Biogas: parametri progettuali e gestionali. Medicina 23 Marzo 2011 Claudio Fabbri, Nicola Labartino Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia

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1 Biogas: parametri progettuali e gestionali Medicina 23 Marzo 2011 Claudio Fabbri, Nicola Labartino Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia

2 Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.

3 Conversione energetica In digestione anaerobica il contenuto energetico di una matrice organica viene prima convertito in un biocombustibile per mezzo di una flora batterica e poi in energia elettrica e termica Sostanza organica Metano EE + ET 1 kwh 0,5-0,8 kwh η biologico η meccanico 0,12-0,32 kwh

4 Composizione delle matrici per biogas Tal quale (tq) Acqua (10-98% tq) ATTENZIONE però alla corretta valutazione del contenuto energetico lordo che può variare da 60 kwh/t tq (liquame suino) a kwh/t tq (grasso animale) + Ceneri (2-50% ST) Indegradabile (10-70% SV) Solidi totali Solidi volatili (2-90% tq) (50-98% ST) Degradabile (30-90% SV)

5 Composizione delle matrici per biogas: il silomais Acqua (67% tq) + Ceneri Indegradabile (4% ST) (15-20% SV) Solidi totali (33% tq) Solidi volatili (96% ST) Degradabile (80-85% SV)

6 Disponibilità di biomassa in allevamento La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da: - stadio di accrescimento - coefficiente di trasformazione dell alimento - soluzione stabulativa - controllo idrico e raccolta acque meteoriche

7 Effluenti bovini: stabulazioni Libera Fissa

8 Effluenti suini: stabulazioni

9 Sostanza secca escreta: bovini da latte 8,8 Escre zione di sostanz a secca [kg/giorno] 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7, Produzione latte [kg/giorno] Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte

10 Sostanza secca escreta: bovini da latte esempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi Categoria animale Vacche in lattazione Vacche in asciutta Capi Sostanza secca escreta Paglia Sostanza secca disponibile [n ] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg] 85 8, , ,5 68 1, Manze 15 1,9 29 4, Manzette 21 1,8 38 2, % Vitelli 13 0,8 11 1, Totale

11 Sostanza secca escreta: suini ingrasso Escrezione (kg/tpv/a) Peso medio: 100 kg Peso vivo [kg]

12 Perdite di sostanza organica in allevamento Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente) nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti Sistema di rimozione: - Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%); - Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%) - Raschiatore: massima efficienza (5-10%)

13 Freschezza del liquame suinicolo Reattore Liquame da tracimazione Liquame da vacuum system Resa in biogas [Nm 3 /t SV] Percentuale CH 4 nel biogas [%] Resa in metano [Nm 3 /t SV] , ,2 375

14 Silomais e silosorgo a confronto Resa in biogas [Nm 3 /t SV] Resa in metano [Nm 3 /t SV] Silomais + liquame Silosorgo + liquame Solo liquame

15 Silomais e silosorgo a confronto Ponderando la produzione di biogas/metano del liquame sulle miscele, si ottiene: Resa in biogas [Nm 3 /t SV] Resa in metano [Nm 3 /t SV] Silomais Silosorgo Solo liquame

16 Potenziale metanigeno Il potenziale metanigeno rappresenta la produzione di metano ottenibile dalla conversione di una matrice organica in un digestore anaerobico. Si esprime come Nm 3 per kg di sostanza organica (o solidi volatili, SV). E' importante considerare sempre e solo la sostanza organica e non il peso tal quale o la sostanza secca.

