GASFARM

Reattore innovativo modulare e ad alta efficienza ABR (Anaerobic Buffled Reactor) per impianti di Digestione Anaerobica (DA) di piccola scala

Sebbene, fino al alcuni anni fa, la digestione anaerobica (DA) di piccole quantità di rifiuti organici e alimentari fosse considerata non redditizia, si sta assistendo attualmente ad una sua crescita attraverso l’attuazione di un nuovo modello di produzione di biogas basato su impianti di digestione a piccola scala (c.d. digestione su microscala). Alla fine del 2016, in Europa erano in funzione 130 impianti di digestione anaerobica su microscala (MAD). Più piccole, meno costose, autosufficienti in termini di approvvigionamenti di biomassa, queste unità produttive stanno attirando l’interesse non solo degli agricoltori, ma anche di investitori green (ESG) con l’intento di sviluppare nuove fonti di energia pulita.
In Italia la regolamentazione dell’accesso agli incentivi per la produzione di energia elettrica da biogas si è fortemente orientata nel concedere la premialità ad impianti di piccola taglia, con potenza elettrica installata < 300Kwe (L.145/2018). Addirittura per gli impianti con potenza elettrica installata < 100Kwe è previsto l’accesso diretto agli incentivi gestiti dal GSE senza l’obbligo di iscrizione allo specifico Registro per l’assegnazione del contingente di potenza disponibile, con una notevole semplificazione procedurale. Un altro elemento normativo che avvalora la necessità di cercare soluzioni di piccola scala per le aziende agro-zootecniche è il fatto che detto incentivo è concesso a quegli impianti di produzione di biogas “facenti parte del ciclo produttivo di una impresa agricola, di allevamento la cui alimentazione deriva per almeno l’80 percento da reflui e materie derivanti dalle aziende agricole realizzatrici” (Art. 1, c.954 L. n.145/2018). In altri termini, il Legislatore ha tracciato con grande chiarezza la strada della promozione e incentivazione di modalità di generazione energetica distribuite, circolari (ovvero da materiali di scarto) e su scala aziendale. Questo trend non è solo italiano ma è in atto in tutto il Mondo. Attualmente infatti nel mondo ci sono oltre 20.000 impianti AD su vasta scala e ogni anno vengono realizzati oltre 1.000 nuovi progetti. Tuttavia, il processo di valorizzazione degli scarti organici per via anaerobica ha ancora ampi margini di ottimizzazione. Una modalità di avanzamento tecnico molto promettente è appunto la MAD che si concilia con le tendenze oggigiorno più attuali che prevedono un approccio modulare con il trasporto in container v. Fig.1 e Fig.2) di unità impiantistiche mobili "plug and play" che prevedono procedure di installazione facili e poco invasive, cioè con interventi di cantierizzazione ridotti al minimo. Fig. 1 Esempio di trasporto containerizzato su mezzo di trasporto stradale di un reattore AD (tecnologia non ABR) Fig. 2 Esempio di reattore modulare AD (tecnologia non ABR) adatto ad un’installazione “plug-and-play”Il progetto proposto GASFARM si inserisce in questo contesto, in quanto prevede la realizzazione di un impianto pilota in applicazione di una soluzione tecnologica innovativa che riguarda la reattoristica AD con la finalità di promuovere la conversione della sostanza organica di scarto alto-entropica ed inquinante prodotta dagli allevamenti zootecnici in biogas e biometano. Tale bioreattore innovativo è della tipologia c.d. ABR (Anaerobic Buffled Reactor), tecnologia questa già in uso da molto tempo per applicazioni depuratoristiche ma che non è stata mai implementata per finalità di recupero energetico, ovvero per massimizzare la produzione di biogas. Sereco ha sperimentato in scala di laboratorio e brevettato [ANTONIO POLETTI, ROBERTO POLETTI, LUCA POLETTI European Patent Application No. PCT/IB2013/000551 "Apparatus for the production of biogas and related method" (registered 29/03/2013) concesso il 28/10/2020 con No. 28311 003 B1, depositato in Germania con No. 13720015.0/2831003 e in Italia con No.1410640] un particolare reattore ABR opportunamente modificato nella circuitistica idraulica, nelle modalità di gestione dei carichi organici e dei tempi di residenza. Tale tipologia di reattore, in contrapposizione a quella tradizionale CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) (v. Fig. 3)Fig. 3 Tipologia di reattore classicaè capace di garantire rese di conversione in biogas nettamente superiori, poichè l’ ABR necessita di volumi di reazione significativamente inferiori con conseguenti minori costi di investimento e ridotti ingombri. L’ABR è una sequenza di camere di reazione biochimica separate da setti che isolano parzialmente i compartimenti permettendo comunque il passaggio della biomassa liquida. L’idrodinamica che si instaura permette la deposizione del solido metanigeno sul fondo dei vari comparti che, in sequenza, ospitano le classi specifiche di microrganismi responsabili della conversione della biomassa a biometano (Fig.4). Fig.4 Logica di funzionamento di un reattore ABRQuindi nei comparti prossimali rispetto all’ingresso dell’influente prevarranno i microrganismi idrolitici; in quelli centrali si infeuderanno le comunità trofiche acetogeniche, acidogeniche e idrogenotrofe, mentre nei comparti distali prevarranno i batteri