PRODUZIONE E UTILIZZO ENERGETICO DI BIOGAS. Dott. Franco Parola Coldiretti Piemonte

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1 PRODUZIONE E UTILIZZO ENERGETICO DI BIOGAS Dott. Franco Parola Coldiretti Piemonte

2 La produzione di biogas La digestione anaerobica Processo biologico per mezzo del quale in assenza di ossigeno la sostanza organica viene degradata ad opera di batteri anaerobi I prodotti di tale trasformazione sono: 1) BIOGAS: gas costituito per il 50-75% da CH4, 25-45% da CO2 e da una piccola percentuale di altri gas (vapore acqueo 2-7%-, H2S ppm, NH3, ) 2) DIGESTATO: materiale di partenza stabilizzato

3 La produzione di biogas I materiali digeribili -> sostanza organica digeribile in tempi limitati (zucchero e lignina sono entrambe sostanze organiche degradabili ma lo zucchero è degradabile in tempi brevi mentre la lignina no) -> REFLUI ZOOTECNICI (generalmente con s.s.=3-10%) -> COLTURE VEGETALI (generalmente con s.s.=15-35%) -> SCARTI DELL INDUSTRIA AGRO-ALIMENTARE -> assenza di sostanze che possano inibire l attività microbica -> LA POLLINA NON PUO RAPPRESENTARE PIU DEL 30% DEL MATERIALE IN INGRESSO A CAUSA DELL ELVATO CONTENUTO DI AZOTO -> NEL PERIODO DI TRATTAMENTO DEI SUINI CON ANTIBIOTICI, IL LIQUAME NON PUO ESSERE INVIATO ALL IMPIANTO

4 La produzione di biogas I materiali digeribili Le colture vegetali hanno una resa energetica notevolmente superiore alla resa energetica dei reflui zootecnici (essenzialmente a causa del fatto che i reflui zootecnici hanno già subito una degradazione nell apparato digerente degli animali): se si confrontano ad esempio letame bovino e insilato di mais, la produzione di biogas del primo è circa quattro volte inferiore rispetto alla produzione di biogas del secondo. A loro volta i reflui zootecnici possono avere rese energetiche estremamente diverse in funzione essenzialmente del tempo di stoccaggio intermedio durante il quale si possono instaurare fenomeni degradativi che riducono il contenuto di sostanza organica e quindi la rea energetica La tipologia di substrato sottoposto a digestione anaerobica non influenza solo la quantità di biogas prodotto, ma anche la qualità: ad esempio l introduzione di sostanze vegetali aumenta la produzione di biogas, a scapito però del contenuto di metano che tende a diminuire lievemente. Per contro, sostanze ad elevato contenuto proteico (vinacce, residui alimentari, ) incrementano la produzione di biogas, ma contemporaneamente anche il contenuto di idrogeno solforato che può dare problemi di corrosione sia verso le parti metalliche che verso il calcestruzzo.

5 La produzione di biogas

6 La produzione di biogas I materiali digeribili e gli aspetti legislativi I materiali digeribili possono essere: -> MATERIE PRIME -> RIFIUTI -> SOTTOPRODOTTI -> MATERIE PRIME: il processo può essere gestito semplicemente tenendo in considerazione le normative riguardo le FER e lo smaltimento del digestato sul suolo -> RIFIUTI: tutto il processo è sottoposto alla normativa sui rifiuti (si diventa smaltitori di rifiuti, ) -> SOTTOPRODOTTI: tutto il processo è sottoposto alla normativa sui sottoprodotti? INQUADRAMENTO LEGISLATIVO DELLE SOSTANZE IMPIEGATE?