17 Qualità della sostanza organica: Rapporto SV/ST e biodegradabilità media 65-75% 90% 80-85% 75-80% Fonte: Malpei F

18 Potenziale metanigeno e analisi per... chimiche: perchè valutarli quantificare le biomasse necessarie verificare la compatibilità con la tipologia impiantistica e le strutture aziendali (stoccaggi, movimentazione, miscelabilità, tempi di ritenzione idraulici...) valutare le quantità di digestato da gestire valutare le quantità di azoto da gestire valutare i costi di produzione del metano

19 Come si valuta il potenziale metanigeno: (tecniche utilizzate da CRPA) - analisi chimiche - BMP (biochemical methane potential) - digestori anaerobici da laboratorio in continuo - monitoraggio impianti in scala reale

20 Metodi di valutazione: analisi chimiche In linea generale per la conversione in biogas di una generica materia prima vale la seguente relazione stechiometrica (G,E, Symons and A,M, Buswell, 1932) C n H a O b N c S d + (n-a/4-b/2+7/4c+d/2) H 2 O (n/2-a/8+b/4-5/8c+d/4) CO 2 + (n/2+a/8-b/4-3/8c-d/4) CH 4 + dh 2

21 Metodi di valutazione: analisi chimiche Parametri minimi: a)solidi totali (sostanza secca) b)solidi volatili (sostanza organica) c)azoto totale d)carbonio organico totale e)analisi elementare (C-H-N-O) f)frazioni fibrose: i.ndf (Fibra neutro detersa) = Cellulosa + emicellulosa + lignina ii.adf (Fibra acido detersa) = cellulosa + lignina iii.adl (Lignina acido detersa) = lignina

22 Metodi di valutazione: BMP statico Biogas (CH 4 +CO 2 +H 2 +H 2 O) Substrato da valutare + Inoculo + Soluzione madre Digestato Peso ingresso (Xin) Peso biogas (X 1 out) + peso digestato (X 2 out)

23 BMP statico di CRPA 32 digestori termostatabili da 2 litri Unità controllo biogas (CH4, CO2, H2S, NH3, O2) Misura produzione con duplice metodologia (manometrica e volumetrica) Automazione completa

24 Metodi di valutazione: DA in continuo 6 reattori anaerobici Alimentazione giornaliera 24 litri/reattore Misura in continuo biogas prodotto Qualità biogas: CH4, CO2, H2S, NH3 Bilancio di massa Mesofilia/termofilia Prove con effluenti e biomasse solide Analisi chimiche Dispositivo progettato e realizzato da CRPA

25 Metodi di valutazione: monitoraggio impianti

26 Metodi di valutazione: principali parametri Potenziale metanigeno: Nm 3 /tsv o Nm 3 /tst o Nm 3 /t tq Qualità biogas: %vol CH 4 Efficienza di conversione biologica: %SV degradati Efficienza di conversione complessiva: kwh e /tsv Costo di produzione del metano: /Nm 3 CH 4 Potenza media effettiva: kw (Energia prodotta / 8760 h) Superficie necessaria (per colture, uso digestato): Ha Bilancio energetico: kwh prodotti, autoconsumati, ceduti

27 Gestione impianti

28 Le fasi del processo Idrolisi Acidogenesi Acetogenesi carboidrati, grassi e proteine sono ridotti a molecole mono-disaccaridi, acidi grassi e aminoacidi ad opera di eso enzimi Monomeri sono convertiti ad H2, CO2, acidi grassi volatili e alcoli per fermentazione H2, CO2, acidi grassi volatili sono parzialmente trasformati ad acido acetico Metanogenesi H2, CO2, acido acetico sono convertiti a CH4 e CO2 Elevata sensibilità a ph, T, VFA Vera fase limitante!!

29 Parametri di controllo FISICO-CHIMICI Temperatura Acidità/alcalinità Conducibilità Acidi volatili Crescita batterica Ione ammonio ph Micronutrienti

30 L'effetto degli acidi sul ph: esempio acido acetico Acidità (ph) = concentrazione di ioni idrogeno H+ Acido acetico indissociato: CH3-COOH Ambiente alcalino 14 ph 7 H+ 1 Ambiente acido Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechn

31 L'effetto degli acidi sul ph: esempio acido acetico Acido acetico dissociato: CH3-COO - + H + Ambiente alcalino 14 ph 7 H + 1 Ambiente acido Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechn

