Digestione Anaerobica: studi preliminari per una ricerca integrata di base.

Transcript

1 Università Sapienza di Roma Digestione Anaerobica: studi preliminari per una ricerca integrata di base.

2 Struttura Obiettivi della ricerca sulla Digestione Anaerobica Progetto CERSE: primi risultati e prossimi sviluppi Esempio di studio di fattibilità (porcilaia di Anguillara Sabazia)

3 Stato dell Arte (1) Tipologie di impianti: A secco (dry): ST > 20% A: Dranco B: Kompogas C: Valorga 05 febbraio 2010

4 Stato dell Arte (1) Tipologie di impianti: Ad umido (wet): ST < 10% 05 febbraio 2010

5 Analisi dello stato dell arte (2) Diffusione in Europa Oltre 4000 impianti operanti su liquami zootecnici in particolare in Germania (oltre 3500), Austria, Danimarca, Italia, Svizzera e Svezia Circa 1600 operanti per la stabilizzazione dei fanghi di depurazione Circa 450 impianti operativi nel recupero di biogas dalle discariche Oltre 400 operanti con acque reflue industriali ad alto carico Circa 130 operanti con la frazione organica dei rifiuti

6 Stato dell Arte (3) Censimento impianti biogas (CRPA 2007)

7 Stato dell Arte (3) Vantaggi della Codigestione Compensa le fluttuazioni di massa stagionali dei rifiuti favorendo la stabilità del processo Effetto di diluizione nei confronti di sostanze inibenti più concentrate in alcuni substrati Migliora l economia globale dell impianto Svantaggi della Codigestione Maggiore difficoltà nella gestione dell impianto

8

9 Individuazione co-substrati RIASSUNTO DATI ISTAT 2008 (su base annua) Consistenza allevamenti Regione Lazio : Suini capi Bovini e bufalini capi Equini capi Ovini capi Caprini capi Principali colture nella Provincia di Roma : Produzioni > q/a: uva <produzioni< q/a: frutti, pomodoro, carota < produzioni< q/a: orzo, mais, pesco, kiwi, oliva, erba, cavolfiore, carciofo, cocomero,frumento tenero <produzioni< q/a: patata, lattuga Principali colture nella Provincia di Viterbo : Produzioni > q/a: frumento duro <produzioni< q/a: pomodoro, patata < produzioni< q/a: uva, oliva, orzo, mais, nocciole <produzioni< q/a: zucchine, pesco

10 Stato dell Arte (4) Censimento impianti biogas (CRPA 2007)

11 Nuove applicazioni per la valorizzazione del biogas Stato dell Arte (5) Potenza Nominale (kw) Impianti a Fuel Cell alimentati con biogas da digestione anaerobica di residui organici e reflui civili 2003 Kirin Palmdale,C Santa King Fukuoka Sierra 10,45 MWe 2006 Tancheon, Super Eco Keep Ahlen 2007 Tulare, CA Rialto CA Leonberg 2008 Dublin- Riverside Turlock, CA Moreno Gills In costruz. Livermore, Point San Diego UC San

12 Integrazione tra la DA e le celle a combustibile a carbonati fusi DIGESTIONE ANAEROBICA MCFC Progetto CERSE ELECTRICITY CLEAN-UP REFORMING HEAT RIFIUTI ORGANICI SCARTI AGROINDUSTRIALI Aumentare le rese energetiche Ridurre la concentrazione di contaminanti Microbiologi e biotecnologi Digestione Anaerobica Chimici Ingegneri

13 Integrazione tra la DA e le celle a combustibile a carbonati fusi DIGESTIONE ANAEROBICA MCFC Progetto CERSE ELECTRICITY RIFIUTI ORGANICI SCARTI AGROINDUSTRIALI Requisiti tipici di un motore a gas [NOVEM]. Parametri Contenuto energetico ppm As, Pb, Zn, Cd, Hg CLEAN-UP REFORMING HEAT Requisiti tipici di una turbina a gas (CRES, 2004) Intervallo MJ/ m 3 Umidità < 70-80% H 2 S < 500 ppm Composti del Cloro e Fluoro < 60 Parametri H 2 S H 2 O vapore Valore limite 45 ppm 150 ppm CO 2 2,5% Contaminante Tolleranza Effetti Solfuri: H 2 S, COS, CS 2 Halides: HCl, HF Siloxanes: HDMS, D ppm ppm ppm NH 3 1-3% Particulates ppm Deattivazione dell elettrodo Reazione con l elettrolita con la formazione di SO 2. Corrosione Reazione con l elettrolita Deposito dei silicati NB: Combustibile a basse concentrazioni. Reazione con l elettrolita con la formazione di NO x. Deposizione, plugging Tars 2000 ppm Deposizione di Carbone Heavy metals: 1-20 ppm Deposizione Reazione con l elettrolita