7 La produzione di biogas La digestione anaerobica Idrolisi Macro-molecole organiche Monomeri solubili Acidogenesi 20% 76% 4% Acidi organici. alcool Acetogenesi Acetati H2, CO2 Metanogenesi 72% 28% CH4, CO2 CH4

8 La produzione di biogas La digestione anaerobica Processo biologico -> necessita condizioni ambientali ottimali per i microrganismi Processo anaerobico (microrganismi caratterizzati da basse velocità di crescita) -> la necessità di garantire condizioni ambientali ottimali per lo sviluppo del processo è ancora maggiore -> giusto apporto di nutrienti (rapporto BOD:N compreso tra 25 e 30) -> 7 < ph < 7,5 -> T costante in tutto il reattore (i microrganismi anaerobici che si sviluppano ad una data T, al discostarsi da tale T riducono la loro attività fino a scomparire) -> C sost tossiche < C lim inibitoria -> %H 2 O abbastanza elevata da permettere l attività batterica (l acqua è sia un componente dei microrganismi sia il medium attraverso cui avviene il trasporto di nutrienti e di prodotti metabolici tra i microrganismi e l ambiente)

9 La produzione di biogas La digestione anaerobica condizioni ambientali non ottimali rallentamento dell attività microbica minor degradazione della sostanza organica calo della produzione di biogas Necessità di impianti opportunamente dimensionati e correttamente monitorati e gestiti

10 La gestione dell impianto Corretto dimensionamento BUON FUNZIONAMENTO Corretta gestione MONITORAGGI NECESSARI -> controllo della T in continuo e in diversi punti dei digestori in quanto i batteri sono molto sensibili ai gradienti di temperatura -> misura del ph e del potenziale redox -> analisi chimiche sul prodotto in digestione per valutare la distribuzione degli acidi grassi: nelle fasi di avviamento i campioni da analizzare devono essere estratti a breve distanza di tempo l uno dall altro, mentre nel caso di impianti a regime i campioni possono essere estratti anche solo una volta al mese -> misura della quantità di biogas prodotto -> analisi del contenuto di CH4, CO2 e H2S I risultati devono essere registrati quotidianamente in concomitanza con la tipologia di alimentazione: così si possono individuare con meno difficoltà le misure da adottare per contrastare gli eventuali inconvenienti del processo e modificare l alimentazione del digestore per massimizzare i rendimenti

11 La produzione di biogas Tipologie di impianti contenuto d acqua Digestione a secco (dry digestion): substrato con contenuto di solidi totali (ST) > 20% Digestione a umido (wet digestion): substrato con contenuto di ST < 10% Digestione a semisecco: substrato con contenuto di ST intorno al 10-15% La necessità di rimescolare il materiale interno al digestore sia per garantire omogeneizzazione, sia per facilitare la fuoriuscita del biogas dalla borlanda rende più problematici gli impianti a secco. Quindi nel caso in cui il materiale da sottoporre al processo di digestione anaerobica sia letame o materiale di origine vegetale, è necessario prevedere un aggiunta di acqua per poter raggiungere l umidità richiesta dalla specifica tipologia di processo. L alternativa, nel caso di sostanze con elevate % di secco, è quella di effettuare digestori batch statici con riduzione di rendimento Nel caso in cui si decida di operare con sistemi ad umido si devono eliminare corpi indesiderati e la lunghezza media delle fibre non deve superare i 2-3 cm (per questo può essere inserito un opportuno trituratore).

12 La produzione di biogas Tipologie di impianti temperatura di esercizio Digestione psicrofila: T = C Digestione mesofila: T = C Digestione termofila: T = C Più sono elevate le T, maggiore calore è necessario fornire e maggiori saranno i costi sia d impianto che di gestione in quanto è necessario installare un sistema di riscaldamento ed effettuare una coibentazione per ridurre le dispersioni termiche. D altro canto l aumento della T accelera i processi di degradazione permettendo di ridurre i volumi dei digestori. All aumentare della T aumenta l igienizzazione del digestato: nel caso di processo termofilo si ha l abbattimento di germi patogeni. D altro canto se il processo è termofilo la sua gestione diventa estremamente complessa in quanto bastano piccolissime variazioni di T per compromettere il processo a causa dell elevata sensibilità dei batteri termofili a variazioni di temperatura e dello spostamento dell equilibrio tra ione ammonio e ammoniaca verso l ammoniaca (che ha un effetto inibitore sui batteri metanigeni, mentre l azoto ammoniacale è la forma da cui i micorrganismi assimilano l azoto)

