Mantenere alta l efficienza dell impianto con la manutenzione biologica

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Casimiro Grande
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1 Bioenergy 2014 LA MANUTENZIONE E L OTTIMIZZAZIONE DEGLI IMPIANTI A BIOGAS Venerdì 7 Marzo Ore 10,00 Fiera di Cremona l efficienza dell impianto con la manutenzione Claudio Fabbri, Mirco Garuti Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A. Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

impianto con la manutenzione Claudio Fabbri, Mirco Garuti Centro Ricerche

2 L efficienza e la manutenzione Un impianto di digestione anaerobica è un sistema elettromeccanico-biologico in cui un processo naturale di conversione della materia organica in biogas raggiunge la sua massima efficienza. 2

3 L efficienza e la manutenzione: parametri fisico-chimici Compito del gestore di impianto è controllare tutto quanto può influenzare la crescita batterica, responsabile dell efficienza di conversione. Acidità/alcalinità (FOS/TAC) Acidi grassi volatili (acetico, propionico ) Temperatura Crescita batterica Viscosità Conducibilità Ione ammonio ph Micronutrienti Composti inibenti 3

4 L efficienza e la manutenzione: parametri tecnologici I parametri idraulici e chimico-biologici sono strettamente correlati fra di loro: non c è biologia stabile senza un controllo ottimale delle condizioni fisiche (temperatura, viscosità, miscelazione, pompaggi, regolarità di carico, tempi di ritenzione..) Contenuto solidi totali Quantità/qualità biogas Tempo ritenzione idraulica Crescita batterica e produzione Carico organico volumetrico Contenuto solidi volatili Regolarità carico 4

viscosità, miscelazione, pompaggi, regolarità di carico, tempi di ritenzione.

5 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 CaCO 3 /l FOS/TAC = 0,2-0,4 ST= 5-8% CH 4 = 52-56%, H 2 = ppm 5

acetogenesi Metanogenesi ph=6,7-8,2 FOS=2,5-4.

6 Schemi impiantistici: DA bistadio e monofase Biomasse solide F1 F2 Digestato Biomasse pompabili Primario ph=6,7-7,6 Idrolisi Acidogenesi + acetogenesi Metanogenesi Secondario ph=7,4-8,2 FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO 3 /l FOS/TAC = 0,3-0,4 FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO 3 /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 6

000 mg HAeq/l TAC=10-12.000 mg CaCO 3 /l FOS/TAC = 0,3-0,4 FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.

7 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 CaCO 3 /l FOS/TAC = 4-5 FOS= mg HAeq/l TAC= mg CaCO 3 /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 7

000 mg HAeq/l TAC=3-4.000 mg CaCO 3 /l FOS/TAC = 4-5 FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.

8 Operatività e fattori critici Nella gestione operativa vi sono alcuni elementi fondamentali da tenere controllati che possono avere ripercussioni sulla produzione di biogas e quindi di energia elettrica. La tariffa omnicomprensiva è fruibile a tempo determinato e tutto quanto non viene prodotto non può essere più recuperato. 8

produzione di biogas e quindi di energia elettrica.

9 Quanto vale l operatività a pieno carico? Effetto del costo di approvvigionamento della materia prima, espresso come % del fatturato (da 40% a 55%), e delle ore operative a pieno carico sul tasso interno di rendimento: passando da a h/anno il tasso interno di rendimento cambia di punti percentuali! Δ tasso interno di rendimento Simulazione per: Potenza el: 1 MWe Investimento: 4,5 M, inclusi stoccaggi Dieta: 50 t/g silomais standard Tariffa: 280 /MWh Saggio bancario: 5% 9

operative a pieno carico sul tasso interno di rendimento: passando da 7.000 a 8.

10 I parametri da tenere monitorati Parametri Frequenza Motivazione Temperatura Giornaliero Influenza la crescita batterica Qualità del biogas Giornaliero Importante per la biologia e per il cogeneratore Solidi totali Quindicinale Valutazione del tenore di indegradabili nel dig. Rapporto SV/ST Quindicinale Valutazione degradabilità solidi volatili Acidità e alcalinità totale Da giornaliero a settimanale Equilibrio e stabilità delle diverse fasi di processo ph Mensile Importante per impianti a fase idrolitica separata Profilo acidico Mensile Evidenzia eventuali problemi nella catena trofica e la relativa gravità Conducibilità elettrica Mensile Valuta l accumulo di salinità Ione ammonio Mensile Valuta l effetto inibente dell ammoniaca Viscosità Semestrale Aiuta a valutare la miscelabilità del digestato Micronutrienti Semestrale Limitante per lo sviluppo batterico e per l attività enzimatica 10

Rapporto SV/ST Quindicinale Valutazione degradabilità solidi volatili Acidità e alcalinità totale Da giornaliero a settimanale Equilibrio e stabilità delle diverse fasi di processo ph Mensile

11 Esempio: sovraccarico organico Modifiche repentine delle condizioni di carico organico sono responsabili dell insorgere di condizioni di acidosi. - i batteri idrolitici si moltiplicano più rapidamente dei batteri metanigeni e di conseguenza un sovraccarico non è particolarmente problematico nell immediato continua la produzione di acidi organici e CO 2 - I batteri metanigeni sono molto più lenti a riprodursi e di conseguenza non riescono a utilizzare tutti gli acidi organici formati accumulo di acidità - Variazioni repentine di acidità inibiscono i batteri metanigeni causando blocco della produzione di metano - Segnali: riduzione della percentuale di metano, aumento percentuale CO 2, accumulo H 2, riduzione ph, riduzione produzione 11

di acidi organici e CO 2 - I batteri metanigeni sono molto più lenti a riprodursi e di conseguenza non riescono a utilizzare tutti gli acidi organici formati accumulo di acidità -

