Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e ottimizzazione del processo

Transcript

1 Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e ottimizzazione del processo Dott. Agr. Antonio Primante 1

2 La gestione dell impianto di digestione anaerobica alimentato con sottoprodotti Impianti a biogas: la situazione in Italia Assistenza tecnica e controllo del processo biologico Analisi di casi studio Pollina negli impianti a silomais: presentazione del brevetto 2 2

3 Impianti a biogas: la situazione in Italia 3 3

4 IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA Censimento degli impianti: numeri e ubicazione In Italia vi sono circa impianti biogas agro-zootecnici, la maggior parte dei quali in esercizio nel Nord Italia e caratterizzati da un alimentazione basata su silomais o altre biomasse dedicate. 85% Fonte dati: Terna 4 4

5 IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA Censimento degli impianti: potenza installata Fonte dati: Terna 5 5

6 IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA Disponibilità di biomasse residuali in Italia Effluenti zootecnici: t/a Scarti agro-industriali: t/a Residui colturali cellulosici: t ST /a Scarti macellazione: t/a Fanghi depurazione: t/a FORSU: t/a Colture energetiche da set-aside: ha In Italia, la produzione potenziale stimata di biogas da residui organici equivale a circa 8 miliardi m 3 CH 4 all anno che è dell ordine di grandezza della produzione nazionale di gas fossile. Fonte dati: CRPA 6 6

7 Assistenza Tecnica e Controllo del Processo Biologico 7 7

8 . ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Malfunzionamento impianti biogas Adoption of substrate Leakage of gas Comminution of substrate Heating system Machine house of cogenera.. Biogas cleaning Others Process and control techno... Voltage flutuation Gas storage Electrical power outage Measurement technique Biogas process Stirring device Pumps, piping Entry of solid matter Cogeneration unit

9 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Problematiche alla cogenerazione 9 9

10 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Biogas Gasolio Metano I depositi che si formano nella scambiatori di calore abbassano la conducibilità termica ed incrementano la resistenza al flusso dei gas di scarico. La riduzione della conducibilità diminuisce il rendimento termico del motore, l aumento della contropressione dei gas di scarico riduce la potenza meccanica e conseguentemente quella elettrica del cogeneratore 10 10

11 Il carico dei materiali solidi rappresenta una grossa problematica a causa della variazione nel contenuto di acqua, fibre, pezzatura ecc. ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Malfunzionamento sistemi di carico Un altra causa frequente di problemi è determinata dalla presenza di corpi estranei nella biomassa

12 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Sistemi di miscelazione 12 12

13 PIANO DI MANUTENZIONE Finalizzato ad individuare gli di interventi necessari a mantenere in efficienza l impianto ed a ridurre in maniera drastica i tempi di fermata dello stesso. Inoltre ha il compito di adeguare e, se possibile, migliorare costantemente componenti di impianto per perseguire risparmi di carattere energetico ed economico. La manutenzione può essere articolata in tre distinte attività: PROGRAMMATA ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO ORDINARIA STRAORDINARIA 13 13

14 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Malfunzionamento impianti biogas Adoption of substrate Leakage of gas Comminution of substrate Heating system Machine house of cogenera.. Biogas cleaning Others Process and control techno... Voltage flutuation Gas storage Electrical power outage Measurement technique Biogas process Stirring device Pumps, piping Entry of solid matter Cogeneration unit La ricerca condotta in Germania nel 2008 su un campione di 31 impianti ha dimostrato che il controllo del processo risulta la quinta causa principale di malfunzionamento 14

15 Ipotizzando una problema al processo biologico che porta ad una riduzione della potenza prodotta del 50 % per 1 mese: perdita per mancata produzione EE: ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Problemi nel processo biologico A differenza dei problemi tecnici, che in genere possono essere risolti abbastanza velocemente, i problemi di processo possono causare perdite di produzione di notevole entità e lunga durata. 999 * 22 * 30 * 0.28 * 50% = risparmio per minor alimentazione all impianto: 55 * 30 * 30 * 50% = perdita netta /mese 15 15

16 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Problemi nel processo biologico In questo impianto, nel corso di una attività di monitoraggio prevista per un progetto di ricerca, si è verificato un repentino calo della produzione elettrica che si è protratto per circa 2 3 mesi. La riduzione è stata causata da un eccesso di carico organico (rosso verde invertiti)

17 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Processo biologico Senza la conoscenza relativa alle caratteristiche dei substrati utilizzati e dei parametri di processo, il digestore rimane una BLACK BOX Trattare sottoprodotti in un digestore normalmente alimentato con colture cerealicole significa necessariamente dover disporre di sistemi di gestione più avanzati e di nuove competenze. La determinazione dei parametri di processo è una condizione necessaria ma non sufficiente al controllo ed all ottimizzazione del processo

