Corso di Energetica A.A. 2013/2014

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1 Corso di Energetica A.A. 2013/2014 Produzione di Biogas Prof. Ing. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche Università Politecnica delle Marche

2 Indice degli argomenti i. Definizione di Biogas ii. Vantaggi associati allo sfruttamento energetico del Biogas iii. Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa iv. Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica v. Digestione anaerobica vi. Caratteristiche del Biogas vii. Impieghi del digestato viii.componenti di un impianto per la produzione di Biogas ix. Esempio numerico: dimensionamento di un impianto x. Esempio di impianto a Biogas da biomassa 2

3 Definizione di Biogas Filiere di produzione per i vettori energetici da biomasse DM Incentivi a Rinnovabili elettriche non fotovoltaiche (2012): Biogas: gas prodotto dal processo di fermentazione anaerobica di biomassa. Gas di discarica: gas prodotto dal processo di fermentazione anaerobica di rifiuti stoccati in discarica. Biomassa per Biogas: liquami e deiezioni di allevamenti scarti di macellazione residui colturali colture energetiche scarti organici dell agro-industria Rifiuti per Biogas: frazione organica dei rifiuti urbani (RSU) ed industriali fanghi di depurazione L accesso al meccanismo di incentivazione degli impianti alimentati a Biogas e Gas di discarica è regolamentato dal DM Incentivi a FER elettriche non fotovoltaiche (2012). 3

4 Vantaggi associati allo sfruttamento energetico del Biogas Produzione di energia elettrica e calore in modo sostenibile per l ambiente: analogamente alla conversione energetica delle biomasse, anche l utilizzazione di Biogas e Gas di discarica non incide sul bilancio della CO 2 in ambiente. Riduzione delle emissioni di metano (CH 4 ) in atmosfera: lo stoccaggio di liquami, deiezioni e rifiuti attiva spontaneamente la produzione di metano, un gas con un potenziale climalterante (generazione di effetto serra) 23 volte superiore a quello dell anidride carbonica. Standardizzazione delle tecnologie richieste: gli impianti per la produzione di Biogas e Gas di discarica, diversamente dai plant per la gassificazione delle biomasse, necessitano di un know-how tecnologico già ampiamente diffuso nei cicli termodinamici normalmente impiegati per la produzione di energia elettrica e/o calore. La facilità di installazione e di gestione operativa dell impianto, unitamente all esigenza di rispettare requisiti di sicurezza molto meno stringenti di quelli di impianti tradizionali, ha determinato la larga diffusione di questa particolare tecnologia di conversione energetica. Economicità degli investimenti richiesti 4

5 Vantaggi associati allo sfruttamento energetico del Biogas Recupero e riutilizzazione dei prodotti derivanti dalla produzione di Biogas: al termine della trasformazione biochimica della biomassa in Biogas, i prodotti di scarto generati da tale processo (digestato) possono essere convenientemente reimpiegati, partecipando così alla riduzione dell impatto ambientale delle attività dell uomo. Elevata remunerazione dell energia prodotta: in base alle indicazioni riportate nel DM Incentivi a Rinnovabili elettriche non fotovoltaiche dell Aprile 2012, saranno proprio gli impianti alimentati a Biogas a beneficiare, nei prossimi anni, delle più alte remunerazioni per l energia prodotta. In particolare, saranno le installazioni di minor taglia quelle che beneficeranno degli incentivi più alti. Fonte: DM Incentivi a Rinnovabili elettriche non fotovoltaiche (2012) 5

6 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Impianto alimentato da Biogas (DM Incentivi a Rinnovabili elettriche non fotovoltaiche (2012)): è l insieme del sistema di stoccaggio delle biomasse, delle apparecchiature di trasferimento ai digestori del substrato, dei digestori e gasometri, delle tubazioni di convogliamento del gas, dei sistemi di pompaggio, condizionamento e trattamento del gas, di tutti i gruppi di generazione (gruppi motore-alternatore) e del sistema di trattamento dei fumi. 6

7 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa La biomassa destinata alla produzione di Biogas viene immagazzinata all interno di grandi contenitori sigillati, nei quali la totale assenza di ossigeno innesca un processo di anaerobiosi batterica (digestione/fermentazione anaerobica), che trasforma la biomassa organica in Biogas. Tale trasformazione è favorita dalla somministrazione di calore dall esterno. Il Biogas ottenuto viene convertito energeticamente in loco, per la produzione di sola energia elettrica o, più tipicamente, di energia elettrica e termica (cogenerazione CHP): - l energia elettrica può essere utilizzata per autoconsumo e/o immessa in rete; - l energia termica viene in parte reintrodotta nell impianto per riscaldare il digestore, mentre per la restante frazione viene sfruttata per alimentare reti locali di teleriscaldamento, per riscaldare stalle e serre, per processi industriali etc. DM 2012 Rinnovabili elettriche non fotovoltaiche: oltre all incentivo, viene riconosciuto il diritto al premio cogenerazione ad alto rendimento, maggiorato nel caso di rimozione dell eccesso di azoto nel digestato impiegato come fertilizzante. Gli impianti per la produzione di Biogas da biomassa hanno dimensioni variabili dipendentemente dalla disponibilità locale di biomassa: si passa da impianti di piccola scala, a impianti di media scala, fino a plant su grande scala (CADs: Centralized Anaerobic Digesters) che raccolgono biomassa proveniente da un network locale di produttori. 7

