AGROBIOGAS VALUTAZIONE DELLA PRODUZIONE DI BIOGAS TRAMITE UNO STRUMENTO DI SIMULAZIONE DEL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA

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1 AGROBIOGAS VALUTAZIONE DELLA PRODUZIONE DI BIOGAS TRAMITE UNO STRUMENTO DI SIMULAZIONE DEL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA i risultati del progetto europeo AGROBIOGAS Villaprati di Bagnacavallo, Italia 12 Maggio 2009 Ing. Claudio Lolli RES Società Cooperativa Progetto europeo AGROBIOGAS Output del progetto Le numerose attività di sperimentazione, studio e ricerca sviluppate all interno del progetto hanno permesso di ottenere i seguenti risultati: Database europeo delle matrici European co-fermentation substrate database Modello di simulazione Anaerobic Digestion Simulation Toolkit Strumento di supporto decisionale all investimento Investment Decision Tool Manuale operativo per la gestione di impianti Operational Guidelines Linee guida per l utilizzo del digestato come fertilizzante Recommendations for AD sludge utilisation as a biofertiliser Piattaforma di supporto European Agricolture AD Helpdesk 1

2 European co-fermentation substrate database Contiene numerosi substrati: Liquame suinicolo, sorgo zuccherino, erba medica, mela, arancia, pera, colza, girasole, granella d orzo, orzo primaverile, pisello, glicerina come sottoprodotto della produzione di biodiesel, canna da zucchero, canapa, miscanto e grano Per ciascuno vengono fornite informazioni su vari livelli: Reperibilità, catena di approvvigionamento e condizioni ideali di crescita per le colture Caratteristiche fisiche: resa della coltura, informazioni sulla gestione e sullo stoccaggio etc. Caratteristiche chimiche: ST, SV, COD, VFA, proteine, lipidi, carboidrati, composizione elementare, lignina, cellulosa ed emicellulosa, produzione specifica biogas etc. ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION Sviluppato sulla base dell ADM1 (software di DA per fanghi di depurazione realizzato dall IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes) e rivisitato effettuando le opportune variazioni per poter essere applicato alla DA di substrati differenti Utilizza 41 variabili e 32 processi Collegato al database delle matrici da cui prende i dati di input per le simulazioni Dotato di un interfaccia utente per selezionare i parametri in ingresso e visualizzare le informazioni in uscita 2

3 ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION Per lo sviluppo, la taratura e la validazione del modello sono stati eseguiti numerosi test in batch ed in continuo e sono stati monitorati impianti esistenti effettuando analisi periodiche Gli esperimenti in batch ed in continuo e le analisi chimico-fisiche effettuate hanno permesso di: calcolare la costante di idrolisi identificare le principali frazioni che compongono il COD verificare le cinetiche di degradazione dell acetato e del propionato valutare la possibilità di scomporre la costante generale di idrolisi in costanti specifiche per le differenti frazioni. I dati provenienti dagli esperimenti di laboratorio in continuo e dal monitoraggio di impianti a scala reale hanno permesso inoltre la verifica dei principali output del modello (ph, produzione di biogas, SV, N, VFA etc.) e la validazione dello stesso ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION Utilizzo del software 3

4 ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 1. CARACTERISTICHE DEI SUBSTRATI 2. RISULTATI SPERIMENTALI ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 3. SIMULAZIONE Selezzionare i substrati Aggiungere l alimentazione giornaliera (kg/giorno) Selezzionare la configurazione del sistema >> Model Set-Up 4

5 ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 1. DATI DEL REATTORE TRH Temperatura (35 o 55 ºC) Volume del digestore Alimentazione giornaliera Buffer de controllo del ph >> Update Excel File ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 2. DATI DELLA SIMULAZIONE Giorni di simulazione Partir della simulazione precedente (Current states) >> Run Model 5

6 ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 3. RISULTATI Scegliere la simulazione Mostrare grafici (71 parametri) Comparare le simulazione Guardare i risultati su Excel ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION 6