del gruppo degli Archea, i metanigeni. Collegamenti idraulici particolari che mettono in comunicazione le diverse camere, regolari da un sistema di chiusure a valvole ad azionamento meccanico manuale, permettere di compensare qualsiasi squilibrio che potesse eventualmente manifestarsi, o per l’ingestione di inibitori/ tossici o per scompensi nutrizionali (concentrazione sostanze azotate, squilibrio alcalinità/acidità, carenza micronutrienti minerali, ecc…). La ricircolazione tra le camere, richiama da vicino il fenomeno della ruminazione, in cui la digestione di alcuni sostanze alimentari complesse (come la cellulosa) viene perfezionata attraverso la reiezione del bolo alimentare attraverso i vari comparti digestivi. Quindi, se l’ABR può essere paragonato ad un rumine, noto per favorire la produzione di acidi grassi volatili, precursori del metano ed altri biogas, il classico CSTR rappresenta un sistema monogastrico, molto meno efficiente sotto il profilo della metanogenesi. Si tratta quindi di un nature based solution, mimesi tecnologica di fenomeni naturali la cui ottimizzazione funzionale è garantita dalla selezione naturale. Questa soluzione risulta essere estremamente promettente per quelle realtà agro-zootecniche oggi escluse, a causa delle loro piccole dimensioni, dai benefici derivanti dall’adozione della DA. L’iniziativa è orientata innanzitutto a favorire l’empowerment dei piccoli e medi imprenditori agricoli per renderli quanto più autonomi negli approvvigionamenti energetici. La microdigestione permette quindi all’allevatore di rendersi autonomo e di alimentare l’impianto con i soli prodotti dell'azienda. Inoltre, viene favorita la compliance delle attività agro-zootecniche alla normativa ambientale e sanitaria, in quanto il processamento anerobico dei liquami e letami grezzi (raw manure) sanifica la matrice dai principali microrganismi patogeni e produce un digestato il cui spandimento sui campi (fertirrigazione) non solo è facilitato dalla normativa ambientale e PUA (rispetto al liquame grezzo) ma è pure avvantaggiato in termini tecnici (migliore spandibilità) e agronomici (maggiore quota azoto solubile e biodisponibile). Altri vantaggi interessanti per l’allevatore derivante dall’adozione della AD sono:• distruzione dei semi infestanti • riduzione degli odori • produzione di calore in eccesso utile per il riscaldamento di edifici ed annessi produttivi • riduzione dei gas serra legati al letame zootecnico e al consumo energetico, in quanto l’evoluzione di metano, potente gas serra; risulta controllata e convogliata, evitando così la dispersione indiscriminata in atmosfera • riduzione del trasporto degli scarti organici per il loro trattamento in impianti collocati a grande distanza dal sito di produzione; • integrazione del reddito aziendale e diversificazione della propria attività Tutto questo configura un’evoluzione dell’azienda zootecnica verso modelli non più centrati unicamente sulla catena di valore alimentare (a volte con margini di guadagno molto ridotti ma impatti ambientali significativi come nel caso della soccida) e caratterizzati da un enorme consumo di risorse energetiche ed ambientali accompagnato da impatti sull’ambiente significativi, ma capaci di creare valore aggiunto in filiere apparentemente avulse dalla mission aziendale “classica” (come appunto la produzione energetica). Di qui la dizione “GASFARM” attribuita alle aziende agro-zootecniche capaci di circolarizzare i propri processi produttivi (nello specifico recuperando biogas ed energia da scarti che altrimenti finirebbero “linearmente” sul suolo o sui corsi d’acqua) riducendone gli impatti con una visione moderna ed innovativa del proprio ruolo nell’economia e nella società.Non ultimo, il progetto si inserisce in un quadro agro-ambientale di grande respiro, in quanto la conversione della quota di C organico in CH4 (recupero energetico) si aggancia ad altri recovery streams (nutrienti e acqua di irrigazione), configurando un approccio circolare all’economia di tipo olistico (v. figura 5. ).Fig. 5 Esempio agro-economia circolare con evidenziati i recuperi di energia, nutrienti e acqua (Gasfarm-Nutrifarm concept) [tratto dai Proceedings del Progetto Re-Live Waste finanziato dal programma INTERREGMED delle EC).La trans-disciplinarietà del progetto non si irradia quindi al solo settore energetico, grazie al concetto di distribuzione dell’energia e delocalizzazione delle unità di produzione energetica, ma anche a quello, più ampio, agro-ambientale, ecologico, agro-economico e sociale. Spunti di innovazione scientifica importanti che potrebbero coinvolgere Università di Centri di Ricerca provengono dalla possibilità di isolare e classificare le popolazioni di microrganismi che si formano nelle camere di reazione del reattore ABR. Ne potrebbero derivare attività di ricerca in ambito microbiologico con particolare riferimento alla classificazione dei consorzi microbici anche con tecniche avanzate di biologia molecolare La digestione anaerobica su microscala è destinate a piccolo-medie di aziende agricole (SMF, Small-medium farms). Le unità di produzione MAD sono inferiori agli 80 kWe spingendosi fino ad un minimo di 10-20 Kwe compatibilmente con la potenza dei cogeneratori disponibili sul mercato.

