Report n. 2. Secondo stato di avanzamento lavori

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1 Report n. 2 Secondo stato di avanzamento lavori PROGETTO: Produzione di biogas da biomasse vegetali e reflui zootecnici: ottimizzazione del processo e innovazione tecnologica (PROBITEC) Il responsabile del Progetto Dott. Fabio Araldi Il responsabile Scientifico del Progetto Prof. Pierluigi Navarotto Visto, Il Dirigente Dott. Mario Marchesi

2 Riferimenti programmatici: - Convenzione Quadro Regione Lombardia ERSAF di cui alla d.g.r. 29/03/2006 n Programma annuale anno 2007 d.g.r. 28/02/2007 n. 4198, - Obiettivo programmatico ERSAF n. 2.1 Sistema di servizi integrati al sistema agroforestale. - Area progettuale n Ricerca applicata, sperimentazione e sviluppo dell innovazione Con la presente si relaziona in ordine alle attività realizzate nell ambito del Progetto Produzione di biogas da biomasse vegetali e reflui zootecnici: ottimizzazione del processo e innovazione tecnologica (PROBITEC) successivamente all invio del primo rapporto sullo stato di avanzamento dei lavori del novembre Scopo della sperimentazione Scopo generale del progetto è di affrontare il problema della produzione di energia da biomasse per via biologica, adeguando la tecnologia esistente alle esigenze della situazione agrozootecnica della Lombardia e apportando innovazioni tecnologiche ai processi al fine di incrementare la produzione di energia. Più in particolare gli obiettivi del progetto sono: 1. mettere a confronto varie colture vegetali al fine di verificare quale sia quella più produttiva ai fini della resa in metano, considerando anche i costi della coltivazione. In altri termini fare un valutazione comparata dei costi-benefici dell utilizzo di diverse colture, al fine di indicare (per le condizioni del suolo, del clima, dei costi di coltivazione e dei benefici derivanti dal recupero di energia ecc) quale sia la più idonea; 2. ottimizzare il processo di digestione anaerobica in funzione della materia prima introdotta nei bioreattori; 3. mettere a punto, su bioreattori di laboratorio, una metodica atta a valutare la produzione di biogas ottenibile dalle varie biomasse e la sua qualità (% di CH 4, CO 2 e H 2 ); 4. indagare sugli stessi bioreattori la possibilità di gestire il processo con modalità che consentano il recupero di idrogeno molecolare; studiare su scala di laboratorio e di impianto pilota i processi anaerobici di digestione termofila, al fine di incrementare la riduzione di sostanza volatile e la produzione di metano. Sperimentazione con l impianto pilota L impianto pilota messo a punto dalla ditta Piantoni Ecologia srl nel maggio 2007, dopo avere completato gli opportuni allacciamenti di cantiere, nel febbraio 2008 è stato consegnato presso la sede ERSAF dell azienda Agroforestale Carpaneta a Gazzo Bigarello (MN). Pagina 2 di 10

3 Sin da subito si sono evidenziate alcune criticità relative a vari aspetti del suo impiego nella sperimentazione; nella tabella seguente sono riassunte tali criticità e, contestualmente, sono indicate le azioni correttive intraprese: Criticità rilevata Impossibilità di diversificare le temperature dei due digestori. Impossibilità di prelevare il gas dai digestori. Difficoltà nello scarico dei digestori. Impossibilità di registrazione dei dati di produzione. Impossibilità di leggere i dati di produzione dei due digestori separatamente. Perdita di gas dovuta a mancate accensioni della torcia. Azione correttiva Modifica al quadro di comando per poter gestire separatamente le condizioni di processo dei due digestori. Installazione di cannula di rame provvista di rubinetto per il prelievo del gas in cima ai digestori. Apertura di rubinetti di sfiato che impediscono sifonamenti e su cui intervenire manualmente per risolvere intasamenti. Modifica al software e al plc con installazione di presa usb per scaricare i dati richiesti. Posizionamento di 2 differenti strumenti di lettura del volume di biogas prodotto collegati al quadro di comando. Installazione di ulteriore contatore gas svincolato dal funzionamento della torcia. Descrizione dell impianto L impianto pilota per la produzione di biogas è costituito da due digestori del volume di 5m 3, dotati di sistema di miscelazione, in grado di funzionare sia in parallelo che in serie in modo da garantire la massima flessibilità di utilizzo (figura 1). A lato dei due digestori anaerobici si ha la campana gasometrica del volume di 1m 3 per l accumulo del biogas. Per l alimentazione dei digestori sono disponibili due serbatoi di 0.7m 3 di capacità, dotati di un sistema di miscelazione e collegabili alternativamente alla pompa do alimentazione, all interno dei quali avviene la preparazione dell ingestato mentre, per quanto concerne il riscaldamento dei due digestori, si utilizza una caldaia a GPL della potenza di kcal/h. Per la raccolta del digestato In uscita all impianto sono state predisposte due distinte vasche (figura 2). Pagina 3 di 10