32 L'effetto degli acidi sul ph: esempio acido acetico Elevata concentrazione di acido acetico dissociato: CH3-COO - + H + Ambiente alcalino 14 ph 7 H + 1 Ambiente acido Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechn

33 L'effetto dell'alcalinità sul ph: esempio bicarbonati Acido acetico: CH3-COO - + H + - Ione Bicarbonato: HCO 3 Acido carbonico: H 2 CO 3 Ambiente alcalino 14 ph 7 H + 1 Ambiente acido Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechn

34 L'effetto dell'alcalinità sul ph: esempio carbonato Acido acetico: CH3-COO - + H + - Ione Bicarbonato: HCO 3 Acido carbonico: H 2 CO 3 Ambiente alcalino 14 ph 7 H + 1 Ambiente acido Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechni

35 Equilibrio acidità/alcalinità L'alcalinità è necessaria per equilibrare l'acidità e mantenere il ph nel range ottimale (7-7,7). Rapporti ottimali fra acidità/alcalinità: 0,3 (range normale fra 0,2 e 0,4) - Ione Bicarbonato: HCO 3 Acido carbonico: H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Attenzione però che l'alcalinità da bicarbonati si consuma!

36 Controllo di processo: acidità volatile COV [kgsv/m3.gg] e IpV [m3/m Inizio crisi Sovraccarico improvviso Acidità totale (mg/kg) e potenza elettrica (k 1 Evidenza della crisi /8 31/8 30/9 30/10 29/11 29/12 28/1 27/2 10 COV IpV Acidità totale Potenza elettrica

37 Controllo di processo: rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC)

38 Temperatura Indipendentemente dal regime di temperatura scelto, EVITARE VARIAZIONI DI TEMPERATURA maggiori di +/- 1-2 C I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di temperatura

39 Ione ammonio/ammoniaca E' un composto inibente molto importante. Si produce per deamminazione degli aminoacidi. NH 4 + NH 3 + H + E' importante soprattutto la concentrazione di ammoniaca (NH3): valori significatvi di inibizione intorno a ppm. L'equilibrio dipende dal ph! I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di ammoniaca

40 Micronutrienti E' un insieme di composti necessari in minima parte per diverse reazioni chimiche cellulari. La loro assenza può determinare crisi anche gravi (acidosi): ferro, solfuri, rame, manganese, cobalto, selenio... I liquami contengono tutti i micronutrienti necessari al buon funzionamento! I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti

41 Digestione soli insilati: oligoelementi La LEGGE DEL MINIMO LEGGE DEL MINIMO: Se una pianta ha bisogno di dodici elementi per la sua crescita, e se solo uno di essi viene a mancare, essa non potrà mai svilupparsi. Se una di queste sostanze non è infatti disponibile nella quantità necessaria richiesta dalla natura, la pianta crescerà sempre incompleta (Journal fur technische und okonomische Chemie, Bd. 3, S.93, P.Pc Sprengel, 1828)

42 Parametri di controllo TECNOLOGICI Contenuto solidi totali Quantità/qualità biogas Tempo ritenzione idraulica Crescita batterica e produzione Carico organico volumetrico Contenuto solidi volatili Regolarità carico

43 Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti Carico organico volumetrico (kg SV /m 3 /gg): quantità di sostanza organica caricata giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all interno del digestore Rendimento elettrico CHP (%): permette di definire la potenza elettrica installabile Indici di analisi produttiva Produzione volumetrica (m3 CH4 /m3 digestore /giorno): produzione giornaliera di metano per unità di volume utile di digestore per giorno Produzione biometano (Nm3/kg SV ): produzione specifica di metano in riferimento alla sostanza organica caricata

44 Carico organico volumetrico (COV) [kg SV/m 3 /d] COV = Q ST SV V Q=carico giornaliero (t/d) ST = solidi totali (% tq) SV = percentuale di SV (%ST) V = volume digestore (m 3 )

45 Carico organico volumetrico 150 Capi x 15 kg s.s/capo/d = 2,25 t/d Digestore 1500 m 3 HRT 60 gg 1500/60 = 25 t tal quale/d kg X 35%ST X 95% SV/ST / 1500 m 3 = 5,5 kg SV/m 3 /giorno

