Tecnologie innovative per l utilizzo del biogas in impianti di cogenerazione di piccola taglia

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1 Tecnologie innovative per l utilizzo del biogas in impianti di cogenerazione di piccola taglia Silvia Silvestri Unità Biomasse ed energie rinnovabili Centro Trasferimento Tecnologico

2 Sommario Introduzione Obiettivi dell attività Descrizione dell impianto pilota e del metodo di lavoro Risultati e discussione Tecnologie innovative per l impiego del biogas Conclusioni 2 CENTRO TECHNOLOGY TRASFERIMENTO TRANSFER TECNOLOGICO CENTRE

3 Introduzione L interesse per la digestione anaerobica è in aumento sia per la possibilità di ottenere energia (elettrica e termica) dal biogas prodotto, sia come tecnologia di trattamento per numerose tipologie di scarti e rifiuti. Il digestato ottenuto può essere opportunamente valorizzato dopo un trattamento aerobico di compostaggio per stabilizzare la sostanza organica e per produrre un ammendante organico di qualità per uso agronomico. L energia termica prodotta nei sistemi di cogenerazione, al netto dell autoconsumo, trova spesso difficile collocazione per questioni legate alla localizzazione degli impianti. Nuove tecnologie quali le celle a combustibile potranno consentire nel medio periodo di migliorare l efficienza energetica complessiva degli impianti a biogas, soprattutto di quelli di piccola taglia. 3

4 Obiettivi della sperimentazione 1. Verificare fattibilità ed efficienza del processo anaerobico dry-batch 2. Definire i pre-trattamenti per garantire stabilità ed elevata produzione biogas 3. Valutare incidenza delle condizioni di processo su velocità produzione biogas 4. Definire il comportamento delle matrici digerite durante il compostaggio 5. Monitorare la qualità del biogas con una tecnica innovativa (PTR-MS) 6. Progettare e testare la sezione di gas cleaning prima dell utilizzo del biogas in fuel cell di tipo SOFC (solid oxid fuel cells) 4

5 Struttura e componenti dell impianto pilota FEM Digestore anaerobico dry Maturazione compost in cumulo rivoltato Sistema per compressione e stoccaggio biogas - Volume utile: 17 m3 - Coibentato e riscaldato per mantenere condizioni mesofile - Sistema per il recupero, stoccaggio e riscaldamento del percolato - Utilizzo del percolato per irrigare le masse - Monitoraggio interno di pressione, temperatura masse, temperatura percolato, O 2, CO 2, CH 4, H 2 S (4 punti di misura ciascuno), flusso del gas - Software dedicato per il controllo remoto del sistema e del processo 5

6 Schema di flusso del protocollo testato 4 Food BioEnergy, Cremona 5 marzo 2014 FORSU + Stutturante Mix F+S Fase aerobica 5 gg Mix F+S + Digestato gg Fase anaerobica Digestato Digestato Compostaggio gg Ricircolo L attività sperimentale è iniziata tre anni fa per complessivi 20 cicli di trattamento (150 t di biomasse trattate) effettuati sulla frazione organica dei rifiuti solidi urbani in condizioni differenti di processo. Pre-trattamenti: 5 gg di aerazione forzata aggiunta di calce idrata (0.3-0,5% p/p) Miscela: 25-30% di FORSU 20% scarti vegetali 50-55% di digestato (ricircolo) 6

7 Concentration CH 4, CO 2 (% v/v) Concentration O2 (% v/v) Biogas produced (m 3 ) 4 Food BioEnergy, Cremona 5 marzo 2014 Effetto dei pre-trattamenti (correzione ph e pre-ossidazione) - aumento temperatura masse (45-55 C) - miglioramento della biodegradabilità - rapido innesco del processo - riduzione dei composti dello zolfo - incremento quantità biogas prodotto Time of process (days) Batch 6 Batch 10 Batch b Batch c Andamento del processo anaerobico Comportamento simile in tutte le prove: - inizio produzione di CH 4 dopo 15 ore - CH 4 > 50% dopo 5 gg - concentrazione di CH 4 tra 60-70% - CO 2 tra 30-40% Hours (O 2 ) 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14, CO2 (a) Days (CHCO2 4, CO(b) 2 ) CO2 (c) CH4 (a) CH4 (b) CH4 c) O2 (a) O2 (b) O2 c)

