Digestione anaerobica

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2 Digestione anaerobica Aspetti tecnici e gestionali Claudio Fabbri CRPA spa

3 Digestione Anaerobica: take at home! La digestione anaerobica è un processo microbiologico già esistente in natura, molto antico dal punto di vista evolutivo Innovazione e ricerca biotecnologica ne hanno esteso la flessibilità e l affidabilità: oggi è possibile recuperare metano da ogni scarto organico (effluenti zootecnici e sottoprodotti agro-industriali) E il cuore di un ciclo eco-sostenibile che si integra nel territorio: riduzione delle emissioni in atmosfera, valorizzazione energetica (biometano, energia elettrica, energia termica) e fertilizzazione dei terreni. Esistono potenzialità ancora inesplorate (chimica verde, bioraffinerie, biocarburanti)

4 Ricerca Industriale E un laboratorio dedicato alla Ricerca Industriale Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna Sezione AMBIENTE ed ENERGIA

5 La digestione anaerobica e la digestione del bovino

6 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!!

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

8 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) Attenzione però che l'alcalinità da bicarbonati si consuma! Ione Bicarbonato: HCO 3 - Acido carbonico: H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

9 Potenziale RedOx E' una misura della ossidabilità/riducibilità della sostanza organica. Al diminuire del potenziale RedOx diminuisce il ph e viceversa La digestione anaerobica avviene in ambiente riducente, ovvero <-300 mv (range normale fra e -450 mv) I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di RedOx

10 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 METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di ammoniaca

11 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 micronutrienti necessari al buon funzionamento! I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti

12 Digestione soli insilati: oligoelementi La 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)

13 Temperatura di processo La digestione anaerobica può essere condotta in condizione mesofile (35-40 C) o termofile (50-55 C). Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10-25 C).

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

15 Temperatura di processo Psichrophilic Mesophilic Thermophilic Rate of the AD process Temperature

16 Il potenziale metanigeno delle biomasse Claudio Fabbri CRPA spa

17 Metodi di valutazione: BMP statico A norma UNI EN ISO 11734:2004 Sistema manometrico

18 BMP: informazioni ottenibili Resa produttiva biogas: Nm 3 /t SV o Nm 3 /t tq Resa produttiva metano: Nm 3 /t SV o Nm 3 /t tq Percentuale metano: % Degradabilità dei solidi volatili: % Digestato producibile: t digestato/t biomassa Azoto equivalente: kgn/nm 3 CH4 K max : intervallo di tempo per raggiungere la massima velocità di produzione (giorni) F 50% : intervallo di tempo per raggiungere il 50% della produzione (giorni) F 90% : intervallo di tempo per raggiungere il 90% della produzione (giorni)

19 Rese produttive (BMP): Nm 3 CH 4 /tsv Fonte: archivio CRPA, circa 3000 BMP 700 Nm3 CH4/t SV

20 Valori medi di resa in metano (m 3 /tsv) per effluenti zootecnici Media Dev.st CV Liquame suino 293,8 69,4 23,6% Suino (solido separato) 174,8 67,3 38,5% Liquame bovino 218,9 29,1 13,3% Bovino (Solido separato) 153,1 69,1 45,1% Letame bovino 186,9 59,8 32,0% Lettiera avicola 265,5 58,7 22,1% Pollina 306,1 74,0 24,2%

21 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche SS [%] NDF [%SS] ADF [%SS] ADL [%SS] ADL/NDF [%] dndf [%NDF] Amido [%SS] Epoca 1 18,91 51,74 32,49 2,95 5,70 60,47 0,23 Epoca 2 26,14 55,44 34,80 3,26 5,88 48,70 0,00 Epoca 3 29,43 58,20 39,11 5,40 9,28 36,52 1,37 Epoca 4 36,95 49,31 32,59 4,78 9,69 33,09 12,65 Correlazione molto alta con fibra degradabile!

22 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche

23 Sansa di oliva 2 fasi Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,7% % 32,1%

24 Sansa di oliva 3 fasi Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,6% % 32,8%

25 Sansa di oliva denocciolata Produzione CH4 [Nm3/t SV] Solidi totali Kmax (giorno): BMP21 [Nm3/tSV]: 264 Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) 7.7 BMP [Nm3/tSV]: Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] (%) (%) , ,4% % 56% Giorni 30 Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] 20 10

26 Sansa di oliva denocciolata e defibrata Produzione CH4 [Nm3/t SV] Kmax (giorno): BMP21 [Nm3/tSV]: 368 BMP [Nm3/tSV]: Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , % % 79%

27 RBP - potenziale metanigeno residuo nel digestato Frequenza (%) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Resa metano (Nm 3 /tsv) RBP (valore medio, n. 96 ) = 89 ± 35,4 Nm 3 CH 4 /t s.v.

28 Schemi tecnologici Claudio Fabbri CRPA spa

29 Schemi impiantistici: DA monostadio e monofase Biomasse solide Biomasse pompabili Digestato Primario Idrolisi Acidogenesi + acetogenesi Metanogenesi ph=6,7-8,2 FOS=2, mg HAeq/l TAC= mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,4 ST= 5-8% CH 4 = 52-56%, H 2 = ppm

30 Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse (500 capi da carne) CHP 380 kw Dosatore Colture dedicate 16,45 t/g F m 3 Matrice Liquame bovino Insilato di mais Pastone integrale Totale/medi a Quantità tal quale COV Produzione metano [t/giorno] [kg/m3/giorno] [%] [m3/giorno] [%] 19,1 0,3 11, ,3 2,29 87, ,6 0,15 0,03 1,2 31 1,4 35,6 2, Bovini Stoccaggio 3000 m 3 Solido separato HRT gg COV 2,6-2,7 kgsv/m 3 /gg