13 La produzione di biogas Tipologie di impianti tipo di alimentazione Digestori batch: il digestore viene riempito e svuotato ad intervalli di tempo corrispondenti al tempo necessario per la degradazione della sostanza organica Digestore a flusso continuo: il flusso di materiale in entrata e in uscita è continuo (o ad intervalli di tempo limitati rispetto al tempo di residenza nel digestore) I digestori a flusso continuo per l alimentazione necessitano di coclee dosatrici per le sostanze secche e di pompe per il materiale liquido. D altra parte i digestori batch necessitano di più reattori in parallelo per garantire continuità di funzionamento. Il flusso in continuo viene usato nei processi di digestione a umido o a semi-secco, mentre per la digestione a secco esistono digestori batch con ridotti costi iniziali e problemi gestionali, ma con rendimenti di produzione di biogas limitati. In questi sistemi batch infatti ci si limita a riempire il digestore, chiuderlo ermeticamente, eliminare l aria contenuta per creare le condizioni anaerobiche,aspettare che si concluda la digestione anaerobica, estrarre il biogas formatosi, riaprire il digestore e svuotarlo. L unico accorgimento da adottare è il prelievo del percolato per ridistribuirlo sul substrato in fermentazione.

14 La produzione di biogas Tipologie di impianti tipo di digestore Digestore con flusso a pistone Digestore perfettamente miscelato monostadio Digestore perfettamente miscelato bistadio Ha una conformazione a canale e i liquami vengono immessi da una estremità ed estratti dall altra senza subire alcun tipo di miscelazione interna. In questa tipologia di impianti è consigliabile l eliminazione dei solidi grossolani caratterizzati da tempi di degradazione elevati. I digestori possono operare in condizioni psicrofile o mesofile variando opportunamente i tempi di permanenza (circa 60 giorni nel caso di psicrofilia e circa 20 giorni nel caso di mesofilia). E adatto soprattutto per produrre energia per autoconsumo e per ridurre l impatto ambientale derivante dall attività zootecnica. Per questo non sono adatti per l utilizzo di colture energetiche. Attualmente si stanno sviluppando anche dei sistemi che prevedono una sequenza di miscelatori in serie con l asse di miscelazione orizzontale parallelo alla direzione del flusso

15 La produzione di biogas Tipologie di impianti tipo di digestore Digestore con flusso a pistone Digestore perfettamente miscelato monostadio Digestore perfettamente miscelato bistadio Ha una conformazione cilindrica ed è dotato di miscelatori la cui tipologia è funzione del contenuto di acqua della sostanza in ingresso: se la sostanza secca non supera il 10% si possono installare dei mixer, mentre se si opera con maggior contenuto di sostanza secca è necessario installare dei miscelatori lenti ad asse orizzontale, verticale o inclinato. Non essendo necessaria l eliminazione dei solidi, in entrata al digestore si ha una maggior quantità di sostanza organica e quindi una maggior produzione di biogas. In questi impianti generalmente si opera in mesofilia con tempi di permanenza nel digestore di 25 giorni.

16 La produzione di biogas Tipologie di impianti tipo di digestore Digestore con flusso a pistone Digestore perfettamente miscelato monostadio Digestore perfettamente miscelato bistadio Il materiale da digerire passa in sequenza da un digestore primario in cui avviene la prima fase del processo ad un digestore secondario in cui si ha l affinamento del processo. La conformazione dei due digestori è analoga a quella dei digestori monostadio e i tempi di permanenza in ciascun reattore sono di circa 30 giorni. Questi impianti generalmente vengono utilizzati per la digestione anaerobica di reflui zootecnici e materiali organici di origine vegetale (come ad esempio silomais) per la produzione di elevate quantità di biogas.