8 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Stoccaggio della biomassa: i più comuni sistemi per l immagazzinamento della biomassa prevedono l uso di silos, nei quali si avvia fin da subito l anaerobiosi batterica a freddo del materiale organico in essi contenuto; ciò è negativo dal momento che: - si riduce sensibilmente la produzione di Biogas nel digestore; - nel caso di immagazzinamento della biomassa in contenitori aperti, viene rilasciato metano in atmosfera, con peggioramento delle locali condizioni ambientali. Dunque, è bene che la biomassa sia trasferita il prima possibile all interno del digestore. 8

9 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Stoccaggio dei co-substrati: nella definizione di co-substrati rientrano differenti tipologie di biomasse, introdotte nel digestore in aggiunta alla carica principale di materiale organico (biomassa primaria). I co-substrati, o biomassa secondaria, possiedono una densità energetica particolarmente elevata, maggiore di quella propria della biomassa primaria: la loro introduzione è funzionale ad incrementare la resa in Biogas di quest ultima. Data la differente consistenza fisica dei co-substrati rispetto alla biomassa primaria, ed al fine di effettuarne un dosaggio calibrato, essi vengono immagazzinati in contenitori diversi da quelli destinati allo stoccaggio della biomassa primaria. 9

10 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Pretrattamento dei co-substrati: prima di essere inviati al digestore, dove verranno miscelati con la biomassa primaria, i cosubstrati devono subire dei trattamenti preliminari che, a seconda della particolare tipologia di biomassa secondaria, possono prevedere: - riduzione dimensionale: mediante azione meccanica, viene ridotta la pezzatura della biomassa secondaria, così da scongiurare l insorgere di ostruzioni nei sistemi di piping per l alimentazione del digestore; inoltre, la riduzione dimensionale dei co-substrati ne aumenta la superficie a disposizione dei batteri, velocizzando così la produzione di Biogas; - preriscaldamento: quando si impiegano grassi come co-substrati è necessario preriscaldarli in modo da aumentarne la fluidità; - sanificazione: alcune sostanze richiedono trattamenti sanificanti (ad esempio mediante riscaldamento), per abbattere eventuali cariche di agenti patogeni in esse contenute. 10

11 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Digestione anaerobica della biomassa: la biomassa primaria ed i co-substrati vengono trasferiti all interno di un digestore, in cui la totale assenza di ossigeno attiva processi di anaerobiosi batterica che producono Biogas e digestato (biomassa fermentata). Nel corso della digestione anaerobica, il materiale organico contenuto nel digestore viene continuamente mescolato, al fine di - massimizzare la penetrazione dei batteri, mediante un costante mescolamento dei substrati nuovi con quelli già presenti all interno del digestore; - incrementare il metabolismo dei batteri; - uniformare la temperatura della carica di materiale organico in trasformazione; - evitare la formazione di stratificazioni nella biomassa. 11

12 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Stoccaggio del digestato: Al termine del processo di digestione anaerobica, la biomassa fermentata (digestato) viene trasferita ed immagazzinata in contenitori nei quali prosegue un ulteriore parziale produzione di Biogas. Stoccaggio del Biogas: dipendentemente dalla configurazione del digestore, il Biogas prodotto può essere immagazzinato sia al suo interno che in unità di stoccaggio esterne. 12

13 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Conversione energetica del Biogas: lo sfruttamento energetico del Biogas avviene localmente, mediante l uso di un motore a gas che tipicamente opera come unità CHP: vengono prodotte al contempo sia energia elettrica che energia termica, impiegate secondo le modalità già discusse. Il Biogas prodotto può anche essere utilizzato come combustibile da trasporto, per l immissione in una rete di gas naturale o per la sola produzione di calore; tuttavia, questi usi sono meno diffusi rispetto al suo sfruttamento in situ, e richiedono inoltre successivi e più raffinati trattamenti di purificazione, che in parte inibirebbero la caratterizzazione di tecnologia a basso costo propria di questo tipo di installazioni. 13

14 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Taglia dell impianto Capacità del digestore [m 3 ] Biomassa processabile [t/a] Osservazioni Piccola taglia Alti costi d investimento. Basse rese in Biogas. Assenza di sistemi di coibentazione, riscaldamento e mescolamento della biomassa. Destinazione: paesi in via di sviluppo. Media taglia Destinazione: aziende agricole di medio-grandi dimensioni. Grande taglia Opportunità di investimento, anche in ragione della possibilità di produrre fertilizzanti di elevata qualità. Destinazione: CADs. Dimensione caratteristica degli impianti per la produzione di Gas di discarica. 14

15 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Impianto di medie dimensioni 15

16 Layout di un impianto per la produzione di Biogas da biomassa Tamar Energy plant, UK Biffa Waste Services Ltd., UK -3 MW. -6 MW -Energia elettrica per 6000 abitazioni. -Biomassa proveniente da aziende agricole locali. Impianti di grandi dimensioni -Entrato in funzione nel

17 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica Discarica controllata per la produzione di Biogas 17

