Tre Giorni per la Scuola 13 Ottobre 2011 Città della Scienza Bagnoli Napoli. Energia Alternative e Sostenibilità Ambientale Biogas da Biomasse

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1 Tre Giorni per la Scuola 13 Ottobre 2011 Città della Scienza Bagnoli Napoli Sala Bach 13/10/2011 Sessione C6H6 Energia Alternative e Sostenibilità Ambientale Biogas da Biomasse Prof. Aurelio Pietro Stefanelli Prof. Massimo Cappelluzzo

2 Lo sviluppo sostenibile E un processo di cambiamento per cui lo sfruttamento delle risorse, l orientamento dello sviluppo tecnologico e i cambiamenti istituzionali siano resi coerente con i bisogni futuri oltre che con gli attuali Impone di soddisfare i bisogni fondamentali di tutti e di estendere a tutti la possibilità di attuare le proprie aspirazioni ad una vita migliore (...) Esige non solo una nuova era di crescita economica per nazioni in cui la maggioranza degli abitanti siano poveri ma anche la garanzia che tali poveri abbiano la loro giusta parte delle risorse necessarie a sostenere tale crescita. Obbliga maggiore responsabilità nei confronti degli ecosistemi come parte di una sola comunità. Una siffatta equità dovrebbe essere coadiuvata sia da sistemi politici che assicurino l effettiva partecipazione dei cittadini nel processo decisionale, sia da una maggior democrazia a livello delle scelte internazionali

3 Strategia di sviluppo sostenibile Efficace informazione, non episodica, ma continua ed accurata Necessità di un cambiamento comportamentale dei consumatori, con conseguente utilizzo di prodotti a basso impatto ambientale. Necessità di associare alle conoscenze scientifiche la mentalità del fare, per essere gli artefici delle scelte

4 Energie alternative Fonte di energia differente da quella ottenuta con l utilizzo dei combustibili fossili Il modello di Hubert prevede che il petrolio sia in fase di esaurimento Sostituire la produzione di energia da combustibili fossili con energie alternative rinnovabili cioè tutte le forme di energia generate da fonti che si rigenerano senza esaurirsi e non incidono sulle riserve naturali future. Il protocollo di Kyoto impegna a ridurre le emissioni di gas serra ed individua alcuni settori di intervento Gli scienziati pertanto si sono posti il problema di come attuare le varie direttive, attraverso delle aree operative di intervento per il Risparmio, il Riciclo ed il Riuso Sviluppo delle fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica una delle azioni da intraprendere

5 Digestione anaerobica Bioconversione, trasformazione energetica basata su processo vivente o produzione di energia partendo da materia vivente Processo chimico biologico di trasformazione in assenza di aria della sostanza organica in biogas Matrici organiche: scarti di industrie alimentari, deiezioni animali, raccolta differenziata RSU, fanghi di depurazione. Produzione di fanghi e soluzioni fertilizzanti Reazione non esotermica, consumo di energia limitato al mantenimento della temperatura

6 Produzione di energia da biomasse Le biomasse comprendono tutti quei materiali di origine organica che non hanno subito processi di fossilizzazione, come, per esempio, nel caso degli idrocarburi, e possono essere di origine vegetale o di origine animale. Queste vengono utilizzate per produrre biometano (CH4), che, a sua volta, sarà utilizzato per produrre energia. Il biogas, detto anche gas biologico, è prodotto dalla fermentazione anaerobica di materiali organici vari (fanghi provenienti dal trattamento depurativo di acque di rifiuto, scarti agricoli, biologici, letami, etc.).

7 Composizione del Biogas Componenti Concentrazione Metano % Anidride Carbonica % Idrogeno 1 10 % Azoto 0,5 3 % Ossido di Carbonio 0,1 % Ossigeno Idrogeno solforato Tracce Tracce Composizione variabile al variare dei materiali utilizzati Ossigeno > 0,1 %, perdite nell impianto P.C. del Biogas da Kcal

8 Impiego del Biogas Il biogas trova impiego in tutti quei campi in cui sono utilizzati i combustibili gassosi con alto potere calorifero. L'impiego più frequente del biogas è l'alimentazione di un gruppo elettrogeno per la cogenerazione di energia termica e di energia elettrica. Parte dell'energia può essere utilizzata a livello aziendale, mentre la porzione rimanente di energia elettrica può essere immessa nella rete pubblica e venduta agli operatori del settore a prezzo incentivato. In prospettiva il biogas potrebbe essere utilizzato per autotrazione o immesso, dopo epurazione dell'anidride carbonica, nella rete distributiva del metano.