46 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [giorni] HRT = V Q Q = carico giornaliero (t/d) V = volume digestore (m 3 ) All'aumentare della quantità di prodotto caricata diminuisce il tempo di ritenzione idraulica HRT troppo bassi comportano una degradazione incompleta: efficienza di conversione bassa HRT troppo alti: degradazione completa ma impianto è sovradimensionato

47 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) Silomais

48 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) Scarti di lavorazione della frutta

49 Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

50 Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT Q = 25 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv V = 1500 m 3 Q1 = 15 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q2 = 10 t/g patate ST = 22% SV = 90%ST CH4 = 360 m 3 /tsv HRT = 60 gg COV = 5,5 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Q = Q1 + Q2 = 25 t/g HRT = 60 gg COV = 4,6 kgsv/m 3 /g CH4 = 2508 m 3 /g Pe = 510 kwe Δ = - 15,7% Pe = 430 kwe

51 Dimensione digestore e flessibilità impiantistica V = 2500 m 3 Q = 25 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q1 = 15 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q2 = 16,5 t/g patate ST = 22% SV = 90%ST CH4 = 360 m 3 /tsv HRT = 100 gg COV = 3,3 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Q = Q1 + Q2 = 31,5 t/g HRT = 80 gg COV = 3,3 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Pe = 510 kwe Δ = 0% Pe = 510 kwe

52 Parametri di controllo TECNOLOGICI Contenuto solidi totali Quantità/qualità biogas Tempo ritenzione idraulica Crescita batterica e produzion Contenuto solidi volatili Regolarità carico Qualità Biomasse Carico organico volumetrico

53 Controllo di processo: regolarità di carico Carico organico volumetrico (kgsv/m3/gg) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Inizio carico Sottoprodotti A basso ST Problemi alla tramoggia 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 1/1 1/2 1/3 1/ Produzione energia elettrica [MWh/gg] Carico organico volumetrico Produzione elettrica

54 Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli 1600 Peso vivo mediamente presente [t] Potenza elettrica prodotta [kw] 1/12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/ Peso vivo mediamente presente [t] La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

55 Controllo di processo: problemi più frequenti

56 Valore economico di una biomassa: fattori di calcolo Contenuto in acqua e ceneri; Potenziale metanigeno; Volume di digestato prodotto Costo di stoccaggio, trasporto e distribuzione; Contenuto in azoto e costo di gestione

57 Valore economico di una biomassa: contenuto di solidi volatili Riferimento: silomais ST = 0,35 t/t tq SV = 95%ST Costo = 30 /t tq Biomassa da valutare: patate ST = 0,20 t/t tq SV = 90%ST Produzione CH 4 : 250 m 3 /tsv Valore massimo CH 4 : 0,3 /m 3 Costo SV= 30/(0,35x95%)= 90 /tsv Produzione CH 4 : 300 m 3 /tsv Costo max biomassa: 0,2 x 90% x 250 x 0,3 = 13,5 /t tq Costo CH 4 : 90/300 = 0,3 /m 3 Δ = 0 Il costo energetico deve partire sempre da un valore di riferimento

58 Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di acqua Parametri di calcolo per 1 MWe Silomais: 35% ST Costo: 30 /t CH 4 : 350 m 3 /tsv CHP: 41% Quantità necessaria: t/anno Sup (50 t/ha): 295 ha

59 Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di acqua Parametri di calcolo Silomais: 29% ST Costo: 24,8 /t CH 4 : 350 m 3 /tsv CHP: 41% Quantità necessaria: t/anno Sup (50 t/ha): 425 ha

60 Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di acqua Incidenza sul bilancio di un impianto di biogas: 1 caso: t/h x 30 /t = /anno 2 caso: t/h x 30 /t = /anno Differenza: /anno Se i costi di approvvigionamento fossero 45 /t, la differenza sarebbe pari a /a!!

61 Grazie per l'attenzione