Biogas da effluenti: parametri progettuali e gestionali

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1 Biogas da effluenti: parametri progettuali e gestionali Reggio Emilia 15 Dicembre 2011 Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzioni Animali

2 Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.

3 Composizione delle matrici per biogas Tal quale (tq) Acqua (10-98% tq) Solidi totali (ST) = sostanza secca Solidi volatili (SV) = sostanza organica Ceneri = ST- SV Si misurano come: g/kg o %p/p + Ceneri (2-50% ST) Indegradabile (10-70% SV) Solidi totali Solidi volatili (2-90% tq) (50-98% ST) Degradabile (30-90% SV)

4 Cosa succede agli SV in DA? Valori tipici per effluenti zootecnici Biogas 37,5 kg SV Degradabile (50% SV) Solidi totali iniziali 100 kg Ingestato SV tot 75 kg Ceneri 25 kg SV/ST SV/ST iniziale 75% 75% SV ind Ceneri 25 kg Digestore Efficienza Efficienza DA DA 50% 50% SV ind 37,5 kg Ceneri 25 kg Digestato SV/ST SV/ST finale finale 60% 60%

5 Rapporto SV/ST iniziale e finale Principale parametro per valutare l'efficienza di digestione! L'efficienza di digestione dipende dalla riduzione del rapporto SV/ST con funzione più che proporzionale SV/ST i =80% SV/ST i =70%

6 Procedura di quantificazione effluenti e Solidi Volatili Pluviometria Perdite SV r nel ricovero Dipendono da tecniche di rimozione Mungitura Paddock Quantificazione SV escreti = f(pv) Pascolo? Acque di processo: - lavaggio sala attesa - lavaggio impianti Acque meteoriche Paglia (Q p ) Liquame Q liq e ST liq Liquame Letame Letame Q let e ST let SV liq AD SV let SV AD = Q liq *ST liq *SV/ST liq + Q let *ST let *SV/ST let -SV r

7 Disponibilità di biomassa in allevamento La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da: - stadio di accrescimento - coefficiente di trasformazione dell alimento - soluzione stabulativa - controllo idrico e raccolta acque meteoriche

8 Effluenti bovini: stabulazioni Libera Fissa

9 Effluenti suini: stabulazioni

10 Sostanza secca escreta: bovini da latte 8,8 Escre zione di sostanz a secca [kg/giorno] 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7, Produzione latte [kg/giorno] Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte

11 Sostanza secca escreta: bovini da latte esempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi Categoria animale Vacche in lattazione Vacche in asciutta Capi Sostanza secca escreta Paglia Sostanza secca disponibile [n ] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg] 85 8, , ,5 68 1, Manze 15 1,9 29 4, Manzette 21 1,8 38 2, % Vitelli 13 0,8 11 1, Totale

12 Sostanza secca escreta: suini ingrasso Escrezione (kg/tpv/a) Peso medio: 100 kg Peso vivo [kg]

13 Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche Caratteristiche indicative (1) Liquami Letami Medio Intervallo Medio Intervallo Sostanza secca - ST(%) 8,2 5,7-10, Sostanza organica SV (%) Azoto totale NTK (%) 4,7 2,8-6,6 2,8 1,8-3,8 Produzione effluenti (t/tpv/anno) (2) Con lettiera Con cuccette Resa in biogas Biogas (di cui 54-56% CH 4 ) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

14 Effluenti suini: caratteristiche chimiche 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) (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

15 Perdite di sostanza organica in allevamento Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente) nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti Sistema di rimozione: - Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%); - Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%) - Raschiatore: massima efficienza (5-10%)

16 Alcuni esempi di BMP da effluenti Liquame bovino: m 3 3 biogas/tsv (CH (CH 4 55%) 4 55%)

17 Alcuni esempi di BMP da effluenti Letame bovino: m 3 3 biogas/tsv (CH (CH 4 57%) 4 57%)

18 Alcuni esempi di BMP da effluenti Flottato suino: suino: m 3 3 biogas/tsv (CH (CH 4 70,6%) 4

19 Freschezza del liquame suinicolo Reattore Liquame da tracimazione Liquame da vacuum system Resa in biogas [Nm 3 /t SV] Percentuale CH 4 nel biogas [%] Resa in metano [Nm 3 /t SV] , ,2 375 Un Un buon buon insilato insilato di di cereali cereali produce produce Nm Nm 3 3 CH CH 4 /tsv 4 /tsv!!

20 Qualità della sostanza organica: Rapporto SV/ST e biodegradabilità media 65-75% 90% 80-85% 75-80% Fonte: Malpei F

21 Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti Carico organico volumetrico (kg SV /m 3 /gg): quantità di sostanza organica caricata giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all interno del digestore Rendimento elettrico CHP (%): permette di definire la potenza elettrica installabile Indici di analisi produttiva Produzione volumetrica (m3 CH4 /m3 digestore /giorno): produzione giornaliera di metano per unità di volume utile di digestore per giorno Produzione biometano (Nm3/kg SV ): produzione specifica di metano in riferimento alla sostanza organica caricata

22 Carico organico volumetrico (COV) COV m kg SV 3 digestore [kg SV/m 3 /d] = d V C org digestore kg d SV [ ] 3 m digestore Oppure: COV = Q ST SV V Q=carico giornaliero (t/d) C org = carico organico (kg/d) ST = solidi totali (% tq) SV = percentuale di SV (%ST) V = volume digestore (m 3 ) Se Se è è troppo troppo alto: alto: accumulo accumulo di di VFA, VFA, ph ph acido, acido, blocco blocco dei dei metanigeni metanigeni Se Se è è troppo troppo basso: basso: il il digestore digestore è è sottoalimentato, sottoalimentato, il il carico carico può può essere essere aumentato aumentato e e così così la la produzione produzione di di biogas. biogas.