18 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica In una discarica controllata i rifiuti vengono posizionati in forma stratificata sul suolo; nella massa di rifiuti così formata iniziano ad avere luogo fenomeni di natura fisica, chimica e biologica, con conseguente rilascio di sostanze in fase liquida (percolato) e gassosa (Gas di discarica). Classificazione delle discariche controllate - In funzione del tipo di rifiuti da smaltire: i. discariche per rifiuti inerti ii. discariche per rifiuti non pericolosi (es. rifiuti urbani) iii. discariche per rifiuti pericolosi - In funzione della modalità di trattamento dei rifiuti: i. Discariche controllate (d.c.) tradizionali (processi biochimici aerobici) ii. iii. Discariche controllate compattate Discariche controllate di rifiuti pretrattati Nelle d.c. compattate vengono sovrapposti strati di rifiuti alti 2 m, intervallati da un layer di materiale inerte spesso 20 cm: così facendo si ottengono elevati livelli di compattazione dei rifiuti, molto maggiori di quelli propri di una d.c. tradizionale, grazie ai quali si innescano processi di anaerobiosi batterica che producono Biogas. 18

19 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica La preparazione di un sito destinato ad ospitare una discarica controllata richiede i seguenti interventi: 1. impermeabilizzazione del terreno: è funzionale a scongiurare il rischio di infiltrazioni di percolato nel sottosuolo, con conseguente inquinamento delle falde. A tal fine, si ricopre il terreno con teli di materiale sintetico (HDPE) detti geomembrane (immagine a lato); 2. posa della rete di drenaggio e raccolta del percolato: una serie di tubi forati in materiale plastico intercetta la fase liquida che mano a mano si forma, e la invia in una vasca di raccolta (immagine a lato); 19

20 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica 3. Installazione dei sistemi di captazione e raccolta del Biogas: per la captazione del Biogas possono essere usati sistemi attivi o passivi: nei primi si fornisce artificialmente un gradiente di pressione mediante soffianti o compressori, mentre nei secondi si sfrutta il gradiente di pressione naturalmente creato all interno della discarica, a seguito della formazione del Biogas; i sistemi di captazione attivi sono normalmente più efficienti di quelli passivi. I condotti per l estrazione del Gas di discarica vengono distribuiti in maniera uniforme all interno della discarica, in modo da evitare la formazione di zone di ristagno del gas: in tal senso, sono importanti la spaziatura reciproca fra i condotti e la loro profondità di immersione. Schema tipico di una rete di captazione del Gas di discarica 20

21 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica Collettore di raccolta del Gas di discarica Condotto di estrazione del Gas di discarica 21

22 Layout di un impianto per la produzione di Gas di discarica Discarica con strato di copertura finale 22

23 Processo biochimico di anaerobiosi batterica Digestione anaerobica Per digestione anaerobica si intende il processo di degradazione della frazione organica della biomassa introdotta nel reattore (digestore), ad opera di microrganismi batterici che si attivano in condizioni di anaerobiosi (assenza di ossigeno). Tale processo è alternativo al compostaggio che, al contrario, è strettamente aerobico. Durante la fermentazione anaerobica della biomassa, i batteri decompongono il materiale organico al fine di ricavarne energia per il loro metabolismo: il metano, insieme all anidride carbonica, rientra fra i sottoprodotti di tale attività metabolica. In funzione della natura della materia degradata possono svilupparsi differenti prodotti di reazione: tra quelli di maggior rilievo va citata l ammoniaca, che deriva dalle demolizione delle proteine. La stabilizzazione anaerobica di una matrice complessa avviene in accordo con la seguente reazione stechiometrica tipo: C H O N nc H O N mch sco rh O d nx NH a b c d w x y z s a nw m r c ny 2s Come si può notare, si verifica la parziale distruzione di materiale organico complesso, con formazione di metano, biossido di carbonio, acqua ed ammoniaca. 23

24 Digestione anaerobica L attività biologica anaerobica può aver luogo in un ampio range di temperature, compreso fra 5 e + 70 C; le specie microbiche in essa coinvolte sono classificate in funzione dell intervallo termico ottimale di crescita: - psicrofile: T < 20 C - mesofile: 20 C < T < 40 C - termofile: T > 45 C 1 2 La catena trofica anaerobica, che trasforma la frazione organica della biomassa in Biogas, è costruita sull interazione di 4 diversi gruppi metabolici di microrganismi, che si differenziano sia per i substrati che per i prodotti del loro metabolismo. La figura a lato illustra i successivi stadi teorici di intervento dei vari gruppi metabolici, con i relativi prodotti intermedi; in realtà, questi stadi coesistono all interno del processo di digestione anaerobica, ed è più corretto dire che ogni sua fase è caratterizzata dall attività principale di uno specifico gruppo di batteri

25 1. Idrolisi Digestione anaerobica Le catene molecolari complesse dei substrati organici, quali proteine, carboidrati e lipidi, vengono degradate in composti semplici: si ottengono così aminoacidi, acidi grassi e monossacaridi (zuccheri semplici) in forma solubile. 2. Acidogenesi I composti solubili derivanti dall idrolisi vengono metabolizzati dai microrganismi acidogenici fermentanti; i prodotti della reazione sono acidi organici e alcoli. Glucosio Acido propionico Glucosio Alcool etilico 3. Acetogenesi Gli acidi organici e gli alcoli ottenuti dallo stadio di acidogenesi vengono convertiti in acido acetico, acido formico, biossido di carbonio e idrogeno. Acido propionico Acido acetico 25

