Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori anaerobici individuate dal Progetto EUAGROBIOGAS

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1 Thematic Meeting Opportunità di innovazione nel campo dell efficienza energetica Sistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori anaerobici individuate dal Progetto EUAGROBIOGAS Paolo Balsari, Fabrizio Gioelli, Phil Hobbs DEIAFA Università di Torino IGER North Wyke Research VERONA, BIOENERGY EXPO 5 FEBBRAIO 2010

2 Il progetto EU-Agro biogas Iniziativa Europea per incrementare la produzione degli impianti di biogas di tipo agricolo Progetto finanziato nell ambito del VI Programma Quadro Priorità 6 Sistemi Energetici Sostenibili Inizio Progetto: 15 Gennaio 2007 Fine Progetto: 15 Gennaio 2010 Coordinatore: Prof. Thomas Amon University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna

3 Il progetto EU-Agro biogas GEJ Jenbacher RTD Services A BOKU Koordinator A RNW 14 Enti 8 Nazioni 100 Ricercatori Vogelsang ASG & PRI VUZT CZ EU-AGRO-BIOGAS KTBL D AHU DK EC BREC DEIAFA Sez. Meccanica Facoltà Agraria UNIT vti ATB D

4 Il progetto EU-Agro biogas Obbiettivi Generali del Progetto EU AGRO BIOGAS Sviluppo e ottimizzazione dell intero sistema di produzione del biogas: produzione delle biomasse, produzione e trattamento del biogas, utilizzazione dell energia elettrica e termica Diffusione e dimostrazione delle soluzioni tecniche migliorative individuate nell ambito del Progetto

5 Il progetto EU-Agro biogas Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS 1 Ottenere un uso efficiente delle biomasse Definire le caratteristiche fisico-chimiche e le potenzialità produttive delle biomasse Valutare in termini energetici ed economici le diverse biomasse Ottimizzare l impiego delle biomasse anche attraverso il loro pre-trattamento Database On-line Modelli previsionali produttivi

6 Il progetto EU-Agro biogas Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS 2 Valutare la funzionalità, i problemi gestionali, la sostenibilità ambientale ed economica degli impianti di biogas attualmente in funzione in Europa 13 IMPIANTI MONITORATI A PARTIRE DA GENNAIO 2008

7 Il progetto EU-Agro biogas Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS 3 Incremento della produzione di biogas, della sua conversione e utilizzazione Pre-trattamenti biomasse lignocellulosiche FISICI TERMICI - CHIMICI Implementazione del sistema di alimentazione e miscelazione Sviluppo di un sistema di allarme precoce del non funzionamento dell impianto di D.A. Incremento dell efficienza del processo di trasformazione del biogas in energia termica ed elettrica QUICK MIX - VOGELSANG - EARLY WARNING SYSTEM - IGER (UK) - - JENBACHER -

8 Il progetto EU-Agro biogas Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS 4 Incremento dell utilizzazione dell energia termica prodotta dal co-generatore attraverso una sua gestione ottimizzata Collegamento con sistemi di teleriscaldamento (quando esistenti) Utilizzo dell energia termica a livello aziendale Essiccazione cereali cippato e trattamenti termici biomasse Miglioramento della gestione dell energia termica prodotta

9 Il progetto EU-Agro biogas Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS 5 Dimostrazione dei vantaggi economici e ambientali delle soluzioni messe a punto dal Progetto

10 L Early warning system Sviluppo di un sistema di allerta precoce sul non corretto funzionamento del processo di D.A. Dr. Phil Hobbs IGER - North Wyke Research, Okehampton Devon, EX20 2SB - UK phil.hobbs@bbsrc.ac.uk

11 L Early warning system Il monitoraggio della digestione anaerobica processo difficoltoso e complesso, ma necessario L instabilità del processo spesso è legata all inibizione dei batteri metanigeni dovuta ad un eccesso di acidi grassi Pochi sensori affidabili per il monitoraggio on-line di parametri funzionali importanti La misura dei parametri può essere realizzata: Fase liquida: acidi grassi volatili, ph Alcalinità COD H dissolto Fase gassosa: produzione biogas contenuto in CH 4

12 L Early warning system Obbiettivi della realizzazione dell Early Warning System Poter disporre di uno strumento in grado di: rilevare anticipatamente eventuali variazioni di parametri che fungono da indicatori del corretto andamento della digestione anaerobica calibrare automaticamente il carico organico del digestore in funzione della variazione di tali parametri, del tipo di alimentazione dell impianto e di eventuali pretrattamenti delle biomasse

13 L Early warning system Fasi operative dello sviluppo dell Early Warning System Definizione dei principali parametri in grado di controllare l andamento del processo di DA (attraverso il benchmarking degli impianti selezionati per il progetto e l analisi dello stato dell arte sulle tecnologie di monitoraggio disponibili) Verifica di sistemi per la misura dei parametri di controllo individuati, presso un impianto pilota realizzato nell ambito del progetto Sviluppo del sistema di controllo