4 Figura 1: veduta dell impianto pilota per la produzione di biogas Figura 2: vasca per la raccolta del digestato L impianto, in grado di funzionare in continuo, è dotato della seguente strumentazione per potere monitorare ciascuna fase del processo fermentativo e avere indicazioni sui parametri quali-quantitativi relativi al biogas prodotto: 1. Misuratore di portata dell ingestato TECFLUID XT5M. E un misuratore di portata a induzione magnetica che è posto sulla linea di alimentazione dei digestori e che permette di misurare la quantità di biomassa quotidianamente immessa nei digestori. Per il proprio funzionamento, si basa sulla legge di Faraday dell induzione elettromagnetica: se in un campo magnetico viene fatto muovere un conduttore,all interno di esso si induce una tensione (figura 3) Pagina 4 di 10

5 Figura 3: illustrazione dello misuratore di portata e del principio di funzionamento del sistema di misurazione Il segnale indotto è proporzionale all intensità del campo magnetico, alla distanza tra gli elettrodi e alla velocità media del fluido secondo la seguente relazione: Ue = K B D v Dove: - Ue = tensione misurata ai capi degli elettrodi - B = induzione magnetica - D = distanza degli elettrodi - V = velocità del liquido nel tubo di misura Dalla misura della velocità (ricavata dall equazione precedente) e una volta noto il diametro del tubo di misura, può essere ricavato il valore di portata. I vantaggi di questo tipo di sensori sono legati al fatto che: i) non si hanno ostruzioni legate alla presenza di parti in movimento; ii) la misura è indipendente da temperatura, pressione e viscosità del liquido che scorre nel tubo; iii) esiste una corrispondenza lineare fra segnale e portata da misurare. 2. Misuratori di livello ED-701 : sono misuratori di livello che rilevano la pressione del liquido e la trasmettono al quadro di comando. Il sensore è costituito da silicone piezo-resistente (i materiali "piezo" sono dei materiali che generano una differenza di potenziale quando sono sottoposti a una forza o vibrazione) fissato su di una base di vetro a sua volta fissata su di un supporto in acciaio inossidabile per avere un buon isolamento termico del medesimo. Il Pagina 5 di 10

6 sensore è anche a sua volta isolato dal digestato da un diaframma in acciaio e nell intercapedine che si forma è posto un liquido di riempimento. L indicazione del livello del digestato nei digestori è determinata per differenza di pressione fra lo strumento posto alla base e quello posto in prossimità dell estremità superiore del digestore. 3. Sonde termometriche PT-100 : sono sonde termometriche con termo-resistenza al platino che trasmettono al quadro di comando principale la misura di temperatura rilevata nel materiale in fermentazione di ciascun digestore. 4. Misuratori della portata di biogas FCI (Fluid Components International): sfruttano il principio della dispersione termica. Tipicamente l elemento sensore è costituito da 2 sensori di temperatura in platino, opportunamente rivestiti e quindi isolati dal gas che scorre nel tubo (figura 4). Per la misura uno dei due sensori è riscaldato mentre il secondo no: la differenza di temperatura fra i due sensori dipende sia dalla velocità del fluido nel tubo sia dalle caratteristiche intrinseche del fluido: flussi molto alti, così come fluidi con densità molto elevata determinano un marcato raffreddamento del sensore riscaldato (Heated Sensor, figura 4) e dunque una riduzione della differenza di temperatura fra i sensori. Figura 4: illustrazione flussimetro e del suo principio di funzionamento. La misura della differenza di temperature fra i due sensori ( T) è direttamente proporzionale al flusso di massa del biogas nei tubi di raccordo fra i digestori e la campana gasometrica. Per il controllo della qualità dei biogas si utilizza invece uno strumento portatile: l analizzatore LFG20 prodotto dalla ditta ADC. Si tratta di un analizzatore portatile per misurare la concentrazione di Ossigeno (O 2 ), Metano (CH 4 ) e Anidride Carbonica (CO 2 ) le cui percentuali sono visualizzate in continuo sui corrispondenti display posti sul pannello frontale dello strumento (figura 5). Pagina 6 di 10