Il key challenge dell’iniziativa di Sereco è il lancio del sistema AD ABR-based sul mercato per la cui realizzazione è indispensabile testare un impianto AD pilota con reattore ABR in un sito dimostrativo. Il sito individuato è quello dell’azienda Checcarini di Marsciano che possiede INDICARE NUMERO DI CAPI A CICLO E NUMERO DI CICLI ALL’ANNO capi suini. Nello specifico, il progetto ha la finalità di installare presso l’azienda Checcarini un ABR-reactor dimostrativo che funga da pilota per i) dimostrare l’efficienza della produzione di biogas ii) fungere da parametrizzatore in scala superiore a quella finora ottenuta di laboratorio (bench-scale) iii) ottenere risultati utili per poter dimensionare un pilota dimostrativo full-scale prodromico al lancio sul mercato.
Da calcoli simulativi progettuali si ritiene che un reattore ABR full-scale capace di supportare una potenza elettrica di 60-70 Kw debba avere un volume di ca. 110 m3. Come ipotesi sperimentale di progetto si assume che il prototipo sperimentale da utilizzare sarà in scala a 1:180 rispetto a quello reale, quindi con un volume di ca. 600 l.
L’obiettivo che ci si prefigge è di ottenere allo stato stazionario almeno il 90% della resa specifica di biogas tipica per le biomasse in questione, che per i reflui zootecnici è di 650-750 Nmc/t SV con un contenuto di biogas di almeno il 60-65% con il raggiungimento del 50% della resa massima intorno ai 10-25 gg dallo start del processo e il 90% intorno ai 20-30 gg.
Il SRT (Sludge Retention Time) atteso dovrà essere > 20gg.
L’ottenimento di tali risultati, confermato in almeno 3 cicli distinti di prova, permetterà di sostenere l’ipotesi secondo cui il processo sia coerente con gli obiettivi del progetto, ovvero che sia possibile passare ad un prototipo full-scale pre-industriale da 60-70 Kwe. Queste evidenze potrebbero portare al coinvolgimento di investitori industriali o finanziari e all’interessamento di allevatori ed altri stakeholders produttivi.

1) DIMENSIONAMENTO, PROGETTAZIONE, REALIZZAZIONE E INSTALLAZIONE IMPIANTO PILOTA GASFARM

1.1) Analisi dello stato dell’arte e dei fabbisogni. Sopralluogo nelle aziende
E’ stato visionato il sito in cui verrà ospitato l’impianto sperimentale per definire la miglior collocazione in relazione all’ottimizzazione della rete di alimentazione del liquame.

1.2) Definizione dei parametri sperimentali e progettuali
1.2.1) Analisi delle biomasse e loro disponibilità
E’ stato caratterizzato a fondo l’influente biometanigeno (liquame suinicolo) attraverso l’esecuzione di analisi chimiche e chimico-fisiche di laboratorio su più campioni avendo applicato un opportuno disegno sperimentale. Come risultato si sono ottenuti elementi utili alla definizione delle leggi di carico e diluizione (attività 1.2.2). Attraverso i test BMP a miscelazione continua bench-scale sono state previste sperimentalmente le rese attese di biogasificazione

1.2.2) Definizione delle portate e delle leggi di carico
Sulla base degli output dell’attività 1.2.1 sono stati stabiliti i volumi e le portate di carico per i testing trials, la scelta tra processi in batch e continui, la definizione dei tempi di residenza idraulica e dei solidi (HRT e SRT) all’interno del reattore, le modalità di ricircolazione tra i diversi comparti del reattore.

