Prospettive della ricerca sulla produzione di bioidrogeno

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1 Prospettive della ricerca sulla produzione di bioidrogeno A. Schievano, F. Adani Gruppo Ricicla Di.Pro.Ve. - Università degli Studi di Milano, Via Celoria 2, Milano

2 Idrocarburi, effetto serra, inquinamento aria ambienti umani Hydrogen Economy?? Energy source 2H 2 Storage Grid 2H 2 O O 2 Fuel cell Engine 2H 2 O

3 Fonte = Processo di produzione Kværner-process (gassification) Electrolysis Photoelectrochemical water splitting High-pressure/temperature electrolysis Nuclear Concentrating solar thermal Thermochemical production Reactive production (metal Hydrides)

4 Bio-idrogeno Fonte H 2 0 CO 2 Light = Processo di produzione 1) Biophotolysis WASTE Byproduct Dedicated biomass 2) Dark fermentation 3) Photofermentation

5 Bio - photolysis 1. Photosinthesys 2. Anaerobic conditions (Hydrogenase enzyme) 2H + + 2X reduced = 6 H 2 + 2X oxidized

6 DARK + PHOTO FERMENTATION Dark Light

7 DARK FERMENTATION Sostanza Organica Complessa Idrolisi Fermentazio ne Acetogenesi Sostanza Organica Solubile batteri fermentativi Acidi Grassi Volatili, Alcoli batteri acetogenici H 2 A.Acetico + Butirrico H 2 + CO 2 Metanogene si batteri acetoclasti CH 4 + CO 2 batteri idrogenofili CH 4 + H 2 O

8 DIFFUSED ENERGY RECYCLING Crops (set aside) Agricultural residues Animal manure

9 CROPS RESIDUES

10 Agro-industrial by-products Potato peels Tomato Peels Fruit Raw Glycerin Eggs

11 BIOWASTE from source separation CIBO Paper Carta Glass Vetro Sources: APAT, 2007 CRPA, 2008 OFMSW FORSU + scarti 60 verdi % 60 % ton/a Plastica R. Dangerous Pericolosi waste Metals Metalli

12 Available biomasses in Italy Crops (Set Aside Land): Animal manures: Biowaste: Slaughterhouse wastes: Wastewater sludge: Agro-industrial byproducts: Agicoltural residues: 13 million ton/a 180 million ton/a 11 million ton/a 2 million ton/a 2-3 million ton/a 12 millionton/a 30 million ton/a

13 Two-Phase Anaerobic Process Hydrolysis and Acid fermentation Methanogenesis: VFA = Methane!!!!!! H 2 + CO 2 CH 4 + CO 2 Substrato Acidi grassi volatili (VFA) Effluente Reattore fermentativo Reattore metanigeno

14 HOW MUCH HYDROGEN? CROP RESIDUES BIOWASTE Nm 3 H 2 ton -1 TS Carbohydrate-rich Nm 3 H 2 ton -1 TS

15 HOW MUCH METHANE? CROP RESIDUES BIOWASTE Carbohydrate-rich Nm 3 CH 4 ton -1 TS

16 Typical full scale plant ~ ton/a = 2-3 million Nm 3 CH 4 1MW Electric power +1MW Thermal Power Future: 30% Hydrogen + 70% Methane Methane to grid and automotive fuel? Hydrogen to fuel cell for Electrical Power? Bi-fuel combustion?

17 Energy contribution from Recycling million tonts = million Nm 3 H million Nm 3 CH 4 = million Mwh / a (H 2 ) million Mwh / a (CH 4 ) ~ 10% Italian Energy Consumption ~ MW plants Territorially diffused

18 Lavori in corso... alimentazione H2 CH4 stadio idrogenico stadio metanogeno digestato Heat 80ºC H2 Rate Yield mlh 2 L -1 h hours mol H 2 mol -1 Glucose

19 Test di bio-idrogeno idrogeno potenziale Batch test Tomato Peels Potato peels glucosio = controllo H ml gvs % 5 < ph < 6 shock termico

20 Test di bio-idrogeno idrogeno potenziale Test su singole molecole costituenti la sostanza organica monomeri Polimeri (. gluc glucosio (145 NmL H 2 /g TS 0,8 mol H 2 /mol glicerina glicina 200 acido oleico amido (200 NmL H 2 /g TS ) ( 2 cellulosa (assenza H ( TS albumina (17 NmL H 2 /g olio d oliva burro NmL idrogeno/g TS Giorno GL AM AL C FA M F1 FV4 Matrici complesse farinaccio di riso (76 NmL H 2 /g TS ) FORSU ( NmL H 2 /g TS ) mais (65NmL H 2 /g TS ) sorgo

21 Produzione in continuo alimentazione H2 CH4 stadio idrogenico digestato stadio metanogeno

22 Produzione in continuo H2 Rate Yield mlh2 L -1 h hours mol H2 mol -1 Glucose

23 Monitoraggio del processo: ph e VFA... ph Total VFA ph st period OLR= 10 gsv/l d 2nd OLR= period 5 gsv/l d hours ( g/l ) VFA g l -1

24 Sviluppi del lavoro... PROGETTO Agr.Id.En. (Reg.Lombardia, Programma regionale di ricerca in campo agricolo ) ( ) Batch mercato bio-idrogeno potenziale di una varietà ampia di matrici organiche reperibili sul ( ) CSTR laboratorio stabilizzazio ne del processo con ricircolo del digestato controllo di processo con differenti matrici organiche Costruzione impianto scala pilota ( )

25 Sviluppi del lavoro... Conversione di un impianto di scala reale Produzione di bio-polimeri per le plastiche biodegradabili Integrazione dei processi di biologici di produzione di idrogeno: Fotosintesi + Dark-fermentation + Photo-fermentation

26 Sviluppi del lavoro... Produzione di bio-polimeri per le plastiche biodegradabili Integrazione dei processi di biologici di produzione di idrogeno: Fotosintesi + Dark-fermentation + Photo-fermentation

27 Grazie Gruppo Ricicla Dipartimento di Produzione Vegetale Università degli Studi di Milano