Digestione anaerobica di effluenti di allevamento e altri co-substrati: massimizzazione delle rese energetiche per il controllo dell'azoto

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1 Digestione anaerobica di effluenti di allevamento e altri co-substrati: massimizzazione delle rese energetiche per il controllo dell'azoto David Bolzonella Università degli Studi di Verona Treviso, 21 ottobre

2 Alla luce di quanto descritto nelle relazioni precedenti appare evidente la necessità di massimizzare la produzione di energia del processo di digestione anaerobica così da massimizzare i ritorni economici del processo e quindi i margini per l applicazione di processi ad alta efficienza per il controllo dell azoto nei flussi effluenti secondo la logica prima illustrata: Treviso, 21 ottobre

3 Treviso, 21 ottobre

4 Treviso, 21 ottobre

5 kwh Treviso, 21 ottobre

6 kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre

7 kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre

8 kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre

9 kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre

10 Il processo di digestione anaerobica Treviso, 21 ottobre

11 Il processo di digestione anaerobica porta alla bio-conversione, in assenza di ossigeno, della sostanza organica complessa in biogas Materia organica complessa Biogas (CH 4 +CO 2 ) Digestato (azoto org + NH 4 ) Treviso, 21 ottobre

12 Il processo si sviluppa attraverso tre fasi distinte ma contestuali Idrolisi Acidogenesi Metanogenesi Treviso, 21 ottobre

13 Il loro contenuto energetico è però differente: Idrocarburi Grassi e oli Proteine Contenuto di energia Grado di ossidazione Carboidrati Treviso, 21 ottobre

14 Il tutto avviene in un reattore chiuso, opportunamente scaldato e miscelato, e in assenza di ossigeno Treviso, 21 ottobre

15 Configurazione generale di un impianto operante in Azienda Agricola (Source Treviso, 21 ottobre

16 Costruzione di impianti ex-novo Courtesy of C. Banks Treviso, 21 ottobre

17 Oppure il digestore anaerobico può essere ottenuto mediante revamping di vasche esistenti (ex stoccaggi) Schema di copertura di vasca di stoccaggio riscaldata Treviso, 21 ottobre

18 Copertura delle vasche e captazione del biogas Treviso, 21 ottobre

19 Sistemi di riscaldamento e miscelazione Treviso, 21 ottobre

20 Miscelazione e riscaldamento in reattori circolari Treviso, 21 ottobre

21 Miscelazione Treviso, 21 ottobre

22 Alimentazione del reattore: tramoggia di carico per substrati palabili (insilato, residui agro-industria.) Courtesy of C. Banks Treviso, 21 ottobre

23 Tramogge di carico Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre

24 Substrati liquidi Treviso, 21 ottobre

25 Separazione solido/liquido del digestato Treviso, 21 ottobre

26 Controllo della presenza di acido solfidrico nel biogas - In fase gas, mediante dosaggio di aria per reazione tra H 2 S ed O 2 fino a S 8 - In fase liquida mediante aggiunta di sali di Fe 2+ Treviso, 21 ottobre

27 Produzione di energia elettrica e calore 1 m 3 biogas (60% metano) 6 kw 2 kw e.e. 3 kw e.t. 1 kw perdite Treviso, 21 ottobre

28 Bilanci di materia Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre

29 Bilanci di energia Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre

30 Parametri operativi per impianti aziendali Temperatura C Carico Organico Tempo di ritenzione < 3 kgvs/m 3 al giorno > 45 giorni Si possono incrementare le rese del sistema operando sui parametri operativi e/o sul mix in alimentazione Treviso, 21 ottobre

31 La corretta progettazione nasce dalla buona conoscenza e dall equilibrio tra tre componenti fondamentali Progettazione Alimentazione Treviso, 21 ottobre

32 Oggi si parte da uno di questi elementi (vincolo) e a ritroso si determinano gli altri.. Progettazione Alimentazione Treviso, 21 ottobre

33 Problema che nasce da una tariffa pari a 0,28 per kwh fino a 1 MW ee installato Diverso sarebbe con un sistema a scaglioni e con incentivo al recupero di calore (es. UK) Potenza elettrica, kw Tariffa, per kwh < 250 0, ,130 > 500 0,094 Incentivo per il calore 0,065 per kwh Treviso, 21 ottobre