18 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Possibili problematiche di processo 1. CONDIZIONI DI PROCESSO NON OTTIMALI DOVUTE A PROBLEMI TECNICI CONTAMINANTI (antibiotici, disinfettanti, muffe) 2. SUBSTRATI CONTENENTI SOSTANZE INIBENTI Biomassa COMPOSTI NATURALI SECONDARI (es. oli essenziali, composti dello zolfo) 3. ACCUMULO DI PRODOTTI DI DEGRADAZIONE Biomassa S.O.S.! 18 18

19 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Limitare la concentrazione H 2 S nel biogas L H 2 S contenuto nel biogas determina la produzione di acido solforico (H 2 SO 4 ) nel cogeneratore. Se i gas di scarico vengono raffreddati al di sotto del punto di rugiada avviene l acido condensa corrodendo gli scambiatori di calore ed il piping dei gas di scarico. Punto di rugiada dell acido solforico Corrosione da acido solforico 19 19

20 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO Limitare la concentrazione NH 3 nel biogas Dati da analisi composizione biogas (progetto PREA) - Fonte: RES 500 NH3 (ppm) 450 INIZIO FASE 1 INIZIO FASE /08/07 07/08/07 08/08/07 09/08/07 10/08/07 11/08/07 12/08/07 13/08/07 14/08/07 15/08/07 16/08/07 17/08/07 18/08/07 19/08/07 20/08/07 21/08/07 22/08/07 23/08/07 24/08/07 25/08/07 26/08/07 27/08/07 28/08/07 29/08/07 30/08/07 31/08/07 01/09/07 02/09/07 03/09/07 04/09/07 05/09/07 06/09/07 07/09/07 08/09/07 09/09/07 10/09/07 11/09/07 12/09/07 13/09/07 14/09/07 15/09/07 16/09/07 17/09/07 18/09/07 19/09/07 20/09/07 21/09/07 22/09/07 23/09/07 24/09/07 25/09/07 26/09/07 27/09/07 28/09/07 29/09/07 30/09/07 01/10/07

21 PIANO DI MONITORAGGIO I principali parametri da analizzare sono: Caratterizzazione delle matrici in ingresso, dei fanghi in digestione e del digestato ST, SV, micro e macro nutrienti, inibenti Carico organico e capacità di trattamento carico organico giornaliero, OLR, DML Efficienza degradativa ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO produzione residuale, riduzione dei SV, bilancio di massa 21 21

22 ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO PIANO DI MONITORAGGIO Bilancio di massa Biogas SV Biogas Portata gas Composizione gas Matrici in ingresso SV In Digestato in uscita SV Dig SV In SV Biogas + SV Dig 22 22

23 Produzione quali-quantitativa di biogas portata, composizione (CH 4, CO 2, O 2, H 2 S, NH 3 ) Stabilità del processo ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO PIANO DI MONITORAGGIO temperatura, ph, FOS/TAC Valorizzazione del biogas quantità di gas utilizzata, produzione di EE netta, ore di funzionamento, EE immessa in rete

24 Analisi di casi studio 24 24

25 ANALISI DI CASI STUDIO Biogas da industria agrumaria Biogas Matrici in ingresso Digestato Reattore completamente miscelato (CSTR) 25 25

26 Interventi di AT e CPB Implementazione e messa a regime di un Piano di Monitoraggio Sopralluogo periodico per verifica funzionalità componenti, campionamento matrici, coordinamento attività di gestione interna Gestione del riscaldamento con lance di vapore e aggiunta scambiatore esterno su ricircolo dei fanghi Fornitura analizzatore biogas portatile Gestione giornaliera dell alimentazione ai due reattori e dei ricircoli Coordinamento con processi di flottazione e ossidazione aerobica ANALISI DI CASI STUDIO Ricerca, validazione e dosaggio di un materiale finalizzato a limitare gli effetti inibenti degli oli essenziali 26 26

27 ANALISI DI CASI STUDIO Revamping depuratore liquami suinicoli 27 27

28 ANALISI DI CASI STUDIO Revamping depuratore liquami suinicoli Reattore plug-flow semplificato 28 28

29 ANALISI DI CASI STUDIO Revamping depuratore liquami suinicoli Ripristino cogenerazione: il biogas torna ad essere fonte di reddito e non solo di calore per l autosostentamento del digestore Problemi di corrosione: il biogas prodotto a partire dai fanghi aerobici inizialmente aveva un tenore di H 2 S di ca ppm; tale concentrazione è stata portata a 800 ppm Assenza sistema di ricircolo: lo scambiatore di calore preesistente permetteva lo scambio termico su una superficie molto limitata con materiale sostanzialmente immobile. Il ricircolo dei fanghi ed il passaggio in uno scambiatore esterno permettono una migliore termostatazione del digestore 29 29