26 Digestione anaerobica Alcool etilico Acido acetico 4. Metanogenesi La produzione di CH 4 segna la conclusione della catena trofica anaerobica: infatti, il metano è l unico composto non reattivo dell intero processo di digestione anaerobica della biomassa, e pertanto può considerarsi come suo prodotto finale. La produzione di metano può aver luogo attraverso due differenti tipologie di reazioni: ossidazione anaerobica dell idrogeno a metano: grazie all azione dei batteri metanigeni idrogenotrofi si verifica la reazione dismutazione anaerobica dell acido acetico: la maggior parte della produzione di metano avviene attraverso questo secondo meccanismo, detto anche via acetoclastica. 26

27 Parametri di processo Digestione anaerobica La catena trofica anaerobica precedentemente descritta può aver luogo solo in specifiche condizioni ambientali, che richiedono di essere monitorate mediante i parametri di processo di seguito descritti; è attraverso il loro controllo che si può implementare una gestione ottimale dell attività metanogenica. Ambiente anaerobico: i batteri possono attivarsi solo in totale assenza di ossigeno. Umidità: la biomassa processata deve avere un contenuto di umidità pari almeno al 50%. Temperatura: l attività dei batteri metanigeni è fortemente influenzata dalla temperatura: temperature molto basse (< 10 C) rallentano e riducono tale attività, mentre temperature eccessivamente elevate (> 65 C) comportano la morte dei batteri. La temperatura ottimale per la maggior parte dei batteri metanigeni è di C, e deve rimanere il più possibile costante: infatti, le colonie batteriche sono fortemente sensibili ad improvvise variazioni termiche. 27

28 Digestione anaerobica Esistono fondamentalmente tre principali range di temperature in cui risultano maggiormente attive determinate specie di batteri: - T < 30 C (batteri psicrofili) - 30 C < T < 40 C (batteri mesofili) - 40 C < T < 55 C (batteri termofili) L attività metanogenica aumenta al crescere della temperatura, e pertanto risulta più intensa con i batteri termofili. La maggior parte dei digestori per impianti di medie dimensioni opera nel range di temperature di competenza dei batteri mesofili, dal momento che in queste condizioni l anaerobiosi batterica è meno sensibile alle variazioni delle condizioni di processo, risultando più facilmente controllabile rispetto al caso di processi termofili. Tempo di ritenzione: è il tempo in cui la biomassa rimane all interno del digestore; varia con la temperatura, e dal momento che se questa aumenta l attività metanogenica diventa più intensa, quando la temperatura cresce il tempo di residenza ottimale nel reattore diminuisce. Dal grafico che segue si nota come, per raggiungere una produzione di Biogas prossima all ottimo, il tempo di ritenzione passi dai giorni per i batteri psicrofili, ai per i batteri mesofili, ai per i batteri termofili. 28

29 Digestione anaerobica ph ed alcalinità: il ph indica se l ambiente del digestore è favorevole o meno alle reazioni metanogeniche: valori di ph compresi fra 6.5 e 7.5 denotano un processo di digestione che evolve in maniera stabile. Il sistema deve avere la capacità di neutralizzare eventuali riduzioni del ph, dal momento che già con un ph di 6.2 i batteri metanigeni vengono inibiti; tale attitudine è espressa dall alcalinità dell ambiente, solitamente indicata come concentrazione di carbonato di calcio: valori di alcalinità nel range mg CaCO 3 sono indice di condizioni stabili. 29

30 Digestione anaerobica Carico organico: è la materia organica (OM: Organic Matter), per m 3 di reattore, giornalmente necessaria per la sopravvivenza delle varie specie batteriche, cioè per il loro metabolismo. Il carico organico dovrebbe essere compreso nel range [kg OM/m 3 /day], mentre valori ottimali sono fra 1 e 3 [kg OM/m 3 /day]. Sostanze ausiliarie: i batteri necessitano di minerali ed oligoelementi come sostanze ausiliarie per il proprio metabolismo. Quando si utilizzano liquami e deiezioni animali come biomassa primaria, tali sostanze sono normalmente presenti in quantità sufficienti. Fattori inibenti e tossici: alcuni fattori possono inibire o limitare sia la crescita delle colonie batteriche metanigene che la resa in Biogas della biomassa contenuta all interno del reattore. I parametri che possono avere influenze negative sono dati dal substrato stesso, se eccessivamente abbondante o troppo reattivo, e dalla presenza di agenti inibenti (metalli pesanti, sali, azoto ammoniacale, residui di pesticidi e prodotti farmaceutici, detergenti e disinfettanti, solventi, inibitori da trattamenti chimici per la conservazione dei cibi etc.). 30

31 Pezzatura della biomassa: Digestione anaerobica la pezzatura caratteristica della biomassa deve risultare sufficientemente fine, così da massimizzare la superficie attaccabile dai batteri. Mescolamento del substrato: oltre che per le ragioni già discusse, il mescolamento della biomassa è necessario per favorire la risalita verso l alto del Biogas prodotto, evitando così che questo si accumuli con conseguente innalzamento della pressione. Consistenza delle condizioni di anaerobiosi batterica: data l estrema sensibilità dell attività metanogenica alla variazione delle condizioni di processo, queste non devono subire brusche alterazioni: l apporto di biomassa fresca nel digestore, così come eventuali variazioni della sua composizione, devono aver luogo con continuità ed in maniera graduale. Contenuto di azoto: l azoto è un componente essenziale per il metabolismo dei batteri, ed aiuta a mantenere il ph a valori ottimali. Tuttavia, concentrazioni eccessive di azoto possono avere effetti nocivi. Il rapporto C:N deve essere nel range 20:1 40:1, con un valore ottimale nell intorno di 30:1. 31