7 Figura 5: analizzatore portatile di biogas LFG 20 L'analizzatore LFG20 utilizza una cella elettrochimica a lunga durata per la misura dell'ossigeno, e la dispersione all'infrarosso per l'anidride carbonica ed il metano. Lo strumento è dotato di una pompa di aspirazione del biogas della portata di 200 ml/min (3.33 ml s -1 ) e presenta i seguenti campi di misura con le relative accuratezze: i. CO 2 : campo di misura 0 10% (precisione ±0.5%) ii. CH 4 : campo di misura 0 100% (precisione ±0.5% dallo 0 al 10%; precisione ±3% dal 10 al 50%; ±5% dal 50 al 100%) iii. O 2 : campo di misura 0 25% (precisione ± 0.4%) Avanzamento dei lavori Di seguito sono riassunte le milestones che fin ora hanno caratterizzato la sperimentazione condotta con l impianto pilota: 7-10 febbraio 2008 Esposizione dell impianto alla Fieragricola di Verona 11 febbraio febbraio 2008 Consegna dell impianto presso l azienda Agroforestale Carpaneta a Gazzo Bigarello (MN) Messa in funzione dell impianto con verifica del funzionamento generale e acqua riempimento al 50% dei digestori con acqua: inizio del riscaldamento dei digestori. 21 febbraio 2008 Inizio caricamento giornaliero con liquame bovino 28 febbraio 2008 Modifica del software di gestione dell impianto da parte dei tecnici della ditta Piantoni Ecologia per avere la possibilità di far funzionare i due digestori a differenti temperature. 3 marzo 2008 Definizione del programma di caricamento dell impianto pilota. Pagina 7 di 10

8 12 marzo Aprile Aprile 2008 Incontro fra ERSAF, Università di Milano, ditta HAC-LANGE Italia e ditta IDROENGINEERING per valutare: 1. la possibilità di implementare la dotazione tecnologica dell impianto con nuovi sensori in linea e strumenti di analisi da laboratorio dedicati al biogas (HAC-LANGE) 2. con la ditta IDROENGINEERING è stata valutata la possibilità di posizionare a valle dell impianto PROBITEC un attrezzatura per il trattamento del digestato liquido con riduzione dell azoto. Incontro fra ERSAF, Università di Milano (VSA prof Navarotto e DISTAM) - HAC-LANGE Italia HAC-LANGE Germania Piantoni Ecologia. E eseguita l installazione sull impianto di sonde che consentano l analisi in continuo di ph, temperatura, potenziale Red/Ox e analisi solidi delle matrici in ingresso ai digestori. Si è anche verificata la disponibilità di una strumentazione specifica per la determinazione dell indice FOS/TAC operativamente utilizzato per la verifica del corretto funzionamento del processo di digestione anerobica. attivata Attivazione della possibilità di eseguire un collegamento remoto tramite modem GSM. 7 Maggio Maggio 2008 Presso l azienda Carpaneta si è tenuto un incontro fra Università di Milano (VSA) e alcuni tecnici ERSAF per la verifica dei primi dati rilevati, valutare l operatività dell impianto e riverificare il protocollo di campionamento e di analisi delle matrici in entrata e del digestato. Modifica del sistema di misura della produzione di biogas mediante installazione di un secondo contatore così da rendere completamente indipendente la misurazione del biogas prodotto in ciascun digestore dal sistema di accensione della torcia e Implementazione dell impianto pilota e della sperimentazione: benefici e ricadute. Come evidenziato nel precedente schema, i lavori del progetto PROBITEC sono seguiti con interesse da alcuni soggetti privati (HAC LANGE e IDROENGINEERING) che hanno manifestato interesse nel potere contribuire con le proprie competenze e i propri prodotti per l implementazione sia del protocollo sperimentale, sia della dotazione strumentale dell impianto pilota. HAC-LANGE Italia La ditta HAC LANGE ha sviluppato in Germania le proprie competenze nei controlli di processo per la conduzione degli impianti di biogas ed è disponibile a collaborare al progetto fornendo un pacchetto di sensori per il monitoraggio in continuo delle caratteristiche dell ingestato. Tali sonde devono pertanto essere inserite sul tratto in comune della linea che alimenta ciascun digestore da 5m 3. In base all esperienza tedesca,infatti, l ottimizzazione della produzione di biogas avviene attraverso il controllo dei seguenti parametri critici: Pagina 8 di 10