7 ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION Che puo fare il AD Toolkit? Simulare le condizioni iniziali del digestore Simulare di maniere satisfaciente i cambi di substrati Comparare diferenti configurazione e scenari Modelizare una configurazione di uno e/o due reattori Simulare combinazioni entre 28 substrati diferenti Modelizare la codigestione entre 8 substrati diferenti Proporcionare 71 parametri del proceso di digestione ANAEROBIC DIGESTION SIMULATION Cosa NON puo fare il AD Toolkit? Simulare l avvio del digestore Simulare l efetto delle variazioni de temperatura Modificare le caracterizzazione dei substrati Avvertire l utilizzatore quando la simulazione non e fisicamente fattibile Interpretare i risultati della simulazione Prvedere a 100% il comportamento del digestore 7

8 Investment Decision Tool Lo strumento intende supportare l utente nel valutare la fattibilità degli investimenti finalizzati alla produzione di energia (elettrica e termica) da biogas ed è caratterizzato dalle seguenti funzioni: - raccomandazione su tecnologia e geometria del digestore basata sulla tipologia di matrice o combinazione di queste - stima della produzione di biogas ed indicazioni sulle possibili modalità di utilizzo (es. produzione e vendita di energia) - lista di fornitori della tecnologia - lista di tutti i necessari permessi ed autorizzazioni richiesti dalle varie Autorità specifiche - valutazione economica del caso studio considerato Investment Decision Tool Basandosi sui dati disponibili per le diverse matrici ( Substrate database ) e sugli output del modello di simulazione ( AD Simulation Toolkit ) lo strumento fornisce bilanci di massa ed energia per i differenti flussi all interno dell impianto a biogas analizzato Tenendo in considerazione i prezzi di mercato dei prodotti finali (elettricità, calore e digestato) e possibili rendite supplementari, il valore di mercato di alcuni rifiuti organici (come per esempio sottoprodotti di attività industriali), i costi di approvvigionamento della biomassa, il costo totale di investimento (CAPEX) ed i costi operativi totali su base annuale unitamente ai necessari parametri finanziari, il modello calcola il rendimento economico dell investimento in termini di indicatori economici quali IRR, NPV ed il tempo di ritorno utilizzando l analisi del flusso di cassa 8

9 Investment Decision Tool Input Output Operational Guidelines Il Manuale è suddiviso in 3 sezioni principali: 1. Nozioni di base sulla digestione anaerobica ed indicazioni generali per il funzionamento efficiente dell impianto 2. Analisi specifica dei principali parametri di processo e delle modalità di misura e controllo (ST, SV, COD, tempo di residenza, temperatura, ph, alcalinità, VFA, acido propionico ed acetico, produzione composizione del biogas etc.) 3. Analisi di alcuni problemi concreti, delle possibili cause e dei relativi rimedi 9

10 Recommendations for AD sludge utilization as a biofertiliser Il Manuale è suddiviso in 3 sezioni principali: 1. Descrizione dei benefici correlati all utilizzo del digestato (valore agronomico, vantaggi ambientali e aspetti sanitari) 2. Raccomandazioni per l utilizzo del digestato (modalità di stoccaggio e di applicazione sui terreni, aspetti legislativi) 3. Marchio di qualità per il digestato (confronto fra le situazioni dei diversi paesi europei) Marchi di qualità presenti in Germania per la certificazione del digestato prodotto da rifiuti organici e da colture energetiche Test in batch Per ogni matrice è stato eseguito un test batch di biodegradabilità caratterizzando analiticamente sia il materiale in ingresso al reattore che quello in uscita (ST, SV, COD, VFA, ph, alcalinità, comp. elementare etc.) Le prove hanno seguito la procedura standard SOP 1-01 basata sulla VDI (The Association for German Engineers) guideline 4630 Fermentation of organic materials (2006) Ciascuna matrice è stata analizzata predisponendo tre repliche della miscela composta da matrice+inoculo e tre repliche dell inoculo stesso 10