32 Composizione del Biogas Caratteristiche del Biogas I principali costituenti del Biogas sono metano e biossido di carbonio, insieme ad altri composti elencati nella seguente tabella. Il contenuto di metano, da cui dipende il minore o maggiore pregio del Biogas, varia in funzione della tipologie di substrato organico: se quest ultimo ha un elevato quantitativo di carboidrati il tenore di metano è tendenzialmente basso. Resa in Biogas La resa in Biogas, cioè il quantitativo di Biogas ricavabile da 1 m 3 di biomassa, è massima quando tutti i parametri di processo sono, ciascuno, nel proprio range. 32

33 Caratteristiche del Biogas La resa in Biogas dipende dalle caratteristiche del substrato, e può essere stimata mediante la seguente relazione: Biomass production = amount of substrate [t] DM [%] OM [% of DM] maximum biogas production [m 3 /todm] DM (Dry Matter): frazione di materiale secco nel substrato OM (Organic Matter): frazione di materiale organico contenuto nella DM ODM (Organic Dry Matter): frazione organica del substrato (= DM OM) Esempio numerico: amount of substrate: 1000 t pig manure DM = 8 % OM = 80 % maximum biogas production = 450 m 3 /todm Biomass production = = m 3 33

34 Substrati Caratteristiche del Biogas Per substrati si intendono le diverse tipologie di biomasse con cui vengono alimentati i digestori. Biomassa primaria: la resa in Biogas varia fortemente in funzione delle caratteristiche della biomassa impiegata; in particolare, maggiore è il tenore di DM più alta risulta la resa in Biogas. Considerando, ad esempio, il caso specifico della biomassa proveniente da allevamenti zootecnici, la resa in biogas dipende dalla particolare specie animale e dalle condizioni in cui essa viene allevata (ad. es.: tipo di alimentazione). Le tabelle allegate riassumono le principali caratteristiche delle più diffuse tipologie di biomassa. 34

35 Caratteristiche del Biogas Co-substrati L aggiunta di biomassa secondaria (co-digestione) è una tecnica praticata per incrementare la produttività di un impianto, dal momento che i co-substrati hanno una resa in Biogas mediamente superiore a quella della biomassa primaria. Nel caso della co-digestione, il monitoraggio dei parametri di processo, ed in particolare dei valori del ph e del carico organico, risulta particolarmente critico. La biomassa secondaria può provenire da rifiuti agricoli o da scarti dell industria agroalimentare. La seguente tabella riassume le caratteristiche di alcuni co substrati. 35

36 Impieghi del digestato Negli impianti che producono Biogas da biomassa di origine zootecnica o sotto forma di scarti organici dell agro-industria, il digestato può essere convenientemente utilizzato come fertilizzante naturale: infatti, esso contiene un elevato tenore di azoto, l elemento nutritivo più importante per la crescita delle specie vegetali in genere. L impiego del digestato come fertilizzante è funzionale a ridurre in modo apprezzabile il consumo di fertilizzanti chimici. L uso del digestato come fertilizzante per terreni agricoli pone una serie di problematiche legate - alla sua composizione chimica (spesso regolamentata da normative nazionali o locali); - alla presenza di impurità di vario tipo; - alla presenza di agenti patogeni e contaminanti: il riscaldamento dei substrati all interno del digestore uccide la maggior parte degli agenti patogeni ma, per scongiurare rischi di diffusione di epidemie (indotti dal reinserimento del digestato nella catena alimentare), è frequente che vengano effettuati trattamenti di sanificazione prima che il digestato sia impiegato come fertilizzante. 36

37 Digestore Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Digestore orizzontale Il reattore è relativamente piccolo, con un volume compreso fra 50 e 150 m 3. Il sistema di riscaldamento della biomassa è integrato nel mixer. Questo tipo di digestore necessita sempre di un sistema esterno per lo stoccaggio del Biogas prodotto. All interno del reattore il moto della materia organica avviene in direzione orizzontale, mentre il suo mescolamento in senso verticale. Mescolando la biomassa verticalmente non viene favorito il mescolamento di porzioni di materiale che, trovandosi in differenti posizioni assiali, sono coinvolte in differenti fasi dell anaerobiosi batterica: conseguentemente la resa in Biogas è maggiore, e a fine processo si raggiunge un più alto livello di sanificazione del digestato. 37

38 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Digestore verticale Il reattore, tipicamente di forma cilindrica, ha una capacità compresa fra 300 e 1500 m 3. Il materiale organico in esso contenuto viene riscaldato dal calore fornito da una rete di tubazioni in cui scorre acqua calda, disposte lungo le pareti perimetrali del digestore; le pareti sono, inoltre, coibentate per ridurre le dispersioni termiche verso l ambiente esterno. Diverse soluzioni tecniche possono essere adottate per il mescolamento della biomassa. La sommità del digestore è coperta da una membrana deformabile in materiale sintetico, che consente lo stoccaggio del Biogas prodotto all interno del reattore stesso; tuttavia, l adozione di questo genere di copertura incrementa le dispersioni termiche: in alternativa si può ricorrere ad una copertura rigida provvista di materiale isolante, ma questa soluzione rende necessario lo stoccaggio del Biogas al di fuori del digestore. Generalmente i digestori verticali sono più economici rispetto ai reattori orizzontali grazie all uso di materiali meno pregiati e ad una costruzione intrinsecamente più semplice; il pavimento e le pareti perimetrali del reattore sono solitamente realizzate in cemento armato. 38