1.2.3) Definizione della geometria e volume del reattore
I parametri geometrici e volumetrici sono stati determinati con precisione: reattore in scala 1:180 o 1:108 in volume rispetto ad un reattore containerizzabile 40’’ high da 16 m o 12 m, rispettivamente.

1.3) Progettazione preliminare, definitiva ed esecutiva del reattore
La progettazione si è articolata nelle seguenti fasi:

• Design brief: definizione di una short-list di requisiti essenziali
• Progettazione preliminare: con una prima versione del reattore che è stato soggetto a revisioni ed emendamenti da parte degli specialisti del team di
• Progettazione definitiva utile per la fase di produzione in officina
.
1.4) Realizzazione bioreattore ABR in officina
E’ stata eseguita la costruzione del reattore ABR, con alcune ottimizzazione e migliorie in termini economici, così come previsto dal progetto e rispondente alle esigenze progettuali

1.5) Trasporto ed installazione
Il reattore insieme alle altre componenti ancillari (vasca di omogeneizzazione e di carico), è stato trasferito al sito di prova c/o l’Azienda Checcarini con le linee idrauliche a bordo macchina. Il fornitore ha provveduto, di concerto e in collaborazione con le maestranze alla dipendenza diretta della Azienda Agricola Checcarini, ad effettuare le connessioni idrauliche e ad installare le utenze elettriche. Verifiche sono state effettuate sul funzionamento del sistema di riscaldamento dell’acqua per il mantenimento del reattore AD ABR alla temperatura di esercizio.

2) SPERIMENTAZIONE

2.1) E’ stata eseguita la fase di pre-testing (Collaudo funzionale in bianco) volta a verificare le tenute idrauliche e aerauliche (linea gas) e il corretto funzionamento dei sistemi di trasferimento (pompe, valvole di intercettazione, ecc…)

Va premesso che le attività realizzate con successo nel primo anno di progetto sono preparatorie e prodromiche rispetto a quelle di sperimentazione e testing tecnologici, i cui risultati verranno ottenuti nel corso del 2024. L’aver concluso e portato a buon fine l’opera di concepimento, progettazione, realizzazione ed installazione del reattore innovativo ABR entro l’anno in corso, con la prospettiva di poter eseguire le attività sperimentali previste nel 2024, non può che confermare il fatto che l’implementazione di piccoli impianti di biogas (SSAD/MAD) con la tecnologia innovativa ABR proposta consente il recupero di energia e di nutrienti dalle deiezioni zootecniche consentendo agli operatori del settore di implementare processi più rispettosi dell’ambiente accrescendo i redditi aziendali e, allo stesso tempo, diversificandoli grazie alla vendita o all’autoconsumo dell’energia elettrica e termica prodotta.
L’uso, inoltre, del digestato al posto dei fertilizzanti minerali rappresenta un costo evitato che fa accrescere i margini di reddito per un’azienda agro-zootecnica (F01).
Nel corso del 2023 quindi sono state gettate le premesse per la dimostrazione e il consolidamento di tutti gli altri obiettivi del PSR che qui appresso vengono elencate brevemente:
• Diversificazioni delle attività aziendale e realizzazione filiera industriale locale (F05, F08)
• Riduzione dell’effetto serra e dell’emissione incontrollata di GHG (F17).
• Circolarità dei processi produttivi attraverso l’uso del digestato anaerobico come elemento fertilizzante (F24).
Inoltre, l’argomento oggetto della ricerca, ovvero la promozione della dislocazione in scala diffusa delle fonti di energia, è di forte supporto all’implementazione della strategia bioeconomica della EU attraverso la creazione di opportunità per nuove forme di cooperazione nella produzione, vendita e dispaccio di energia rinnovabile che può fornire alle comunità agricole (convenzionali e organico-biologiche) una fonte extra di reddito contribuendo alla fornitura di energia pulita senza danneggiare l’ambiente
Si può intravedere quindi una straordinaria coincidenza di intenti del progetto GASFARM con la politica ambientale della EU che prevede lo sviluppo di soluzioni e modelli di business sostenibili, tali da ridurre l’emissione di gas serra (GHG) di almeno il 55% entro il 2030 e di conseguire ultimativamente l’azzeramento dei GHG totale entro il 2050.
Va segnalato che anche il piano Horizon HORIZON-RIA HORIZON Research and Innovation Actions 2021-2027, che rappresenta la misura più importante a livello europeo di sostegno alla ricerca applicata, prevede linee di finanziamento e bandi in cui si promuovono il potenziamento della produzione di energia rinnovabile a livello di singola azienda zootecnica
Da uno di questi programmi di ricerca “Enhancing the sustainable production of renewable energy at farm-level” si legge infatti che “Small and medium scale installations can provide opportunities for new cooperation in production, sales and distribution of renewable energy, and thus, can provide agricultural communities (conventional and organic sectors) with an extra source of income, while contributing to clean energy supply for society. If well planned and implemented, such installations can be deployed without harming the environment, or even with positive impacts, for example preserving soils quality, contributing to water retention, avoiding methane emissions or supporting pollination”
Proposte di questo tipo che si collegano anche al Cluster 5 dell’Horizon Europe devono assicurare un adeguato coinvolgimento del settore agro-zootecnico e di tutti gli attori attivi nelle aree rurali