9 Il progetto Play Energy Progetto didattico realizzato con l'enel e rivolto alle scuole italiane e non. Partecipazione della classe II Chimico con il progetto L'analisi dei processi e la produzione energetica mediante biogas. Fase 1 Ricerca discussione e confronto Fase 2 Realizzazione di un dispositivo sperimentale Fase 3 invio materiali alla commissione Sono stati insigniti con una menzione speciale e nei prossimi giorni verranno premiati durante una cerimonia ufficiale.

10 L ambito didattico Obiettivi da realizzare: Migliorare l apprendimento degli studenti coinvolgendoli in attività pratiche in un ambiente di ricerca; Migliorare i metodi di insegnamento e sviluppare ambienti di apprendimento innovativi; Sviluppare metodologie didattiche appropriate e materiali didattici innovativi; Creazione di rapporti multidisciplinari ed interdisciplinari sul piano dei contenuti del progetto

11 Obiettivi specifici per gli studenti Definire un percorso progettuale (teoria operatività) per lo sviluppo di energie alternative Evidenziare i legami tra ricerca scientifica e vita quotidiana; Trasferire le conoscenze all esterno Acquisire la capacità di interagire con i processi in essere

12 Definizione del percorso Selezione della biomassa Definizione dei parametri operativi Costruzione del reattore anaerobico Attivazione del reattore Controllo del processo attraverso il monitoraggio dei parametri operativi Raccolta del biogas prodotto Elaborazione e sistematizzazione dati Evidenze sperimentali Programmazione ulteriori misure

13 Il biogas Rifiuti organici Biomasse Fermentazione anaerobica Fanghi e soluzioni fertilizzanti Biogas Gas di fermentazione da rifiuti organici (50% CH4, 40% CO2, 10% altri)

14 Dinamica del processo Prima fermentazione parzialmente aerobica. Consumo di O2 e rapido sviluppo di CO2 Liquefazione: la materia organica solida viene decomposta e solubilizzata I batteri aerobici muoiono Inizia la fase anaerobica Fase acidogena: i batteri acido produttori generano acidi deboli (CH3COOH, ): Produzione di CO2 e H2 I batteri acido produttori diminuiscono Aumentano i batteri metaniferi che trasformano gli acidi e i loro Sali in CH4 Il processo si stabilizza

15 Durata del processo Il processo si protrae per g La liquefazione e la fermentazione acida durano 2 settimane La produzione di biogas si attiva nella 3 settimana La massima quantità di biogas si ha nella 4 settimana La produzione continua con quantità sempre più basse fino al 50 giorno Dopo giorni produzione trascurabile con bassi valori di CH4 Il processo si può arrestare e il reattore svuotare

16 Parametri di controllo Temperatura Acidità della massa Controlla attività enzimatica dei batteri Utilizzo batteri mesofili Temperatura ottimale C L ambiente acido blocca l attività dei batteri; un ambiente basico produce H2S e H2 Valori ottimali ph = 7,0 7,2 Rapporto Carbonio/Azoto Il C è la fonte di energia dei batteri L N ne costituisce la struttura cellulare Valore ottimale C/N = 30:1

17 Digestore discontinuo sperimentale Gasometro. Bottiglione di vetro senza fondo. V = 10 llitri Digestore anaerobico Bottiglione di vetro (V= 10litri) Termostato per controllo temperatura Trappola per inquinanti Misuratore ph in continuo Contenitori in plexiglass con acqua contenenti digestore e gasometro Concentratore biogas

18 Schema di funzionamento Inserimento carica Controllo e correzione ph Fermentazione aerobica (esotermica) (2 6 giorni) Controllo parametri del processo (T e ph) Fase anaerobica (endotermica) con produzione e raccolta biogas) Arresto del processo dopo 20 g. (carica esaurita) Disattivazione e pulitura digestore

19 Dati operativi Volume digestore ml Biomassa (50% S.S.) 2000 ml Paglia 1000 ml Acqua 4000 ml Acidità massa 6,6<pH<7,6 Temperatura T = 35 C Carbonio/Azoto C/N = Tempo di permanenza giorni = 20

20 Evidenze sperimentali Composizione gas prodotto con carica digestore costituito da deiezioni di pollo+ effluente + paglia % 2 g 5 g 6 g 7 g 8 g 9 g 20 g CO2 7,0 6,0 7,0 8,5 12,0 10,5 --- CH4 4,0 32,0 56,0 75,0 76,5 81,0 3,2 H2 1,0 1,5 1,0 1,5 1,5 1,0 --- O2 8,0 2,0 1,5 1,5 1,5 1,0 --- N2 80,0 58,5 34,5 13,5 8,5 6,5 --- Un aumento di paglia aumenta la produzione di gas

21 Conclusione Gestione del processo dei rifiuti dalla produzione al riutilizzo. Gestione dell impianto pilota di trasformazione e produzione di energia pulita. Gestione dei parametri operativi e ottimizzazione. Modifica carica digestore e condizioni del processo

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