12 Sovraccarico: esempio Sovraccarico per errata gestione della tramoggia Carico organico volumetrico (kg SV/m 3 /gg) gen 15-gen 20-gen 25-gen 30-gen 4-feb 9-feb 14-feb Sinusoide da acidosi: in una prima fase la percentuale di metano cala per inibizione, aumenta notevolmente nella seconda fase di dieta in quanto vengono convertiti gli eccessi di AGV in assenza di produzione di CO 2 e torna a stabilizzarsi sui livelli precedenti dopo la risoluzione COV CH4 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 12 Percentuale metano (%)

40 10-gen 15-gen 20-gen 25-gen 30-gen 4-feb 9-feb 14-feb Sinusoide da acidosi: in una prima fase la percentuale di metano cala per

13 Esempio: miscelazione La miscelazione svolge diversi compiti fondamentali: distribuzione materiale organico ai batteri distribuzione calore attenuazione dello sviluppo di alcuni tipi di schiuma omogeneizzazione materiale regolarità carico/scarico La rottura di una pala girante non è sempre semplice da individuare soprattutto nei sistemi con motorizzazione esterna e giunto interno. Si manifesta con: iniziale leggera formazione croste stratificazione sbilanciamento nel rapporto SV/ST del digestato discostamento fra potenza attesa ed effettiva crisi micro riduzione percentuale metano acidosi incremento rapporto FOS/TAC acidosi 13

soprattutto nei sistemi con motorizzazione esterna e giunto interno.

14 Analisi elementi gestionali critici carico Deve tenere conto dei seguenti equilibri: Apporto sufficiente per garantire produzione elettrica: calcolare V (m 3 ) x COV (kgsv/m 3 /gg) x BMP (m 3 /kgsv) x 9,88 (kwh/m 3 ) x Re/24 = Pe (kw) Modifiche non superiori al 5% per giorno Rampe di scarico e rampe di carico: in procinto di terminare l insilato di una trincea iniziare a utilizzare la trincea nuova con gradualità Tempo di ritenzione idraulica: non tutte le miscele sono idonee alla tipologia impiantistica disponibile Contenuto di solidi totali: verificare sempre la concentrazione media al carico per evitare problemi di miscelazione. In linea generale miscelatori veloci e piccole pale miscelano bene fino al 7-8%, al di sopra possono insorgere problemi di stratificazione 14

trincea nuova con gradualità Tempo di ritenzione idraulica: non tutte le miscele sono idonee alla tipologia impiantistica disponibile Contenuto di solidi totali: verificare sempre la

15 Analisi elementi gestionali critici chiller e qualità gas E fondamentale per una buona durata delle prestazioni del CHP: Temperatura gas: la funzione del chiller è di raffreddare il biogas al fine di condensare il vapore acqueo e deumidificare il biogas T ottimale a valle del chiller inferiore a 6-8 C. Controllare con frequenza giornaliera, superiore nelle condizioni estive critiche, la temperatura e agire sulla regolazione. Un mancato rispetto della T può essere dovuta sia ad una potenza elettrica del chiller troppo ridotta che ad una superficie di scambio ridotta Idrogeno solforato: controllare e regolare desolforazione con O 2 o aggiungere additivi (cloruro ferrico, cloruro ferroso, ossido di ferro ). Non dovrebbe mai superare ppm; Polveri: importante un filtro a ghiaia per fermare i composti particellari; Differenza di pressione: con un manometro differenziale è possibile controllare lo stato di intasamento dei diversi elementi della linea gas 15

Controllare con frequenza giornaliera, superiore nelle condizioni estive critiche, la temperatura e agire sulla regolazione.

16 Carenza di oligoelementi su Impianto di biogas Elemento Valore di riferimento* (mg/kgst) Impianto in crisi (mg/kgst) Ferro Nichel ,34 Cobalto 2 <0,3 Molibdeno 5 1,62 Selenio 0,75 0,69 * Fonte: Shaumann Bionergy AGGIUNTA DI MICRONUTRIENTI E CONTROLLO ANALITICO DOPO 3 MESI Impianto equilibrato (mg/kgst) ,88 1,61 4,75 0,74 16

<0,3 Molibdeno 5 1,62 Selenio 0,75 0,69 * Fonte: Shaumann Bionergy AGGIUNTA DI

17 Carenza di oligoelementi su Impianto di biogas MICRONUTRIENTI 17

18 Potenziale metanigeno residuo del digestato Cosa si nasconde dall altra parte dello specchio? La manutenzione spiega VISCOSITA %CH 4 COV HRT FOS/TAC SV/ST NNH 4 MICRO NUTRIENTI Biomasse il reale valore del tuo digestato.. 18

La manutenzione spiega VISCOSITA %CH 4 COV HRT FOS/TAC

19 BMP residuo del digestato BMP medio: 92,7±48 Nm 3 CH 4 /tsv (39 campioni) Considerando il tenore di ST e SV si ottiene: Silomais equivalente: 0,07±0,08 t SM/t 19

20 Bioenergy 2014 LA MANUTENZIONE E L OTTIMIZZAZIONE DEGLI IMPIANTI A BIOGAS Venerdì 7 Marzo Ore 10,00 Fiera di Cremona Grazie per l attenzione! Claudio Fabbri, Mirco Garuti c.fabbri@crpa.it m.garuti@crpa.it C.R.P.A. S.p.A. Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

attenzione! Claudio Fabbri, Mirco Garuti c.fabbri@crpa.it m.

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