39 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Sistemi di riscaldamento e coibentazione Dal momento che l anaerobiosi batterica richiede temperature superiori a quelle ambientali, è necessario fornire calore alla biomassa presente nel digestore: tale calore viene solitamente recuperato dal ciclo CHP a valle dello stadio di digestione dell impianto. Esistono fondamentalmente tre differenti soluzioni per il riscaldamento del substrato organico: sistema di riscaldamento integrato nel mixer: è questa la soluzione adottata nei digestori orizzontali; rete di tubazioni in cui scorre acqua calda sulle pareti del digestore: sul lato interno delle pareti perimetrali dei digestori verticali si realizzano reti di tubazioni in cui scorre acqua calda; per favorire lo scambio termico si preferiscono tubazioni in acciaio piuttosto che in PVC. In alcuni casi si può anche decidere di riscaldare il pavimento del digestore, ma questa soluzione è poco diffusa dal momento che lo strato di materiale organico che sedimenta sul fondo del reattore ha una ridotta conduttività termica e pertanto agisce sostanzialmente da isolante. 39

40 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Recupero di calore da sistemi di sanificazione: i plant per la produzione di Biogas provvisti di apparati di sanificazione, in cui parte del materiale organico viene riscaldato fino a 70 C, spesso non possiedono un sistema di riscaldamento ad hoc: in essi, infatti, il riscaldamento della biomassa può essere effettuato recuperando energia termica dal substrato sanificato. Al fine di ridurre le dispersioni di calore verso l esterno, le pareti del digestore vengono rivestite con materiali coibentanti (polistirene, poliuretano etc.). Rete di tubazioni di acqua calda sulle pareti interne del digestore Coibentazione delle pareti esterne del digestore 40

41 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Dispositivi per il mescolamento della biomassa La necessità di dotare il digestore di sistemi per il mescolamento della biomassa deriva dalle seguenti ragioni: - mescolare il materiale organico già presente nel reattore con quello nuovo; - garantire l assenza di elevati gradienti termici nell ambiente di reazione; - evitare la formazione di agglomerazioni e stratificazioni, anche al fine di favorire la risalita del Biogas mano a mano che esso si forma. I sistemi per il mixing della biomassa all interno del digestore possono suddividersi in due categorie: sistemi meccanici: sono costituiti da un motore elettrico che mette in rotazione una schiera di eliche assiali; questa soluzione è applicabile a digestori di volume fino 1000 m 3. 41

42 sistemi idraulici: Componenti di un impianto per la produzione di Biogas la biomassa viene aspirata da un punto del digestore, solitamente la sommità, e reintrodotta in esso in un altro punto, tipicamente il fondo. Questa soluzione richiede la realizzazione di un apposita rete di tubazioni che deve essere tale da garantire che tutto il substrato in trasformazione venga opportunamente mescolato. Tra i vantaggi vanno sottolineate la mancanza di organi in movimento all interno dell ambiente di reazione ed una migliore efficacia di mescolamento rispetto a sistemi di tipo meccanico. La principale limitazione di questa tecnologia è data dal requisito di una sufficiente fluidità del materiale organico: se questo tende a formare stratificazioni è necessario ricorrere a sistemi meccanici di mescolamento. 42

43 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Stoccaggio del Biogas Il Biogas viene normalmente immagazzinato a pressioni prossime a quella atmosferica e ciò comporta la necessità di volumi di stoccaggio maggiori rispetto a quelli propri dei normali sistemi di immagazzinamento del gas. Il volume richiesto dallo stoccaggio del Biogas dipende dalla velocità con cui esso viene prodotto e consumato: se il ciclo CHP opera con continuità sono sufficienti volumi minori, viceversa volumi più grandi sono necessari quando il sistema CHP è progettato per far fronte a picchi nella richiesta di energia. Lo stoccaggio del Biogas può avvenire: 1. internamente al digestore: una membrana deformabile in materiale sintetico, posta sulla sommità del reattore, si espande mano a mano che il processo di digestione anaerobica produce Biogas; 2. esternamente al digestore: in questo caso si impiegano speciali contenitori adibiti all immagazzinamento del Biogas, classificabili in funzione delle loro pressioni operative: 43

44 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas stoccaggio a basse pressioni ( mbar): viene effettuato all interno di gas bag realizzate in materiale sintetico e con volumi fino a 2000 m 3 ; le gas bag sono economiche e versatili, possono essere fabbricate in situ e non sollecitano i materiali impiegati per la loro costruzione. L utilizzo di gas bag è tipico per impianti di piccola e media taglia; stoccaggio a medie pressioni (5 20 bar) e al alte pressioni ( bar): in entrambi i casi il Biogas viene immagazzinato in contenitori in acciaio, con una costruzione più complessa e costosa; questa è la soluzione di storage impiegata nei plant di maggiore potenzialità. 44