14 L Early Warning System Definizione dei principali parametri di controllo dell andamento del processo di DA (risultati del periodo di benchmarking) Tipologie di sensore impiegate presso gli impianti Tipologia di sensore % di impianti impianti Sensori di ph 100 Sensori di potenziale redox 14 Sensori di conducibilità 14 Sensori di COD 29 Sensori di torbidità 0 Sensori per acidi grassi volatili 43 Sensori per solidi volatili 57 Sensori di alcalinità 0 Sensori di temperatura 100 Sensori di volume 71

15 L Early warning system Parametri ritenuti necessari per il controllo dell andamento del processo di DA Composizione del biogas: (%CH 4, CO 2..) Potenziale redox ph : parametro fondamentale per la definizione del corretto andamento della digestione anaerobica MA quando si verifica una variazione, il processo è compromesso! Alcalinità: definisce il potere tampone della biomassa la sua variazione consente di conoscere anticipatamente eventuali instabilità del processo parametro più affidabile del ph Acidi grassi volatili: riconosciuti come importanti prodotti intermedi della digestione anaerobica il loro accumulo è indice di instabilità di processo già

16 L Early warning system Alcalinità parziale Alcalinità totale Strumenti di monitoraggio utilizzabili (ph, redox, conducibilità) Analizzatore TOC Spettrometro UV Spettr. FTIR-IR Bicarbonato X X X X Sensori online per acidi grassi volatili Gascromat. spazio di testa CO 2 dissolta X X Carbonio organico totale (TOC) X X X COD solubile X X Acidi grassi volatili totali X X X X Acetato

17 L Early Warning System Modalità di misura messe a punto e monitorate nell ambito del progetto Misura dell alcalinità: indiretta tramite lo sviluppo di algoritmi diretta tramite NIRS Misura diretta del contenuto in acidi grassi volatili: tramite NIRS tramite naso elettronico

18 L Early warning system Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell ambito del progetto L impianto pilota 2 digestori Fasi di idrolisi e metanogenesi separate Miscelazione discontinua; Sensori di: temperatura, ph, pot. Redox, conducibilità NIRS: misura di acidi grassi volatili, alcalinità

19 L Early warning system Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell ambito del progetto Software di gestione Labview Controllo e automatizzazione delle operazioni di pompaggio e miscelazione; Acquisizione dei valori di ph, potenziale redox e conducibilità; stima del valore di alcalinità sulla base dei dati acquisiti e di algoritmi

20 Il sistema Early Warning Misura indiretta dell alcalinità tramite algoritmi Il valore di alcalinità viene desunto da altri parametri misurabili tramite sensori spesso installati presso gli impianti di digestione anaerobica. Gli algoritmi dipendono dal tipo di alimentazione impiegata Alcalinità = (81678 x ph)+(1.998 x redox)+(384.2 x EC) (EC: conducibilità)

21 L Early Warning System Misura diretta dell alcalinità tramite NIRS: Confronto tra i valori di alcalinità misurati tramite NIRS e titolazione R 2 =0.87 mg/l mg/l

22 L Early Warning System Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite NIRS: Confronto tra acidi grassi volatili misurati tramite NIRS e analisi di laboratorio R2=0.66 mm mm

23 L Early Warning System Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite naso elettronico: Acido propionico Acido acetico Gascromatografo (g/l) R 2 =0.96 Gascromatografo (g/l) R 2 =0.86 Naso elettronico (g/l) Naso elettronico (g/l)

24 L Early Warning System Controllo del processo tramite il parametro alcalinità e acidi grassi Misura diretta Acidi grassi (NIRS) Misura diretta dell alcalinità (NIRS) Sistema di controllo (Lab view) Valori di alcalinità superiori a quelli del range di riferimento Valori di alcalinità di all interno del range di riferimento attuatori Aumento del carico organico Mantenimento del carico organico Algoritmo previsione dell alcalinità Sonde ph, redox, EC Valori di alcalinità inferiori a quelli del range di riferimento Riduzione del carico organico

25 L Early Warning System Utilizzo dell early warning system per il controllo del processo di digestione anaerobica un caso studio Alimentazione manuale Alimentazione con early warning Acido acetico Produzione media biogas (l/h)

26 L Early Warning System CONCLUSIONI -Il sistema Early warning ha dimostrato di poter essere impiegato utilizzando i sensori normalmente impiegati presso gli impianti di digestione anaerobica per la misura di ph, potenziale redox e conducibilità, ricavando da questi ultimi attraverso opportuni algoritmi il valore di alcalinità - Il sistema NIRS è in grado di fornire letture affidabili di importanti parametri quali l alcalinità e il contenuto in acidi grassi volatili. Quest ultimo, tuttavia, deve essere calibrato a seconda del tipo di alimentazione del digestore - E possibile misurare il contenuto in acido acetico e propionico del biogas tramite naso elettronico, ma il sistema deve essere ulteriormente studiato e calibrato

27 Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori anaerobici individuate dal Progetto EUAGROBIOGAS Thematic Meeting Opportunità di innovazione nel campo dell efficienza energetica Sistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche GRAZIE PER L ATTENZIONE! Per informazioni: dr. Phil Hobbs phil.hobbs@bbsrc.ac.uk VERONA, BIOENERGY EXPO 5 FEBBRAIO 2010