11 Test in continuo Effettuati su alcune delle matrici analizzate nei test in batch Raggiunta la stabilità nei reattori sono stati effettuati campionamenti per analizzare i seguenti parametri: produzione di biogas (una volta al giorno) composizione del biogas (2 volte a settimana) VFA (2/3 volte a settimana) Acidi Grassi a Catena Lunga - di seguito LCFA (una volta a settimana) COD (2 volte a settimana) ST, SV (2 volte a settimana) Alcalinità (una volta a settimana) ph (una volta al giorno) N-NH3 (2 volte a settimana) Per calcolare le cinetiche del propionato e dell acetato sono state effettuate iniezioni di propionato e acetato analizzando costantemente carboidrati, proteine, lipidi, oltre all acetato e propionato stessi. Costante di idrolisi E estremamente importante in quanto l idrolisi del particolato rappresenta la fase limitante del processo di DA Partendo dall integrazione della cinetica di idrolisi di primo ordine ed interpolando l equazione ottenuta con i dati sperimentali (andamento della produzione di metano nel tempo ottenuto dai test batch) si è calcolata la costante di idrolisi (Kh) per ciascuna matrice. CH 4 = CH 4,max 1 ( t) [ e ] k h 11

12 Frazioni che compongono il COD Le principali frazioni che compongono il COD sono: carboidrati, proteine, lipidi ed inerti La loro identificazione riveste grande importanza in quanto sono caratterizzate da meccanismi di degradazione differenti Le analisi effettuate sulle matrici studiate hanno permesso di definire le percentuali delle diverse frazioni che compongono il COD Cinetiche di degradazione di acetato e propionato La degradazione dell acetato può talvolta essere un processo limitante e il propionato può comportarsi come inibitore Gli esperimenti eseguiti per verificare le cinetiche dei due composti hanno previsto, per ciascuno di essi, l iniezione di piccoli quantitativi (3000 mg/l) nei reattori di laboratorio durante i test in continuo, una volta che gli stessi avevano raggiunto l equilibrio. Dopo l iniezione di acetato e propionato (eseguite separatamente) si è interrotta la normale alimentazione dei reattori e si è monitorata la degradazione dei composti in esame raccogliendo campioni ogni 2 ore per 2 giorni consecutivi. I profili ottenuti, analizzati secondo la cinetica di Monod, hanno permesso di ottenere la costante cinetica (km) e la costante di semisaturazione (KS) per ogni matrice analizzata. 12

13 European Agricolture AD Helpdesk European Agricolture AD Helpdesk Chi è interessato ad un impianto di Digestione Anaerobica può: avere informazioni sulle biomasse utilizzabili e disponibili nel proprio territorio (Substrate database) avere informazioni sulla produzione di biogas relativa alle matrici o miscele individuate (AD simulation toolkit) avere informazioni sulle possibilità di mercato esistenti nel proprio territorio (Investment Decision Tool) avere informazioni sulle strutture e macchinari necessari per realizzare un impianto di digestione anaerobica (Investment Decision Tool) avere prime informazioni sul ritorno economico dell impianto ipotizzato (Investment Decision Tool) avere informazioni sugli aspetti normativi ed I permessi necessari alla realizzazione dell impianto (Investment Decision Tool) avere informazioni sui fornitori delle apparecchiature necessarie (Investment Decision Tool) 13

14 European Agricolture AD Helpdesk Chi possiede un impianto di Digestione Anaerobica può: avere informazioni sulla produzione di biogas a seguito di variazioni sulle matrici in ingresso o sui principali parametri di processo (AD simulation toolkit) avere informazioni sulle strutture e macchinari necessari per realizzare un nuovo impianto o effettuare modifiche a quello esistente per consentire il trattamento di nuove matrici (Investment Decision Tool) avere informazioni sul ritorno economico delle modifiche ipotizzate (Investment Decision Tool) avere informazioni sui fornitori delle apparecchiature necessarie (Investment Decision Tool) avere informazioni su come gestire al meglio il processo ed eventualmente incrementare la produzione di biogas (Operating Guidelines) avere informazioni sull utilizzo del digestato come bio-fertilizzante (Recommendations of AD sludge utilisation as bio-fertiliser) AGROBIOGAS Presentazione del progetto Per maggiori informazioni Helpdesk Europeo per la Digestione Anaerobica: Sito internet del progetto: 14

15 European Agricolture AD Helpdesk Claudio Lolli RES Società Cooperativa Reliable Environmental Solutions Grazie per l attenzione biogas@resitalia.org 15