani e/o residui organici industriali.
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La DA in Italia e Europa
 Volume di digestione: 6600 m3
(2 reattori da 3300 m3 ciascuno)
 Temperatura di processo: 50FC
 Tempo di ritenzione (HRT): 16 giorni
 Liquami zootecnici 90000 t/anno, scarti organici
agro-industriali 20-25000 t/anno, FORSU 4000 t/anno
 Produzione di biogas: circa 3,5 milioni di m3/anno
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La DA in Italia
•154 reflui zootecnici
– agroalimentare –
colture energetiche
•121 depuratori civili
•9 rifiuto organico
•22 industria
alimentare
EurObserv’ER stima per
l’Italia una produzione di
biogas nel 2006 di 353 ktep
(circa 4 milioni di MWh);
Circa l’80% di questa
produzione è dovuta al
recupero di biogas dalle
discariche per RU;
Il fabbisogno di Energia
Elettrica in Italia per il 2006 è
stato di 337 milioni di MWh
306 impianti
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La DA in Italia
La maggior parte (oltre 100) sono operativi in allevamenti
zootecnici, in particolare suini, e sono di tipo aziendale;
Quasi tutti, poi, operano al nord, in particolare in Lombardia,
Trentino-Alto Adige, Emilia-Romagna e Veneto;
Alta diffusione di impianti per la stabilizzazione dei fanghi di
supero dei depuratori delle acque reflue urbane  possibilità di
codigerire anche liquami zootecnici e/o altri scarti agroindustriali,
con un importante beneficio energetico (aumento del biogas
prodotto) e in certi casi anche con un miglioramento dell’efficienza
del processo di depurazione stessa.
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La DA in Italia e Europa
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Valutazioni economiche
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Valutazioni economiche
I COSTI DI INVESTIMENTO dipendono:
dalle caratteristiche dell’impianto (di tipo semplificato, completamente miscelato,
coibentato e riscaldato ecc.);
dai materiali avviati a digestione (solo liquami zootecnici, liquami zootecnici +
colture energetiche e/o scarti agroindustriali ecc.);
Impianto completo di DA dotato di
pretrattamento, reattore, cogenerazione,
maturazione aerobica, depurazione reflui
Solo impianto di compostaggio
400 – 800 euro/t anno
200 – 500 euro/t anno
*(ton . Anno = potenzialità annua dell’intero
sistema di trattamento)
Valori più bassi su impianti di grandi dimensioni con potenzialità maggiori di 5070.000 ton/anno.
Il tempo di ripagamento dell’investimento (pbt) è in genere di
circa 4-8 anni.
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Valutazioni economiche
Fondamentale importanza hanno, nel conto di esercizio dell’impianto,
i certificati verdi
Tale incentivo deve essere sommato, solo per la parte di energia ceduta all’esterno
e quindi al netto degli autoconsumi, al prezzo di cessione dell’EE al gestore
ESEMPIO (dati CV 2006)
Az. Mengoli Castenaso (BO)
Bovini da latte (100 capi in
produzione)
2 digestori (1200 m3 ciascuno)
1 cogeneratore da 110 kWe
EE netta prodotta = 1.159.000 kWh/anno
Ricavi:
Valore EE ceduta (0,075 € /kWh) = 98.555 € /anno
Valore CV (0,109 euro/kWh) = 140.363 € /anno
Totale ricavi = 238.878 €/anno
Costi esercizio:
Service cogeneratore (0,02 €/kWh) = 25.755 €/anno
Esercizio impianto = 40.000 €/anno
Produzione mais = 17.900 €/anno
Totale esercizio = 83.655 €/anno
Costo investimento circa 670.000 `
PBT=4,3 anni (3 anni con un contributo del 30%)
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Valutazioni economiche e Ambientali
Il contributo alla riduzione delle emissioni serra in
EUROPA:
Si stima per paesi dell’Unione Europea una potenziale
riduzione, grazie all’applicazione della Digestiona Anaerobica,
delle emissioni dimetano di circa 20 milioni di m3/giorno;
Ciò significa una riduzione di circa 300.000 t/giorno di CO2
equivalente, un valore che corrisponde a circa il 3,6%
dell’emissione globale (a livello UE) di CO2 o a circa il 50% della
prevista riduzione di emssioni di CO2 per i paesi della UE
secondo gli accordi della Conferenza di Kyoto.
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