9 - ph: in base all esperienza tedesca non è vantaggioso che il ph sia troppo elevato, e sono consigliati valori di ph compresi nell intervallo Una misurazione in continuo del ph fornisce una prima indicazione di ogni eventuale problema del processo. La sonda proposta attua una misura di ph differenziale e per le proprie caratteristiche costruttive (elettrodo di misura a contatto con l ingestato mentre quello di riferimento è incamiciato nella struttura e immerso in una soluzione tampone che fluisce attraverso setto poroso) può garantire una buona autonomia e minima spesa per la manutenzione. - Potenziale Redox: il processo di fermentazione anaerobica, per le proprie peculiarità, induce delle oscillazioni di ph nella biomassa da cui viene generato il biogas. Il potenziale redox è una misura dell ossidabilità o della riducibilità del contenuto del digestore e con questa sonda è possibile conoscere più da vicino tali caratteristiche. Poiché i substrati che promuovono l ossidazione della sostanza organica contengono gruppi ossigeno, solfato e nitrato il loro impiego, cambiando significativamente il potenziale redox della biomassa, induce inevitabilmente variazioni di ph: la misurazione in continuo del potenziale redox permette di rilevare per tempo la variazione di ph consentendo l adozione delle appropriate azioni correttive. In base alla loro esperienza, il potenziale redox della biomassa deve essere compreso fra -300 mv e mv. - Solidi sospesi: il contenuto in solidi sospesi è importante per la conoscenza del carico del digestore. Se tale contenuto è troppo alto si corre il rischio di sovraccaricare il digestore (e dunque è necessario agire riducendo la concentrazione in solidi sospesi della biomassa in entrata). Oltre alle sonde per il monitoraggio in continuo delle caratteristiche chimico-fisiche dei substrati da utilizzarsi per la produzione di biogas, consegnate sono state messe a disposizione dei tecnici ERSAF anche alcune attrezzature utili per le analisi di laboratorio fra cui un titolatore automatico per la definizione dell indice FOS/TAC derivante dalla determinazione volumetrica degli acidi organici e della capacità acida (mg/l di CaCO 3 ) delle matrici in ingresso unitamente ad alcuni test in cuvetta da impiegarsi per la determinazione del COD, dei nitrati e dell azoto totale. Questo primo periodo di lavoro ha consentito di mettere a punto l impianto pilota superando tutta una serie di difficoltà, peraltro tipiche della ricerca applicata, e di affinare il protocollo di ricerca per poterlo svolgere nel modo più accurato. Una delle criticità, peraltro attualmente in fase di risoluzione, è quella relativa alla corretta misurazione dei volumi di biogas che si generano all interno di ciascun digestore poiché la strumentazione dell impianto, seppur innovativa, non consentiva inizialmente di potere valutare correttamente tali volumi. Per questo si è provveduto all installazione in ogni digestore di un misuratore volumetrico utilizzando il misuratore preesistente come controllo della produzione progressiva. Nei prossimi giorni si procederà alla verifica e alla validazione di tali nuove soluzioni. Pagina 9 di 10

10 In tabella 1 è di seguito riportata l evoluzione nel tempo delle quantità di biogas prodotte, della relativa % in metano e dell indice FOS/TAC. Tabella 1: alcuni parametri relativi all andamento della digestione anaerobica nei due digestori (indicati con le lettere A e B) dell impianto pilota. Data t nel digestore ( C) Biogas prodotto (Nm 3 /d) % CH 4 nel biogas Indice FOS/TAC A B A B A B A B 19/05/ /05/ /05/ /05/ /05/ /05/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ In quanto mostrato è evidente l importanza della collaborazione cercata e trovata in alcuni soggetti privati (HAC-LANGE Italia) che ha consentito e consentirà di implementare significativamente la qualità e l affidabilità dei dati raccolti. Pagina 10 di 10