45 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Unità CHP La conversione energetica del Biogas avviene in un unità CHP che produce contemporaneamente energia elettrica e termica (cogenerazione). L unità CHP è normalmente equipaggiata con un motore alternativo a combustione interna a ciclo otto, a cui è accoppiato un alternatore per la produzione di energia elettrica. Il calore di scarto del ciclo otto, normalmente disperso dai fumi di scarico e dissipato dal sistema di raffreddamento a liquido del motore, viene recuperato per mezzo di scambiatori di calore: l energia termica così disponibile in parte viene impiegata per il riscaldamento del digestore, mentre per la restante frazione viene destinata ad impieghi di altro tipo (alimentazione di reti di teleriscaldamento, calore di processo etc.). L energia elettrica prodotta può essere impiegata per autoconsumo e/o immessa in rete. L utilizzo di un assetto cogenerativo consente di sfruttare fino al 90% dell energia chimica immagazzinata nel Biogas: con le attuali tecnologie, si raggiungono rendimenti di conversione elettrica del 30%, riuscendo a recuperare sotto forma di calore fino al 60% dell energia introdotta nel ciclo di potenza. 45

46 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Soluzioni alternative all impiego di un motore a ciclo otto sono date dall uso di motori Stirling, turbine a gas e celle a combustibile: tuttavia queste tecnologie non hanno ancora raggiunto il necessario livello di maturità commerciale. Un ulteriore possibilità è rappresentata dall uso di unità CHP con doppia alimentazione (mix di Biogas e diesel): tuttavia, in questo caso, il riconoscimento dell impianto come alimentato da FER o meno non è automatico, dipendendo di volta in volta dalla normativa nazionale di riferimento. Unità CHP convenzionale 46

47 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Apparato di desolforazione del Biogas Il Biogas può contenere fino all 1% di acido solfidrico (H 2 S) che, a causa del suo effetto corrosivo, può danneggiare le tubazioni di trasporto del Biogas e l unità CHP. La rimozione dell H 2 S può essere eseguita mediante opportune aggiunte di aria nella parte superiore del digestore, in prossimità della sezione di uscita del Biogas. Quando il dosaggio di aria è effettuato in maniera corretta si possono ottenere tassi di abbattimento del tenore di acido solfidrico del 95%. Tuttavia, occorre prestare attenzione a non introdurre eccessivi quantitativi di aria per il reale pericolo di esplosioni. Apparato per il monitoraggio dell H 2 S e la desolforazione del Biogas 47

48 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Sistemi di monitoraggio del corretto funzionamento dell impianto Sensori di temperatura Solitamente fissati alle pareti interne del digestore, consentono di monitorare la temperatura dei substrati organici in trasformazione. La rilevazione della temperatura è necessaria non solo all interno del reattore, ma anche per monitorare lo sfruttamento del calore prodotto dall impianto (es.: calcolo del consumo di energia termica da parte di una rete di teleriscaldamento). Indicatori di livello del digestore Consentono di avere informazioni sul flusso giornaliero di biomassa processata. Contatori elettrici Normalmente ne vengono previsti due: uno misura il consumo interno di energia elettrica, mentre l altro rileva l energia elettrica che viene immessa in rete. 48

49 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Misuratori della portata di Biogas Analogamente ai contatori elettrici, sono almeno due: uno per la rilevazione della produzione di Biogas ed uno per la misura del suo consumo. La rilevazione dei flussi di Biogas è fondamentale per stimare la performance dell impianto, ma è anche necessaria per garantire la sua operatività in condizioni di sicurezza. Misuratori di ph Il valore del ph è di fondamentale importanza per mantenere un ambiente di reazione favorevole all attività metanogenica delle cariche batteriche. Misuratori della composizione del Biogas Rilevando il tenore di metano nel Biogas si ottiene un informazione diretta sulle prestazioni del reattore, mentre dai valori di acido solfidrico si può valutare se la desolforazione viene condotta in maniera appropriata. Sistema di acquisizione Rileva in tempo reale le informazioni raccolte dall intera rete di sensori dell impianto e fornisce una stima delle sue prestazioni, consentendo di effettuare interventi correttivi mirati. 49

50 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Sistemi di sicurezza Il trattamento di combustibili altamente infiammabili richiede la conformità a specifiche normative sulla sicurezza dell impianto. Dotazione di sicurezza di un impianto per la produzione di Biogas 50

51 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Materiali resistenti alla corrosione per la tubazioni destinate al trasporto del Biogas. Valvole di sicurezza Valvole di ritegno Separatori di condensa Filtri gas Manometri realizzazione della Rompifiamma (confinamento della fiamma e protezione contro inneschi indesiderati) Torcia (fiaccola di emergenza): sistema di sicurezza a camera chiusa che, nel caso di mancato funzionamento dell unità CHP, brucia il gas in eccesso (immagine a fianco). Altri accorgimenti: - adottare distanze opportune fra i digestori, il locale dell unità CHP e gli edifici limitrofi: - garantire sufficiente ventilazione al locale che ospita l unità CHP; - etc. 51

52 Componenti di un impianto per la produzione di Biogas Vasche di stoccaggio Digestori Flare Unità CHP Trincee (silos orizzontali) 52