31 Potenza elettrica (kw) Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse (500 capi da carne) Potenza elettrica media 341 kw 0 1-set 1-ott 1-nov 1-dic 1-gen 1-feb Potenza elettrica Carico organico volumetrico Produzione biogas/metano m 3 /tsv al 50% CH 4 Carico organico volumetrico (kgsv/m3.giorno)

32 Schemi impiantistici: DA bistadio e monofase Biomasse solide F1 F2 Digestato Biomasse pompabili Primario Idrolisi Acidogenesi + acetogenesi Metanogenesi Secondario ph=6,7-7,6 FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,3-0,4 ph=7,4-8,2 FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,3 ST= 7-8% ST= 5-7% CH 4 = 50-52%, H 2 = ppm CH 4 = 52-55%, H 2 = ppm

33 Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici (890 capi produttivi da latte) Ivano 14,5 t/gg Dosatore 30,5 t/gg 70 t/gg Antonio Trasporto (2 km) CHP 330 kw Letame Ricircolo per diluizione carico Pompa trituratrice F m 3 F m t/gg Stoccaggio 3000 m 3 Solido separato HRT gg COV 2,3-2,5 kgsv/m 3 /gg

34 Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici Potenza elettrica media 272 kw 0,3 kw/capo produttivo Produzione biogas/metano m 3 /tsv al 54,5% CH 4 16,8-19,3 m 3 CH 4 /t effluente

35 Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte) Potenza elettrica media 475 kw Produzione biogas/metano m 3 /tsv al 54% CH 4 Liquame 26,7 t/gg Bovini Letame 5,9 t/gg CHP 2 x 250 kw F2 F m m 3 HRT gg COV 2,2-2,5 kgsv/m 3 /gg Dosatore Stoccaggio Solido separato Colture dedicate 19,5 t/g

36 Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte) Digestato in uscita dai due digestori Efficienza di degradaz. = 74,2% cioè solo il 25,8% dei solidi volatili non è stato convertito in biogas.

37 Schemi impiantistici: DA bistadio e bifase Biomasse solide F1 F2 Digestato Biomasse pompabili Primario Idrolisi ph=5,5-5,8 Acidogenesi + acetogenesi Secondario Metanogenesi ph=7,4-8,2 FOS= mg HAeq/l TAC= mg FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO3/l FOS/TAC = 4-5 CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,3 ST= 11-13% ST= 5-7% CH 4 = 10-20%, H 2 = ppm CH 4 = 55-60%, H 2 = ppm

38 Cambiamenti rapporti chimici in bistadio + bifase: acidi e alcali FOS (mg HAeq/l) ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Primario Secondario Secondario TAC(mg CaCO3/l) ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Primario Secondario Secondario ph ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Nelle fasi iniziali di separazione di fase, ottenuta con modifiche dei ricircoli, il ph cala e FOS aumenta rapidamente. Nel digestore secondario si mantengono valori stabili. Primario Secondario Secondario

39 Ripristino potenza in impianto bistadio + bifase Potenza elettrica (kw) Rottura alternatore + Manutenzione straordinaria h COV al 20% per mantenere biologia attiva 20 giorni di fermo 0 25-feb 7-mar 17-mar 27-mar 6-apr 16-apr 26-apr Potenza effettiva Potenza attesa Ripristino piena potenza in 8 giorni

40 Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti Si tratta di uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione e gestione di un impianto di biogas che per i professionisti che devono progettare. Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico (CIG E45J ) Le linee guida sono disponibili scaricabili in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet

41 BiogasDoneRight Claudio Fabbri

42 Perché le bioenergie?

43 FONTI RINNOVABILI INTERMITTENTI vs FONTI RINNOVABILI PROGRAMMABILI. 1. Valore del biogas come fonte programmabile al ridursi delle fonti programmabili fossili post 2030 COP 21 NON FINISCE AL Valore della rete gas come sistema di stoccaggio, raccolta energie rinnovabili e utilizzo in tutti gli usi finali 3. Valore del gas rinnovabile nella decarbonizzazione dei settori di difficile elettrificazione 4. Valore del bioagsdoneright per una decarbonizzazione del settore agricolo e funzione di carbon sink dei suoli agricoli 43

44 DECARBONIZZARE L AGRICOLTURA I TRE PILASTRI DEL BIOGASDONERIGHT - FERTILIZZANTI + RICICLO NUTRIENTI + ROTAZIONI ED USO DEL SUOLO EFFICIENTE + SOSTANZA ORGANICA

45 Biogas e carbonio: un binomio efficace? La digestione anaerobica è un processo naturale che utilizza carbonio di origine biogenica e lo converte in un flusso energetico ad alto valore lasciando un residuo carbonioso ad elevato valore aggiunto agronomico C_CO 2 C a H b O c N d S e Energia Carbon storage C_CO 2

46 Modello BiogasDONERIGHT Rotazioni e colture sequenziali: aumentare l efficienza di utilizzo del suolo coltivando fino a 2 colture nello stesso suolo e nello stesso anno per ottenere biomasse addizionali. Riciclo dei nutrienti al terreno grazie all utilizzo del digestato Sistemi di agricoltura conservativa e promozione del sequestro del carbonio nel suolo attraverso la sostanza organica.

47 Effetto della digestione anaerobica Le emissioni di gas serra per la produzione di energia sono molto minori rispetto a quelle delle fonti fossili, addirittura negative se prodotto con soli effluenti zootecnici Solo liquami

48 Grazie per l attenzione Claudio Fabbri CRPA spa