30 Pollina negli impianti a silomais: presentazione del brevetto 30 30

31 POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Attività sperimentali condotte con Impianto Pilota RES Pollina in co-digestione con liquame suinicolo in miscela 1:1 (R.E.S.P.A.C ) Co-digestione di biomasse dedicate (sorgo e medica) con valutazione di diversi sistemi di pretrattamento e test di separazione solido-liquido con relativa caratterizzazione agronomica (P.R.E.A ) Co-digestione HSAD di FORSU e fanghi di depurazione disidratati, pretrattamento tramite estrusione (FOR-BIOGAS ) Test in continuo con paglia pellettata e successiva codigestione con scarti da lavorazione carciofo (2015) 31 31

32 POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS D.A. delle deiezioni avicole Nell arte nota queste biomasse possono essere valorizzate attraverso la D.A. sfruttando singolarmente o in maniera combinata, diverse strategie per limitare gli effetti batteriostatici dell ammoniaca: diluizione con acqua: è stata applicata già dagli anni 80 e porta a produrre enormi quantitativi di digestato aumentando le problematiche relative allo stoccaggio e spandimento delle deiezioni acclimatazione dei microrganismi: con il tempo (anni) si sviluppano microrganismi adatti ad operare a concentrazioni di ammoniaca libera molto più elevate rispetto a quelle normalmente ritenute inibenti ( mg/l) co-digestione: le deiezioni avicole possono essere trattate con altre matrici in modo da bilanciare l elevato carico di azoto presente (aumentare il rapporto C/N) strippaggio dell ammoniaca: comporta la produzione di solfato ammonico che può costituire un valido fertilizzante

33 Inquadramento attuale POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Fonte dati: Terna Si stima, per ogni MW elettrico installato, un consumo annuo di mais equivalente pari a ca t/anno Pertanto si è stimato un consumo complessivo di mais pari a ca t/anno Negli impianti a silomais è possibile sostituire almeno il 10 % ( t) del mais con altre matrici? 33 33

34 POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Problematiche aperte Molti impianti hanno già ottenuto l autorizzazione ad impiegare percentuali variabili tra il 10 ed il 20 % di deiezioni avicole e quotidianamente usano queste matrici ormai da diversi mesi ma emergono i primi dubbi: Qual è la concentrazione di ammoniaca nel biogas? Riesco a rispettare il limite di 10 ppm di NH 3 prescritto dal fornitore del cogeneratore? La concentrazione di azoto ammoniacale sta aumentando, la resa in biogas del silomais è rimasta costante? Le emissioni di ammoniaca dagli stoccaggi potrebbero provocare problemi di odori? 34 34

35 POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Co-digestione con sottoprodotti cellulosici Paglia trinciata Paglia dopo la lisi Pellet di paglia 35 35

36 POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Resa biogas pellet di paglia in mesofilia La resa nell Impianto Pilota RES è stata di ca. 340 Nm 3 /t t.q. L indice di conversione riferito al silomais è ca Produzione oraria biogas (l/h) Inizio aggiunta paglia Inizio aggiunta paglia+brattee Inizio modif. T /1/15 1/2/15 8/2/15 15/2/15 22/2/15 1/3/15 8/3/15 15/3/15 22/3/15 29/3/15 5/4/15 12/4/

37 Valorizzazione di deiezioni avicole e sottoprodotti attraverso un processo industriale articolato in: disidratazione con recupero di sali di ammonio miscelazione delle matrici disidratate con sottoprodotti lignocellulosici pellettizzazione delle miscele formulate. Formulazione e sviluppo di nuove linee/filiere di prodotto: 1. Pellet per impianti biogas 2. Pellet fertilizzante POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Elementi chiave del brevetto 3. Agripellet per caldaie a biomassa. Processo modulare, replicabile e versatile (3 diversi mercatidiriferimento) 37 37

38 - Sfruttare i potenziali attuali e futuri del mercato del biogas/biometano - Sostituire parte del silomais con sottoprodotti anche in impianti molto distanti dagli allevamenti avicoli - Ridurre spandimento (il pellet genera ca. il 50 % in meno di digestato per ogni t di silomais sostituito) - Valorizzare matrici ancora disponibili a basso costo e con elevato potenziale metanigeno - Semplificare procedure autorizzative (no stoccaggio/trasporto pollina grezza) - Riserva di sicurezza per far fronte a raccolti scarsi - Evitare inibizione da accumulo di NH 3 - Evitare problemi su cogeneratore causati dall NH 3 - Ridurre emissioni di ammoniaca da vasca finale POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS Benefici del nuovo approccio 38 38

39 ADESSO CREIAMO VALORE Si ringrazia per l attenzione e si ricorda il nostro indirizzo per richiedere ulteriori informazioni o per contattarci biogas@resitalia.org 39

40 D.A. produrre energia riducendo le emissioni 40 40

41 FATTORE CHIAVE: CLIMA Fornace Zarattini 30/07/2007 Ridracoli marzo

42 FATTORE CHIAVE: CLIMA (SICCITA 2012) 42 42