Biogas, l importanza di una buona codigestione

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Eugenia Landi
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1 Workshop Rassegna suinicola di Cremona - Italpig 19 edizione Claudio Fabbri, Mirco Garuti Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 30 Ottobre 2015 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 30

2 Biochimica del processo DA IDROLISI Bacteroides, Clostridium, Ruminococcus, Anaerovibrio, Sostanza Organica da biomasse di scarto Proteine Carboidrati Lipidi ACIDOGENESI Selenomonas, Clostridium, Ruminococcus, Desulfovibrio, Syntrophomonas, Aminoacidi Zuccheri Acidi Grassi catena lunga + glicerolo ACETOGENESI Eubacterium, Acetogenium, Clostridium, Acidi Grassi Volatili + alcoli NH 3 METANOGENESI Acido Acetico Metanosarcina, Metanosaeta, Metanobacterium, Metanococcus Biogas (CH 4, CO 2 ) H 2, CO 2

Aminoacidi Zuccheri Acidi Grassi catena lunga + glicerolo ACETOGENESI Eubacterium, Acetogenium, Clostridium, Acidi Grassi

3 Il potenziale metanigeno delle biomasse POTENZIALE MASSIMO PRODUCIBILE (Buswell, 1952) C H O N S H 2O CO CH 4 + NH 3 + H 2 S POTENZIALE METANIGENO EFFETTIVO Biomassa Digestato IMPIANTI DI BIOGAS IN SCALA REALE

4 + 3 8 + 4 CO 2 + 2 + 8 4 3 8 4 CH 4 + NH 3 + H 2 S POTENZIALE

4 L impianto di biogas BIOGAS 37,5 kg SV Degradato 50% SV SOLIDI TOTALI INIZIALI 100 KG SVin 75 kg CENERI 25 kg SVout 37,5 kg CENERI 25 kg SV/ST iniziale SV/ST iniziale 75% 60% Efficienza DA 50% SV UTILIZZO AGRONOMICO

kg SVout 37,5 kg CENERI 25 kg SV/ST iniziale SV/ST

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

6 Quantificazione SV negli allevamenti La struttura dell allevamento, la presenza di paglia, acque meteoriche o tecniche di rimozione poco efficienti influenzano la quantità di solidi volatili disponibili e il volume degli effluenti.

tecniche di rimozione poco efficienti influenzano la

7 Effluenti suini: caratteristiche chimiche (dati CRPA) LIQUAMI SUINI CARATTERISTICHE INDICATIVE (1) Valore medio Intervallo Sostanza secca - ST (%) 4,4 2,8-6,0 Sostanza organica - SV (%) Azoto totale - NTK (% ST) 8,0 6,3-9,7 CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE (2) Quantità Soluzione stabulativa A. (m 3 /anno * t p.v.) Pavimento totalmente o parzialmente fessurato B. (m 3 /anno * t p.v.) PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). Rimozione con acqua (pavimento pieno, gabbie, ecc.) 0,45-0,55 (di cui il 60-65% metano)

8 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%

Liquame bovino 218,9 29,1 13,3% Bovino (Solido separato) 153,1 69,1 45,1%

9 Potenziale metanigeno effluenti suinicoli Potenziale medio alto Liquame: 301 Nm 3 /tsv Letame: 265 Nm 3 /tsv Percentuale metano nel biogas: 65% Velocità di produzione elevata sia nella forma liquame che nella forma di letame (suini su paglia)

Percentuale metano nel biogas: 65% Velocità di produzione

10 Sostanza secca escreta: esempio suini ingrasso La quantificazione dei solidi totali può essere in prima approssimazione calcolata sulla base del peso vivo presente in azienda capi suini da 100 kg/capo t ST/anno m 3 CH 4 Escrezione (kg/tpv/a) Peso medio: 100 kg Peso vivo [kg] MWhe (150 kwe) Ma necessita di almeno m 3 di volumetria di DA, sufficiente in genere per produrre almeno 500 kwe!

000 m 3 CH 4 Escrezione (kg/tpv/a) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Peso medio: 100 kg 0 20 40 60 80 100 120 140 160

11 Limiti della DA da effluenti suinicoli I principali fattori che limitano l utilizzo dei liquami suinicoli: a) Prodotto spesso molto diluito con conseguenti elevate volumetrie a basso contenuto energetico b) Elevati dimensionamenti di digestione con bassi tempi di ritenzione (max 25 giorni) c) Elevate perdite di potenziale metanigeno nei ricoveri d) Bassa viscosità ed elevata sedimentabilità

energetico b) Elevati dimensionamenti di digestione con bassi tempi di ritenzione (max 25 giorni)

12 L utilizzo in dei liquami suinicoli La dei liquami suinicoli con colture dedicate e/o sottoprodotti può ottimizzare la valorizzazione energetica, ma: a) I tempi di digestione dei liquami suinicoli sono molto diversi da quelli di altre biomasse b) La bassa viscosità del prodotto non favorisce la sospensione e spesso è fonte di flottazione superficiale c) Per avere buone produzioni volumetriche occorre integrare con prodotti ad alto valore in un rapporto energetico di 1:2 Come fare?

biomasse b) La bassa viscosità del prodotto non favorisce la sospensione e spesso è fonte di flottazione superficiale c)

