Mercoledì 28 Marzo Bologna, FICO FORUM SINERGIE IGW SRL EFFICIENTAMENTO E MONITORAGGIO. Claudio Fabbri

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1 FORUM SINERGIE IGW SRL Mercoledì 28 Marzo 2018 Bologna, FICO EFFICIENTAMENTO E MONITORAGGIO DEL PROCESSO BIOLOGICO DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali (CRPA), Reggio Emilia CRPA Lab, Reggio Emilia

2 FILIERA BIOGAS: LIVELLI DI INTERVENTO AGRONOMIA & SOTTOPRODOTTI LA CARATTERISTICA CIRCOLARE DELLA FILIERA BIOGAS IMPONE ALL IMPRENDITORE DI RAGIONARE IN TERMINI DI EFFICIENZA A 360 Agronomia: interventi sulla produttività areica e sui costi di produzione DIGESTATO DA DA: rese di conversione e flessibilità impiantistica Digestato: utilizzo e integrazione con la fertilizzazione

3 L IMPIANTO DI BIOGAS E un sistema programmabile e prevedibile in cui le leggi della biologia in primis, della chimica, della fisica e della meccanica determinano il risultato Conoscere e modellizzare può aiutare a prevenire i problemi e le perdite di produzione: sono sufficienti livelli di modellizzazione semplici per avere ottimi risultati in termini di monitoraggio

4 PREVEDERE LA PRODUZIONE ELETTRICA (kwe) Dove: Qi = quantità di ogni biomassa caricata (t/gg); STi= sostanza secca di ogni biomassa caricata (g/kg); SV/STi= percentuale di sostanza organica di ogni biomassa caricata (%); BMPi= potenziale metanigeno di ogni biomassa (Nm 3 CH 4 /tsv) PCI = Potere calorifico inferiore del metano (kwh/nm 3 ) η = rendimento elettrico del cogeneratore (%)

5 PREVEDERE LA PRODUZIONE ELETTRICA In digestione anaerobica il contenuto energetico di una matrice organica viene prima convertito in un biocombustibile per mezzo di una flora batterica e poi in energia elettrica e termica

6 VALORE BIOMASSE Il valore delle biomasse e la loro potenzialità produttiva, per quanto banale possa sembrare, dipendono in primo luogo dal contenuto idrico e dai Sali minerali

7 STRUMENTAZIONE UTILE PER AUTOMONITORAGGIO Stufa ventilata per determinare sostanza Secca (105 ) Bilancia a 1 decimale Muffola per determinare Ceneri (550 C)

8 PREVEDERE LA PRODUZIONE ELETTRICA Le potenzialità di applicazione di questa semplice formula sono molto elevate: 1. Modellizzare la produzione attesa 2. Verificare insorgenza di problemi 3. Verificare economicità Atteso Misurato Potenza elettrica

9 COSTO DIETA ( /kwhe) Dove: Qi = quantità di ogni biomassa caricata (t/gg); Pi = prezzo di ogni singola biomassa ( /t) Pe = potenza elettrica media delle 24 ore

10 CRPA Energia & Ambiente LABORATORIO PER LA RICERCA INDUSTRIALE Caratterizzazione di matrici ambientali, biomasse agricole, scarti e sottoprodotti agroindustriali Misura del potenziale metanigeno mediante test BMP e in fermentatori pilota per prove di digestione anaerobica in continuo Tecniche di valorizzazione di biomasse e digestato: pretrattamento per aumentare la resa energetica, post-digestione per la valorizzazione dei nutrienti

11 BMP: informazioni ottenibili

12 BMP, cinetica di produzione

13 La variabilità delle matrici

14 Valori medi di resa in metano (m 3 /tsv) per effluenti zootecnici

15 Importanza della «freschezza di una matrice»

16 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche SS [%] NDF [%SS] ADF [%SS] ADL [%SS] ADL/NDF [%] dndf [%NDF] Amido [%SS] Epoca 1 18,91 51,74 32,49 2,95 5,70 60,47 0,23 Epoca 2 26,14 55,44 34,80 3,26 5,88 48,70 0,00 Epoca 3 29,43 58,20 39,11 5,40 9,28 36,52 1,37 Epoca 4 36,95 49,31 32,59 4,78 9,69 33,09 12,65 Correlazione molto alta con fibra degradabile!

17 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche

18 Sansa di oliva 3 fasi Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,6% % 32,8%

19 Sansa di oliva denocciolata Produzione CH4 [Nm3/t SV] ,9 22,922,6 19,7 Kmax 20,420,4 (giorno): 2,9 18,5 11,9 9,7 BMP21 [Nm3/tSV]: 264 Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) 7,7 BMP [Nm3/tSV]: 313 0, Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] (%) (%) , ,4% % 56% 5,5 4,1 3,3 Giorni Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno]

20 Sansa di oliva denocciolata e defibrata Produzione CH4 [Nm3/t SV] ,3 37,4 31,3 Kmax (giorno): 8,1 25,6 27,4 26,8 24,625,3 BMP21 [Nm3/tSV]: 368 BMP [Nm3/tSV]: , ,9 9,9 8,2 6,5 4,9 4, , Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , % % 79%

21 Buccette di pomodor0 Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , % 68%

22 Vinaccia Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,9% % 41%

23 Graspi d uva 100 Produzione CH4 [Nm3/t SV] BMP [Nm3/tSV]: 61 BMP21 [Nm3/tSV]: 32 2,0 1,5 1,0 Kmax (giorno): 11,6 1,1 1,0 0,8 0, Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabili tà SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,4% 60 56% 14% 10 Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno]

24 Quanto digestato produco? (t/gg) Dove: Qtot = quantità totale di prodotti caricati (t/gg) Vbiogas = volume biogas prodotto (m3/gg) ρ = densità del biogas, funzione del contenuto di metano e biossido di carbonio (kg/m3)