8 Principali dati analitici che sintetizzano l evoluzione del processo biologico (anaerobico e aerobico) e la quantità di biogas prodotto Rese di processo riferite alla quantità di rifiuto organico fresco Prova a) Prova b) Prova c) Produzione di biogas m 3 t Produzione specifica di biogas m 3 kgsv Produzione specifica di metano m 3 kgsv Metano (media) % Digestato Solidi Totali (ST) % Solidi Volatili (SV) % ST Indice di respirazione (IR) mg O 2 kgsv -1 *h Unità odore (1 campione) UO m 3 h Compostaggio IR - 45 gg mg O 2 kgsv -1 *h Unità odore (1 campione) UO m 3 h (dopo 17 gg) 8

9 Biogas (Nmc/t SV) 4 Food BioEnergy, Cremona 5 marzo 2014 Confronto tra i risultati ottenuti e i dati di letteratura relativi alle tecnologie per la digestione anaerobica dry. (Fonte: Trockenfermentation Brücke zwischen Abfallbehandlung und Landwirtschaft? Kraft, 2004). Produzione media Discontinuo 50 gg Discontinuo 35 gg Continuo 20 gg Continuo 25 gg Continuo 30 gg Continuo 24 gg Prove FEM 30 gg Prova FEM c 30 gg 9

10 Tecnologie innovative per l impiego del biogas La generazione di potenza elettrica da biogas oggi è basata su macchine termiche che sfruttano la reazione di combustione (motori a combustione interna, turbine a gas, microturbine, motori Stirling). Le celle a combustibile sono sistemi alternativi di generazione di energia basati su reazioni di ossidoriduzione. La tecnologia delle celle a combustibili ad ossidi solidi SOFC può lavorare con miscele non solo a base di H 2 ma anche di CO e CH 4. I generatori SOFC sono costituiti da singole celle connesse in serie tra loro a formare uno stack di potenza variabile. 3 strati attivi, temp C, conduzione ionica dei gas e quindi conversione diretta dell energia chimica in energia elettrica. Struttura di una singola fuel cell 10

11 4 Food BioEnergy, Sala Ricerca e Sviluppo, Cremona 5 marzo 2014 Possibili sviluppi per l impiego delle celle a combustibile Negli impianti a biogas di piccola taglia, mentre la conversione in energia elettrica per i sistemi tradizionali è relativamente bassa (25-30%) l efficienza cogenerativa complessiva delle SOFC è pari a 85-90%, con una elevata efficienza elettrica (55%). Produzione energia elettrica in corrispondenza di utenza (no perdite di trasmissione) Recupero energia termica per utilizzo presso utenza Basso impatto ambientale (maggiore efficienza riduce emissione CO 2, ridotta combustione riduce NOx, assenza di SOx e VOC) Elevata modularità di taglia (oggi disponibili impianti di FC fino a 100 kw) Svantaggi: Attuali costi di produzione troppo elevati Per approfondimenti: TECHNOLOGY TRANSFER CENTRE

12 4 Food BioEnergy, Sala Ricerca e Sviluppo, Cremona 5 marzo 2014 Valorizzazione energetica del biogas in celle a combustibile (1) Nell ambito del progetto VEGA -Valorizzazione Energetica di bio-gas da digestione Anaerobica tramite fuel cell il biogas prodotto presso l impianto pilota FEM è stato caratterizzato, purificato ed avviato ad una cella a combustibile sperimentale da 0,5 kw. Obiettivi: - Caratterizzare in maniera approfondita il biogas - Verificare se il PTR-MS è una tecnica idonea per questo tipo di indagini -Progettare un sistema di gas-cleaning per purificare il biogas prima della FC - Testare il funzionamento della FC (1) Progetto coordinato da SOFCPower Spa e sviluppato in collaborazione con FEM e il Politecnico di Torino. Cofinanziato dalla Provincia Autonoma di Trento sul bando FESR TECHNOLOGY TRANSFER CENTRE