13 Tecniche di pretrattamento Obiettivi Effetto del pretrattamento sulle biomasse a) substrato senza pretrattamento b) incremento nella velocità di produzione di biogas c) aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e della quantità di biogas Adattamento da Montgomery et al. (2014) IEA Task 37 Technical Brochure.

aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e

14 Tecniche di pretrattamento Panoramica Fisico Chimico Biologico Combinato - Meccanico - Termico - Disintegrazione elettrocinetica - Acido - Basico -Microbiologico - Enzimatico - Estrusione - Steam Explosion - Termochimico - Ultrasuoni - Cavitazione idrodinamica

elettrocinetica - Acido - Basico -Microbiologico - Enzimatico -

15 Progetto Biogas 2 Bioacceleratori per biogas All interno del Piano di Sviluppo Rurale per l Umbria 2007/2013 Misura Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare e in quello forestale«e stata verificata una tecnologia avanzata di omogeneizzazione e destrutturazione che favorisce la di prodotti grossolani o molto fibrosi con effluenti suinicoli

Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e

16 Cavitazione Idrodinamica Controllata Pilli et al (2011), Ultrasonics Sonochemistry Lehne et al. (2001) Water Science and Technology, 43(1)

17 Cavitazione Idrodinamica Controllata Azienda agricola Ruffo della Scaletta (Terni)

18 Cavitazione Idrodinamica Controllata Alcuni test di biometanazione su prodotti cavitati (TEST BMP) ST SV Intensità energetica BMP CH 4 Incremento % [%su tq] [%su ST] [kj/kgst] [Nm 3 CH 4 /tsv] [%] Sansa di oliva 3 fasi 3,35% 97,91% 281,7 64,4 Sansa di oliva 3 fasi cavitata 3,66% 96,42% 376,2 369,2 65,1 +31% Vinaccia esausta 34,18% 94,71% 116,52 56,6 Vinaccia esausta Cavitata 7,85% 95,58% 243,9 126,79 58,2 +9% Paglia di frumento 89,36% 94,05% 195,9 47,8 Paglia di frumento cavitata 1,66% 94,32% 469,9 254,6 50,0 +30% Stocchi di mais 92,04% 90,43% 262,0 50,4 Stocchi di mais cavitati 2,63% 86,35% 390,8 312,6 51,3 +19% Silotriticale 32,43% 95,49% 298,9 51,9 Silotriticale Cavitato 6,35% 94,34% 285,7 306,3 50,9 +2,5% Letame bovino 25,13% 85,43% 187,5 50,4 Letame bovino cavitato 7,25% 85,56% 162,7 203,8 50,6 +9%

126,79 58,2 +9% Paglia di frumento 89,36% 94,05% 195,9 47,8 Paglia di frumento cavitata 1,66% 94,32% 469,9 254,6 50,0 +30% Stocchi di mais 92,04% 90,43% 262,0 50,4 Stocchi di mais cavitati 2,63%

19 Cavitazione Idrodinamica Controllata: effetto sulla granulometria ANALISI GRANULOMETRICA

20 Cavitazione Idrodinamica Controllata: effetto sulla granulometria LETAME BOVINO PAGLIOSO (TAL QUALE) LETAME BOVINO PAGLIOSO (CAVITATO) > 5mm 3,15-5mm 2-3,15 mm 1-2 mm

21 Effetto sulla componente più grossolana (>5 mm) Prima Dopo

22 Cavitazione Idrodinamica Controllata: effetto sulla granulometria Analisi della granulometria del digestato prima e dopo il trattamento con BioSPR

23 Cavitazione Idrodinamica Controllata: effetto sulla viscosità Analisi della viscosità del digestato prima e dopo il trattamento con BioSPR

24 Esempio di applicazione in un allevamento suinicolo: liquame + insilati + melasso Consistenza zootecnica: capi suini all ingrasso Potenza elettrica: 760 kw Volume digestori: m 3 HRT: gg Dieta: liquami m 3 /gg insilato mais 23 t/gg insilato triticale 9-12 t/gg melasso 2-3 t/gg

25 Effetto cavitazione sull efficienza di sistema (kwh/kgsv) + 8,5 12%

26 Effetto sull utilizzo dell integratore energetico In termini operativi il miglioramento dell efficienza di conversione del sistema è stato sfruttato dall azienda riducendo progressivamente l utilizzo della biomassa più costosa presente nella miscela di alimentazione dell impianto (melasso). In due mesi sono stati eliminati circa 2,5-3 t di melasso per giorno

27 Conclusioni L utilizzo della cavitazione idrodinamica controllata (BioSPR) su impianto che utilizzano liquami suinicoli può: rendere compatibili matrici vegetali particolarmente fibrosi ed effluenti suinicoli e incrementarne l utilizzo; migliorare la miscelazione: assenza di croste e diminuzione nell utilizzo di agitatori per ottenere maggiori produzioni di biogas è necessario lavorare ad intensità energetiche alte ( kj/kgst) ma è possibile ottenere un effetto disgregativo con minor impiego di energia.

28 Grazie per l attenzione Workshop Rassegna suinicola di Cremona - Italpig 19 edizione c.fabbri@crpa.it m.garuti@crpa.it 30 Ottobre 2015 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

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