34 Analizziamo nel dettaglio le tre componenti: alimentazione, energia, digestato Alimentazione I substrati disponibili in Azienda (o reperibili) sono essenzialmente di tre tipologie: - Effluenti di allevamento - Colture dedicate: insilati di mais, triticale. - Residui dell agro-industria: residui vegetali, scarti dell industria alimentare, glicerolo (non nel Veneto), scarti di macellazione. Treviso, 21 ottobre

35 Il patrimonio zootecnico regionale è notevole (dati ARPAV 2007) 950,000 capi 53 milioni di capi 800,000 capi 5 milioni di abitanti Treviso, 21 ottobre

36 La produzione di biogas da effluenti di allevamento è contenuta Biogas per capo 1 mucca (500 kg) = 0,5 m 3 di biogas/d 1 maiale (90 kg) = 0,10 m 3 di biogas/d 1 gallina (2 kg) = 0,01 m 3 di biogas/d 1 cavallo (300 kg) = 0,09 m 3 di biogas/d 1 pecora (50 kg) = 0,07 m 3 di biogas/d Treviso, 21 ottobre

37 Mais Colture dedicate (energy crops) Rese fino a ton/ha per anno Costi di per ton Richiedono terreno, acqua, fertilizzanti, lavoro. Triticale Treviso, 21 ottobre

38 Attenzione!!! La visione della Comunità Europea (ref. David Baxter, leader di IEA Bioenergy) sull uso di energy crops sta cambiando. Nella nuova Direttiva sulle energie rinnovabili (revisione della 2009/28/EC) si introduce il concetto di sostenibilità dei bio-combustibili, e, in base alle procedure di calcolo definite dalla CE, quelli derivati da colture dedicate risultano perdenti.. Treviso, 21 ottobre

39 Treviso, 21 ottobre

40 Scarti agro-industriali Mais dolce Fagiolini Piselli Pomodoro Treviso, 21 ottobre

41 Insalata Patate Cipolle Marco-frutta Treviso, 21 ottobre

42 Stagionali ma in grado di corpire quasi tutto l anno (ma spesso necessitano modifiche di impianto!) Tomatoes Peas, beans, maize Apples, pears Apricots,peaches Fruit marc Vinasses Livestock effluents Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Occorre chiarezza (e semplicità) negli iter autorizzativi Treviso, 21 ottobre

43 Presentano caratteristiche e potenziale in biogas simili a quelli degli energy crops Parameters Total Total volatile TVS/TS COD N P solids (TS) solids (TVS) Substrates g/kg g/kg % g/kg dm mg/kg dm mg/kg dm Dairy manure (solid) Dairy manure (liquid) Piggery Poultry (litter) Duck (liquid) Rabbit manure Maize silage Triticale silage Fruit marc Potatoes Onions Vegetables (e.g., lettuce) ADSW&EC, Vienna

44 Presentano caratteristiche e potenziale in biogas simili a quelli degli energy crops Parameters Total Total volatile TVS/TS COD N P solids (TS) solids (TVS) Substrates g/kg g/kg % g/kg dm mg/kg dm mg/kg dm Dairy manure (solid) Dairy manure (liquid) Piggery Poultry (litter) Duck (liquid) Rabbit manure Maize silage Triticale silage Fruit marc Potatoes Onions Vegetables (e.g., lettuce) ADSW&EC, Vienna

45 Biogas potenziale 0,6 BMP P, m 3 CH4/kgVS 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ADSW&EC, Vienna

46 Biogas potenziale 0,6 BMP P, m 3 CH4/kgVS 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ADSW&EC, Vienna

47 Corretto mix per massimizzare le rese senza eccedere. (credits: prof Juan Lema) Treviso, 21 ottobre

48 . E controllare il processo!!! (credits: prof Juan Lema) Treviso, 21 ottobre

49 Energia circa il 50% della sostanza organica è convertito a biogas questo ha un contenuto in metano del 50-55% circa Il contenuto energetico è di circa 20 MJ per m3 o 6 kw Treviso, 21 ottobre

50 Treviso, 21 ottobre

51 Uso in co-generazione Una unità di co-generazione da 1 MW ee (22MWh al giorno) necessita di circa 10,000 m 3 di biogas al giorno. Con tariffa omnicomprensiva genera un ritorno di 6,000 al giorno (ca. 2 milioni di all anno) Treviso, 21 ottobre

52 Digestato Treviso, 21 ottobre