17 Lo stoccaggio del biogas Produzione biogas -digestore- Stoccaggio biogas -gasometro- Utilizzo biogas -motore- Duplice scopo: -> stoccare il biogas in modo da garantire una portata di biogas costante agli utilizzatori -> mantenere il biogas alla pressione di utilizzo degli utilizzatori. Il gasometro nella maggior parte dei casi è installato al di sopra del digestore e consiste in un cupola con tre membrane. La membrana più interna racchiude il biogas a contatto con il liquame, quella intermedia evita che il biogas possa miscelarsi con l aria contenuta tra la membrana intermedia e quella esterna, che rimane sempre gonfia. La camera dell aria è mantenuta in pressione in modo da garantire che il biogas sia sempre alla stessa pressione. Con questa tecnologia non si deve costruire separatamente il gasometro, non si occupa superficie ulteriore e si garantisce una buona coibentazione del digestore.

18 La depurazione del biogas Eliminazione di: -> Solidi in Sospensione -> H 2 S -> H 2 O -> NH 3 -> FILTRAZIONE FISICA -> DESOLFORAZIONE -> DEUMIDIFICAZIONE -> FILTRAZIONE SU CARBONI ATTIVI

19 La depurazione del biogas FILTRAZIONE FISICA Viene realizzata con filtri a ghiaia o a sabbia, necessaria per eliminare i solidi in sospensione che sono essenzialmente materiale organico, grassi ed eventuali schiume.

20 La depurazione del biogas DESOLFORAZIONE Biologica interna al digestore Chimica interna al digestore Biologica esterna al digestore Chimica esterna al digestore

21 La depurazione del biogas DESOLFORAZIONE BIOLOGICA INTERNA AL DIGESTORE: Iniettando nella parte superiore del digestore una quantità d aria pari al 3-5% (non deve mai avvicinarsi al 10% in quanto si rischierebbe l esplosione della miscela aria-metano) della quantità di biogas prodotto, si favorisce la crescita di solfo-batteri, cioè batteri che ossidano l idrogeno solforato a zolfo elementare che si deposita così sulle travature in legno appositamente realizzate sulla copertura del digestore per dare ai batteri una superficie abbastanza ampia per il loro sviluppo. Questa tipologia di desolforazione è tra le più usate, ma a causa dell impossibilità di adeguare il rendimento in funzione della quantità di idrogeno solforato effettivamente prodotta, generalmente viene accoppiata ad un filtro a carboni attivi. ESTERNA AL DIGESTORE: consiste nell inserimento di colonne di desolforazione biologica a valle del digestore attraverso cui si fanno passare in controcorrente il biogas da depurare e una miscela di aria e solfobatteri. I rendimenti ottenibili sono vicini al 99% e si può regolare l apporto di aria in funzione della quantità di idrogeno solforato effettivamente prodotta.

22 La depurazione del biogas DESOLFORAZIONE CHIMICA INTERNA AL DIGESTORE: può essere solamente realizzata in impianti di digestione ad umido e consiste nel dosare all interno del digestore dei reagenti in grado di legarsi chimicamente allo zolfo limitando la formazione dell idrogeno solforato. I reagenti più utilizzati sono cloruro ferrico (FeCl3) o cloruro ferroso (FeCl2). ESTERNA AL DIGESTORE: consiste nel far passare il biogas in colonne di lavaggio in controcorrente con soluzioni alcaline o in filtri realizzati con ossidi di ferro che determinano l ossidazione della zolfo e di conseguenza la sua precipitazione

23 La depurazione del biogas ESSICCAZIONE Per ridurre la quantità di vapore acqueo presente nel biogas è necessario refrigerarlo in modo da favorire la condensazione. Di solito si sfrutta il naturale effetto refrigerante del terreno in tutte le stagioni: il biogas viene fatto passare in condotte interrate e l acqua che condensa confluisce per gravità in pozzetti di raccolta che devono essere periodicamente spurgati. Per incrementare il rendimento è possibile inserire a valle del circuito di raffreddamento un gruppo frigorifero per ridurre ulteriormente il contenuto d acqua.