14 La digestione anaerobica (1) Biomasse avviabili alla Digestione Anaerobica Colture energetiche: sorgo zuccherino, mais, colza, girasole,... Residui agroalimentari e zootecnici: deiezioni animali, siero di latte, acque di vegetazione, Biomasse residuali: vinacce, sansa, Frazione organica dei rifiuti solidi Vantaggi della Digestione Anaerobica urbani Processo consolidato Produzione di biogas ad elevato contenuto energetico (~ kj/nm 3 ) Produzione di un digestato ricco di nutrienti, in particolare N Contenimento delle emissioni in atmosfera

15 La digestione anaerobica (3) Caratterizzazione alimentazione e parametri di dimensionamento Sostanza organica: ST, SV, COD (lignina, carboidrati, lipidi, proteine, contenuto solubile) Composti potenzialmente inibenti N-NH4+, metalli pesanti, fenoli, solfuri, alcooli, ph Struttura della comunità microbica all interno degli inoculi (anche a valle di pretrattamento) Contenuto in nutrienti (N, P, K) Rapporto inoculo/substrato Parametri per il monitoraggio del processo e per l esecuzione di bilanci di massa Analisi VFA, alcalinità, ph, C e N Composizione del biogas Valutazione del grado di stabilità e delle caratteristiche qualitative del digestato per il suo riutilizzo in agricoltura

16 Studio di fattibilità (1) Confronto tra diverse soluzioni impiantistiche in assetto cogenerativo MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA TURBINA A GAS MCFC MCI TAG MCFC η elettrico 33% 28% 50% η termico 30% 50% 40% Costo acquisto ( /kw) Manutenzione (% dell investimento) * 3% 3% 4,95% COSTO OBIETTIVO DELLA CELLA MCFC

17 Studio di fattibilità (2) Indice economico utilizzato per il confronto: VAN 1. Vita utile degli impianti: 20 anni 2. Efficienze del processo di digestione: 80% dei valori sperimentali 3. Tempo di residenza: 30d (digestione anaerobica), 40d (stoccaggio post-digestione) 4. Fattore utilizzo impianto: 0,9 5. Tasso d interesse: 3,5% 6. Tasso d inflazione: 3%

18 Studio di fattibilità (3) Voci considerate nell analisi economica COSTI DI INVESTIMENTO Digestori e attrezzature ausiliarie Sistema di produzione di energia COSTI DI ESERCIZIO Manutenzione programmata Manutenzione straordinaria GUADAGNI ANNUALI : Certificati verdi Vendita energia Autoconsumo di energia termica

19 Studio di fattibilità (3) Risultati dell analisi economica Q PIG : 125 m 3 /d Digestione anaerobica a doppio stadio non convenzionale E2C: 60% deiezioni 20% fango aerobico 20% acque di vegetazione Q biogas : 1700 Nm 3 /d ; 26,3 MJ/Nm 3 MCI : 171 kw TAG : 145 kw MCFC : 259 kw

20 Studio di fattibilità (3) Risultati dell analisi economica MCI TAG MCFC 5000 MCFC 3500 MCFC 2500 MCFC 1500 VAN ( ) ,5 6,3 3,5 M 4,1 2,7 M MCI Anno TAG MCFC Mtep/y 207,2 256,6 296,2 MtCO 2 eq/y 580,3 718,5 829

21 Studio di fattibilità (3) Risultati dell analisi economica MCI TAG MCFC 5000 MCFC 3500 MCFC 2500 MCFC 1500 VAN ( ) , Anno 3,5 M 2,7 M COMPETITIVITA DELLA MCFC AD UN COSTO-OBIETTIVO DI 3500 /KW

22 LUCE SOLARE FOTOSINTESI LIQUAMI ZOOTECNICI BIOMASSA VEGETALE FERTILIZZANTE BIOGAS LIQUAMI ORGANICI DIGESTIONE ANAEROBICA ELETTRICITA E CALORE GRAZIE PER L ATTENZIONE