53 Esempio numerico: dimensionamento di un impianto Input: disponibilità annua di 5000 m 3 di letame bovino (biomassa primaria) e di 1000 m 3 rifiuti agricoli (co-substrati). (800 t) di Dimensionamento del digestore Considerando un tempo di ritenzione di 28 giorni per un processo di digestione anaerobica in regime mesofilo si ottiene: Dimensionamento dei silos di stoccaggio del digestato 53

54 Esempio numerico: dimensionamento di un impianto Ipotizzando un tempo di stoccaggio del digestato di 2 mesi all anno si ottiene: Produzione annua di Biogas Assumendo: - per la biomassa primaria: densità = 1 t/m 3 DM = 10 % OM/DM = 80 % Biogas yield = 0.25 m 3 /t OM 54

55 Esempio numerico: dimensionamento di un impianto - per la biomassa secondaria: densità = 0.8 t/m 3 DM = 30 % OM/DM = 70 % Biogas yield = 0.55 m 3 /t OM si ottiene: Biogas storage Nel caso di stoccaggio del Biogas all interno di un digestore verticale coperto da una membrana deformabile, occorre calcolarne il diametro che, chiaramente, equivale a quello del reattore. Avendo calcolato un volume del digestore di 461 m 3, ed ipotizzando che questo sia alto 5 m, si ottiene che la copertura sintetica deve avere un diametro di 10.8 m. Data la modesta capacità di stoccaggio del Biogas al di sotto della membrana, è bene prevedere un volume del digestore opportunamente maggiorato. 55

56 Esempio numerico: dimensionamento di un impianto Dimensionamento dell unità CHP Calcolo della potenza elettrica: Calorific value of biogas = 20 MJ/Nm 3 (valore medio) Operational full load: se l unità CHP è utilizzata in maniera continuativa, è verosimile ipotizzare che essa sia in funzione per circa 7500 ore all anno Electrical efficiency = 30% (all aumentare della taglia dell unità CHP, il rendimento di conversione elettrica può essere anche maggiore) 1 effetto utile 56

57 Esempio numerico: dimensionamento di un impianto Calcolo della potenza termica: potenza termica fornita in ingresso all unità CHP mediante la combustione del Biogas: potenza termica in uscita dall unità CHP e recuperabile in assetto cogenerativo: Ipotizzando un efficienza di recupero termico (Thermal efficiency) del 50 %, si ottiene: 2 effetto utile 57

58 Esempio di impianto a Biogas da biomassa 58

59 Esempio di impianto a Biogas da biomassa 59

60 Esempio di impianto a Biogas da biomassa Aspetti salienti dell impianto Potenza elettrica Potenza termica 999 kw 1498 kw Materie prime impiegate Insilato di mais t/a Approvvigionamento materie prime Sorgo Scarti di lavorazione di verdure Liquame bovino Totale Produzione totale annua di Biogas m t/a 2000 t/a 2000 t/a t/a Aziende della zona (filiera corta) Produzione annua lorda di energia elettrica Energia elettrica ceduta in rete Energia elettrica reimpiegata Produzione annua lorda di energia termica kwh kwh kwh kwh 60

61 Esempio di impianto a Biogas da biomassa Energia termica reimpiegata Impatti ambientali kwh 22 mezzi/giorno CO da impianto e traffico 800 mg/m 3 NO x da impianto e traffico 500 mg/m 3 CO 2 da impianto e traffico 30 t/a Quantità di digestato ottenuto Anidride carbonica risparmiata t/a 4471 t/a Quadro ambientale Nella progettazione di un qualsiasi tipo di impianto occorre valutare anche gli impatti potenziali sull ambiente, dovuti al suo funzionamento. Le componenti di seguito elencate sono estrapolate dalla normativa riguardante i progetti sottoposti a studio di impatto ambientale. 61

62 Esempio di un impianto a Biogas da biomassa Salute pubblica i. Pericoli fisici (es. esplosioni ed incendi) ii. Pericoli chimici iii.pericoli biologici (non sussistono impiegando batteri ubiquitari) Atmosfera (qualità dell aria) i. Traffico generato dall impianto legato all approvvigionamento della biomassa ed alla asportazione del digestato (ammendante) ii. Rumore iii.emissioni in atmosfera: il dato più importante non è riferito alle emissioni in uscita dall impianto, bensì al quantitativo di gas serra (CO 2 ) risparmiato. Per calcolare la quantità di CO 2 risparmiata si ricorre alla formula prevista dalla Direttiva Europea 2003/87/EC (EU- EST): t CO 2 risparmiata = Dato attività Fattore di emissione Fattore di ossidazione Nel caso in esame vengono immesse in atmosfera 4471 t/a di CO 2, fissate dalle colture coinvolte nel processo di produzione della biomassa che alimenta l impianto. 62

63 Esempio di un impianto a Biogas da biomassa Suolo, sottosuolo ed ambiente idrico i. Ammendante ottenibile (digestato) ii. Produzione di rifiuti iii.scarichi idrici civili e di processo Fonti elettromagnetiche Fattore socio economico i. Miglioramento delle condizioni ambientali e della qualità dell aria (riduzione emissioni climalteranti) ii. Certezza del reddito derivante dalla riconversione colturale delle azienda agricole fornitrici di biomassa iii.migliori condizioni economiche degli operatori diretti e dell indotto 63

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