24 La depurazione del biogas FILTRAGGIO A CARBONI ATTIVI Per raffinare la depurazione del biogas dall idrogeno solforato e da altre sostanza volatili, si può inserire un filtro a carboni attivi.

25 L utilizzo energetico del biogas Combustione Cogenerazion e Generazione energia elettrica Recupero termico Le tecnologie Motori alternativi a combustione interna Microturbine a gas Ciclo Otto Ciclo Diesel -modificato-

26 L utilizzo energetico del biogas Cogenerazion e ENERGIA BIOGAS = 100 h = 30-43% h = 45-50% ENERGIA ELETTRICA = ENERGIA TERMICA = autoconsumi ~ 10-15% autoconsumi ~ 35-50% ENERGIA ELETTRICA UTILE = ENERGIA TERMICA UTILE = 20-35

27 L utilizzo energetico del biogas Ciclo Otto CICLO OTTO TRADIZIONALE 3) Espansione: il fluido si espande e spinge il pistone al PMI -diminuzione di T e di P e aumento di V 4) Scarico: il pistone torna al PMS scaricando i gas di combustione 1) Compressione: il pistone si muove dal PMI al PMS comprimendo la miscela ariacombustibile il V diminuisce e la P aumenta 2) Combustione: quando il pistone è arrivato al PMS, la scintilla nella candela provoca la combustione della miscela la combusione è talmente veloce che si può supporre a V costante- e si ha innalzamento di P e di T 5) Aspirazione: il pistone si muove dal PMS al PMI aspirando la miscela di aria e combustibile il V aumenta e la P rimane pressochè costante -> L impiego del biogas non richiede modifiche concettuali, se non le ovvie modifiche al sistema di alimentazione PARAMETRI CARATTERISTICI h el = 35-40% h th = 45-50%

28 L utilizzo energetico del biogas Ciclo Diesel CICLO DIESEL TRADIZIONALE Il Ciclo Diesel differisce dal Ciclo Otto nel metodo utilizzato per provocare l accensione della miscela, che non prevede l utilizzo della candela: la combustione viene provocata attraverso l incremento della compressione, che porta ad un aumento di temperatura tale da innescare la reazione senza l ausilio della scintilla (questo grazie all utilizzo di un combustibile con maggior proprietà antidetonanti). La combustione è quindi più lenta e non avviene più a V costante, ma a P costante. -> l utilizzo del biogas come combustibile richiede modifiche più consistenti, poiché la modestissima infiammabilità del metano rende molto difficile l autoaccensione del combustibile -> è necessario iniettare del gasolio (non più del 5% perché altrimenti l impianto diventa ibrido e non si prenderebbero i CV prodotti dal gasolio) insieme al gas in modo da innescare la combustione PARAMETRI CARATTERISTICI h el = 38-43% -> superiori a quelli del Ciclo Otto in quanto si possono raggiungere rapporti di compressione maggiori h th = 45-50%

29 L utilizzo energetico del biogas Motori alternativi a combustione interna 60 % Ad alta T ( C) dai gas di scarico * Recupero calore 40% A bassa T ( C) dall acqua di raffreddamento e dall olio lubrificante Per processi (T ~ 90 C) Riscaldamento a bassa T * al di sotto dei 140 C nei gas di scarico prodotti acidi condensano: il recupero di calore non può essere esteso a basse T -> il calore recuperato dall olio è molto inferiore a quello recuperabile dall acqua di raffreddamento, -> a bassi carichi (<25%) il minor lavoro meccanico comporta un aumento del calore prelevabile dall acqua di raffreddamento.