25 Quanto digestato produco e quanto costa la relativa gestione?

26 POTENZIALE METANIGENO E AZOTO: OPPORTUNITÀ E GESTIONE Quanto azoto ereditiamo con le biomasse? La composizione chimica delle biomasse influenza direttamente la composizione del «digestante» ed eventuali fattori di inibizione Le concentrazioni di ammonio (ad esempio) possono essere previste e controllate Ammonio (mg/l Misurato Atteso

27 E NECESSARIO LAVORARE SULL EFFICIENZA DI IMPIANTO? Un indagine CRPA sul potenziale metanigeno residuo ci dice che ci sono margini per incrementare dal 3-5% al 10-15% la conversione delle biomasse in gas

28 ESEMPIO APPLICAZIONE RBP VS TEMPO DI RITENZIONE VALUTARE TECNOLOGIE DI TRATTAMENTO, NUOVE BIOMASSE, DEGRADAZIONE DELLA SOSTANZA ORGANICA La quantificazione del potenziale metanigeno residuo del digestato permette di capire se l introduzione di una modifica gestionale nell impianto biogas è migliorativa.

29 Piano di monitoraggio impianto e registri L applicazione di un programma di monitoraggio corretto permette di avere sotto controllo: 1. la dieta e le potenzialità di conversione dell impianto; 2. I costi di produzione 3. Il budget biomasse: confrontando gli utilizzi e le produzioni ottimizzo il piano delle semine e pianifico i «rifornimenti»; 4. Il piano di riempimento delle trincee 5. la necessità di integrazioni extraziendali; 6. il piano di produzione del digestato, le capacità di stoccaggio e il piano di distribuzione: conoscendo quanto digestato produco con la dieta posso pianificare quanti giorni di stoccaggio rimangono; 7. la prevalenza fiscale della produzione; Quanto tempo necessita la registrazione delle informazioni? 30 min/gg

30 Da cosa produco il gas?

31 Piano di monitoraggio chimico standard per impianti 1. Giornaliero: quaderno di impianto con 1. Biomasse utilizzate 2. Pompaggi e tempi di miscelazione 3. Produzioni e autoconsumi 2. Settimanale in impianto: FOS/TAC e ove possibile ST 3. Mensile: ST, SV, ammonio, conducibilità, AGV 4. Trimestrale: micronutrienti 5. Semestrale: RBP

32 Trattamenti Estrusione Triturazione (catene, lame, coltelli) Cavitazione idrodinamica, sonicazione Omogeneizzazione Enzimi, micronutrienti, bioattivatori Idrolisi basica / acida

33 FLESSIBILITÀ PRODUZIONE SPECIFICA Silotriticale Silosorgo Sulla A. donax Siero, Scarti di frutta/verdura, sansa PRETRATT. / IDROLISI Additivi Liquami aziendali & Liquiletami trattati interaziendali Cereali amidacei 1,1-1,7 Nm 3 CH 4 / (m 3. giorno) Sansa di oliva due fasi, siero.. Pollina + Liq. suino Liquami aziendali + Silomais 0,85-1 Nm 3 CH 4 / (m 3. giorno) AUMENTARE LA FLESSIBILITÀ DELL IMPIANTO E MIGLIORARE LA GESTIONE DELLE BIOMASSE Pretrattamenti applicati a specifiche biomasse (es. alto contenuto fibroso) Differenziazione degli stadi di processo (es. Idrolisi ) Linee di carico diversificate (es.: biomasse liquide / solide) Considerare criticità e caratteristiche fisicochimiche dei substrati(es.: sedimenti, contenuto N) Additivi usati in base alle effettive esigenze

34 QUALITÀ DEL BIOGAS (%CH4) CH % BIOMASSE AGRICOLE CARICAMENTO SOLIDI DIGESTIONE ANAEROBICA UPGRADE CH % BIOMASSE AGRICOLE PREVASCA / MIX SOLIDO:LIQUIDO DIGESTIONE ANAEROBICA UPGRADE CH X % BIOMASSE AGRICOLE MIX SOLIDO:LIQUIDO + PRETRATTAMENTI IDROLISI ACIDA DA + METANAZIONE CO 2 UPGRADE

35 REOLOGIA E MISCELAZIONE Non Trattato Cavitazione Cavitaz. + Idrolisi acida EVITARE STRATI FLOTTANTI E SEDIMENTAZIONI È DETERMINANTE La caratterizzazione delle biomasse e l effetto fisico dei trattamenti su di esse può essere valutato con l analisi granulometrica La tendenza del digestato a stratificare è correlata alla viscosità Prove di stratificazione/sedimentazione sono utili per prevenire problematiche all impianto di biogas

36 IDROLIZZARE LE BIOMASSE «COMPLICATE» Non Trattato Cavitazione Cavitaz. + Idrolisi acida anche con altri sottoprodotti: Semi di ortive Mix vinacce / semi di ortive Fieno di scarto Lettiera di tacchino FORSU e in regimi termici diversificati: Mesofilia / termofilia * % degli AGV totali (C2-C7)

37 QUALCHE NUMERO SUL SETTORE

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43 Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti Si tratta di uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione e gestione di un impianto di biogas che per i professionisti che devono progettare. Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico (CIG E45J ) Le linee guida sono disponibili scaricabili in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet zi/e-book/lineebiogas/bovini_da_latte_e_biogas.pdf

44 Grazie per l'attenzione Mercoledì 28 Marzo 2018 Bologna, FICO INNOVAZIONI NELL EFFICIENTAMENTO DEL PROCESSO BIOLOGICO Claudio Fabbri