13 4 Food BioEnergy, Sala Ricerca e Sviluppo, Cremona 5 marzo 2014 Metodologia di lavoro seguita Le SOFC lavorano ad elevate concentrazioni di CO 2 nel combustibile, ma i COV possono danneggiare l anodo a causa di deposizioni di carbonio. Composti dello zolfo >1 ppmv provocano l avvelenamento delle celle. La Proton Transfer -Mass Spectrometry (PTR-MS*) è una tecnica SM a iniezione diretta, in grado di effettuare analisi on-line in tempi molto rapidi. E stata applicata inizialmente per determinare la composizione del biogas; poi per mettere a punto il sistema di pulizia del biogas prima di alimentare la SOFC COV - ppmv * Ionicon Analytik GmbH, Innsbruck (A) 13 TECHNOLOGY TRANSFER CENTRE

14 Purificazione del biogas Compound ppmv Protonated Molecular Weight + C 3 H 8 S 6,01 Propantiolo 77,042 C 2 H 6 S 5,84 Dimetilsolfuro 63,026 CH 4 S 4,75 Metantiolo 49,011 H 2 S 5,51 Acido solfidrico 34,995 C 8 H 8 5,29 Stirene 105,070 C 7 H 8 4,83 Toluene 93,070 C 4 H 8 O 5,1 Butanone 73,065 Sono stati testati due tipi di filtri a carboni attivi; R8 (Sulfatrap) è sufficiente ad abbattere i composti più abbondanti quali H 2 S e tioli ad elevato peso molecolare e ottenere un gas pulito. L opzione migliore è rappresentata dal doppio filtro R8 + RGM3 (Norit). Test di funzionamento Il biogas prodotto durante la fase intensiva di processo anaerobico (CH4 > 60%) è stato purificato e poi avviato ad una cella SOFC da 500 Watt el, che ha funzionato in continuo per oltre 400 ore con stabilità di comportamento e di produzione di energia elettrica. 14

15 Conclusioni L attività sperimentale condotta ha dimostrato che la digestione anaerobica dry - batch è una valida soluzione tecnologica per il trattamento di matrici solide, con rese di processo (0,8 m 3 kg VS -1 ) comparabili agli altri sistemi applicati. L introduzione di un pre-trattamento di ossidazione (5 gg) seguito dall aggiunta di calce idrata consente di migliorare la degradabilità delle miscele, di aumentare la temperatura (45-56 C) e di ridurre il periodo di latenza prima della produzione di metano. La fase aerobica di compostaggio si completa in circa 50 gg e consente di ottenere un materiale ad elevata stabilità biologica (IR e unità di odore). Il PTR-MS è una tecnica idonea e utile per il monitoraggio della composizione del biogas e per la progettazione del sistema di gas-cleaning. Le celle a combustibile SOFC si sono rivelate idonee anche per la conversione energetica di un combustibile di origine organica (rinnovabile). 15

16 Workshop europeo sul biometano Bruxelles,11marzo 2014 Diamant Congress Center Agenda-Biogas-Workshop.pdf 16

17 Hanno collaborato: Andrea Cristoforetti, Daniela Bona, Lorenzo Forlin, Luca Tomasi FEM, Unità Biomasse ed energie rinnovabili Davide Papurello DENERG Politecnico di Torino Lorenzo Tognana SOFCPower SpA Grazie per l'attenzione! Silvia Silvestri, FEM Fondazione Edmund Mach Unità Biomasse ed energie rinnovabili Via E. Mach, San Michele all Adige (Trento) 17