30 L utilizzo energetico del biogas Motori alternativi a combustione interna Tecnologia dominante nel campo delle piccole potenze Vantaggi -> tecnologia ampiamente collaudata -> possibilità di funzionamento modulare variando il numero di cilindri in funzione della potenza da erogare -> facilità nel reperimento di servizi e di personale per la manutenzione Svantaggi: -> elevata rumorosità (necessitano di silenziamento e insonorizzazione delle macchine in funzione della localizzazione della centrale) -> costi di manutenzione elevati -> emissioni elevate

31 L utilizzo energetico del biogas Motori alternativi a combustione interna Criteri di scelta: Ciclo Otto o Ciclo Diesel? -> i motori basati sul Ciclo Otto hanno minori problemi gestionali e ridottissimo impatto ambientale -> i motori basati sul Ciclo Diesel modificato hanno maggiori rendimenti -> i motori a ciclo Otto non vengono generalmente utilizzati per taglie superiori a 1 MW

32 L utilizzo energetico del biogas Microturbine Di più recente concezione rispetto ai motori endotermici alternativi 1) In camera di combustione vengono iniettati aria in pressione e combustibile che reagiscono per combustione. 2) I gas prodotti dalla reazione, ad elevata pressione e temperatura, vengono inviati in turbina dove si espandono. 3) Il flusso di gas in uscita dalla turbina viene inviato a scambiatori di calore per recuperare il calore ancora presente. 4) I gas, una volta ceduto il calore all utenza termica, vengono emessi in atmosfera PARAMETRI CARATTERISTICI h el = 30-35% h th = 45-50% P in entrata alla turbina = 6-10 bar T gas in uscita dalla turbina per il recupero termico = C

33 L utilizzo energetico del biogas Microturbine Vantaggi -> elevata affidabilità -> emissioni ridotte rispetto ai motori a combustione interna -> manutenzione più snella Svantaggi -> tecnologia meno sviluppata su piccola scala -> diminuzione di rendimento per funzionamento a carichi parziali

34 Lo schema più frequente DIGESTIONE -> UMIDA -> IN MESOFILA -> A FLUSSO CONTINUO -> IN REATTORE BI-STADIO DESOLFORAZIONE BIOLOGICA INTERNA AL DIGESTORE RACCOLTA BIOGAS IN CUPULA GASOMETRICA SOVRASTANTE IL DIGESTORE DEUMIDIFICAZIONE DEL BIOGAS PER RAFFREDDAMENTO NEL SOTTOSUOLO COMBUSTIONE IN MOTORI ALTERNATIVI (Ciclo Diesel modificato)

35 La redditività IL TEMPO DI RIENTRO DELL INVESTIMENTO E STIMATO INTORNO AI 5 ANNI CONSIDERNADO IL VALORE DEI CERTIFICTI VERDI DI 0,12 /kwh E IN ASSENZA DI RECUPERO DEL CALORE BUONE PROSPETTIVE PER LA FILIERA CORTA

36 ? Lo smaltimento del digestato? Spandimento e direttiva nitrati N = N minerale N = N direttiva nitrati N liquame = N direttiva nitrati N colture energetiche = N minerale

37 Conclusioni VANTAGGI 1) Possibilità di guadagno 2) Riduzione degli odori; 3) Migliore stabilizzazione dei reflui prima dell utilizzo agronomico: assenza del rischio di bruciare la vegetazione con la sostanza organica fresca, abbattimento delle cariche batteriche, inattivazione dei semi infestanti, aumento della disponibilità del valore nutritivo con la demolizione delle lunghe catene molecolari; 4) Riduzione delle emissioni di gas serra e in particolar modo di CH4: quando i reflui vengono stoccati, nelle zone più interne del cumulo, si instaurano fenomeni degradativi che portano allo sviluppo di biogas, che viene rilasciato in atmosfera SVANTAGGI 1) Aumento del carico di N da smaltire a causa dell aggiunta di colture energetiche per rendere economico l investimento 2) Spesa iniziale elevata 3) Gestione complessa

38 Dott. Franco Parola Coldiretti Piemonte