– Rispetto alla competitività e la crescita delle imprese coinvolte
Il risultato ottenuto a livello dell’azienda beneficiaria è stato indubbiamente di aver creato notevole interesse e coinvolgimento nel progetto, oltre che consapevolezza rispetto alla problematica della sostenibilità ambientale e alla ricchezza intrinseca contenuta in materiali considerati di scarsa qualità e problematici che, se opportunamente trattati, consente di ricavare energia e quindi una fonte addizionale di reddito e/&o un costo evitato.

– innovazioni realizzate e, se del caso, le azioni per immettere tali innovazioni sul mercato;

Sono state realizzate innovazioni rilevanti, ad esempio nella definizione di nuove linee idrauliche ed una ottimizzazione dei costi del prototipo che risulteranno di grande utilità nell’upscaling del dimostrativo in ambiente industriale al fine della commercializzazione della tecnologia innovativa di produzione del biogas

– impatti ambientali e sociali importanti (se non sono già coperti nel punto che precede).

Non ci sono impatti ambientali negativi del prototipo sperimentale, atteso che la tecnologia del biogas è intrinsecamente migliorativa sotto questo profilo e, dato appunto il contributo mitigativo sugli impatti ambientali l’innovazione proposta determina, con indubbia certezza, un impatto sociale positivo.

Descrivere le barriere/ostacoli incontrati nella fase di implementazione, e le eventuali azioni messe in atto per raggiungere gli obiettivi previsti.

La fase di implementazione delle azioni ha visto l’insorgenza di alcune problematiche.

Innanzitutto, ci si è trovati ad affrontare l’enorme aumento dei prezzi delle materie prime, soprattutto materiale ferroso e componenti elettriche, con incrementi che, per talune componenti, è arrivato quasi al doppio. Al fine di poter restare entro i limiti del preventivo di spesa stabilito nel 2021, è stata necessaria una reingegnerizzazione del prototipo, con riprogettazione del sistema idraulico, consistente, ad esempio, nella riduzione delle valvole di evacuazione del liquor dai compartimenti e una semplificazione realizzativa (eliminazione delle camere laterali). Si presume che tali modifiche non influenzino negativamente la funzionalità del sistema. Inoltre, un contributo importante è venuto dal fornitore (Umbra Meccanica) che, con grande disponibilità e senso di responsabilità, ha deciso volontariamente di comprimere i margini operativi consentendo la conferma di un budget non più attuale, stante la mutazione radicale dei costi delle commodities e delle forniture industriali occorsi nel 2022.

Un secondo problema, di altra natura, ha riguardato le procedure autorizzative, in quanto l’azienda Checcarini è soggetta al regolamento AIA (Autorizzazione Integrata Ambientale) e, pertanto, è stato necessario informare preventivamente la Regione che, alla fine ha dato il suo assenso all’esecuzione delle attività, non rappresentando modifica sostanziale all’assetto produttivo esistente, né costituendo alcun rischio ambientale.
Dal punto di vista urbanistico, il Comune di Marsciano, solo dopo una lunga istruttoria, ha optato per la trasmissione di una SCIA. Va precisato che tale leggero ritardo non ha modificato sostanzialmente l’efficacia dell’attività progettuale, non avendo inficiato la possibilità di terminare la fase 2.1 entro i termini previsti dal Gannt di progetto (Luglio 2024).