23 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [giorni] Vdigestore HRT[ d] = 3 m Q digestore [ 3 m ] alimentati digestore All'aumentare All'aumentare della della quantità quantità di di prodotto prodotto caricata caricata diminuisce diminuisce il il tempo tempo di di ritenzione ritenzione idraulica idraulica HRT HRT troppo troppo bassi bassi comportano comportano una una degradazione degradazione incompleta: incompleta: efficienza efficienza di di conversione conversione bassa bassa HRT HRT troppo troppo alti: alti: degradazione degradazione completa completa ma ma impianto impianto è è sovradimensionato sovradimensionato d al digestore giorni: giorni: solubili solubili rapidamente rapidamente biodegradabili, biodegradabili, reflui reflui agroindustriali agroindustriali giorni: giorni: effluenti effluenti zootecnici zootecnici > > giorni: giorni: matrici matrici ligno-celluosiche ligno-celluosiche

24 Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

25 Pe Pe = kwe kwe Pe Pe = kwe kwe Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT Q = 40 t/g letame ST = 20% SV = 78%ST CH4 = 200 m 3 /tsv V = 2000 m 3 Q1 = 15 t/g letame ST = 20% SV = 78%ST CH4 = 200 m 3 /tsv Q2 = 25 t/g liquame ST = 8% SV = 80%ST CH4 = 180 m 3 /tsv HRT = 50 gg COV = 3,1 kgsv/m 3 /g CH4 = m 3 /g Q = Q1 + Q2 = 40 t/g HRT = 50 gg COV = 1,8 kgsv/m 3 /g CH4 = 724 m 3 /g

26 Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche) 1000 kg H2O 946 kg Per riscaldare 1000 kg Da 5 C A 38 C Servono circa 38 kwh t 80% 80% delle delle risorse risorse energetiche energetiche servono servono per per scaldare scaldare il il liquame liquame al al carico! SV tot 40 kg Ceneri Si producono: 40 kgsv x 0,3 m 3 CH 4 x 9,88 kwh/m 3 =118 kwh/t Con rendimento termico 40% sono disponibili 118 kwh x 40% = 47 kwh/t Liquami Liquami molto molto diluiti diluiti dovrebbero dovrebbero essere essere addensati addensati o o integrati integrati con con letami letami

27 Criticità della progettazione: miscelazione Tipologia: occorrono miscelatori ad elevata velocità che limitino la sedimentazione (liquami suini) o la flottazione (liquami/letami bovini), con molta paglia meglio rompicrosta superficiale e/o triturazione al carico Orientamento: i mixer devono poter essere orientabili e spostabili sull'asse verticale (la movimentazione dei miscelatori deve essere una operazione periodica e regolare per evitare di mettere in soluzione grandi quantità di SV improvvise) Temporizzazione: importante per limitare i consumi Ispezionare visivamente e giornalmente l'interno del digestore e lo stato della superficie del digestato!

28 Esempio: impianto liquami suinicoli (Az. Fontana, PC) Capi presenti: in ingrasso Liquame: m 3 /g Digestori: 2 x 1370 m 3 HRT: 21 giorni Temperatura: C CHP: 2 x 90 kw kw COV: 1 kg SV /m 3 /gg

29 Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli 1600 Peso vivo mediamente presente [t] Potenza elettrica prodotta [kw] 1/12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/ Peso vivo mediamente presente [t] La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

30 Performances produttive Potenza elettrica media prodotta [kw] Potenza Potenza elettrica elettrica media media kw kw 0,105 0,105 kw/t kw/t pv pv dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08

31 Performances produttive Numero totale di animali n Carico organico da liquame t SV /mese 85,5 Potenza elettrica effettiva kw 116 kw/t pv presente 0,105 Autoconsumi ausiliari % della produzione 4,3 Autoconsumi digestore % della produzione 15,4 Contenuto metano % 67 Resa specifica Nm 3 /kg biogas SV 0,423

32 Impianto biogas a liquami bovini: az. Pedrotti (RE) Consistenza zootecnica capi in lattazione (700): per il 70% circa dei capi su cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30% restante su cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato; capi in asciutta (190): lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore; Manze (310): Cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore Manzette (300): lettiera integrale

33 Schema impiantistico 14,5 t/gg Ivano Dosatore 30,5 t/gg Antonio 70 t/gg 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 HRT gg gg COV COV 2,3-2,5 2,3-2,5 kgsv/m kgsv/m 3 /gg 3 /gg

34 Caratteristiche liquami Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con acque lavaggio sala mungitura Liquame senza acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6% 4,6 80,4 63,4 78,8% 4,3 Letame 163,9 137,3 83,7% 2,9 Disponibilità totale totale SV: SV: 9,7 9,7 kg/capo produttivo/giorno

35 Caratteristiche liquami/digestato Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] Miscela media al carico 97 81,3 83, ,34 Digestato tal quale (n=19) 56,36 40,86 72, ,6 Digestato chiarificato (n=2) 45,9 29,18 63, ,47 Digestato solido separato (n=1) , ,97 Efficienza Efficienza di di digestione: 50,4%

36 Caratteristiche liquami: variabilità gestionale Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con raffrescamento evaporativo 73,1 56,7 77,8 4,3 Liquame senza raffrescamento evaporativo 84,1 66,7 79,2 4,3 A parità parità di di ST, ST, incremento di di volume volume del del 15% 15% OVVERO A parità parità di di HRT HRT 15% 15% in in meno meno di di COV COV

37 Performances produttive Potenza Potenza elettrica elettrica media media kw kw 0,3 0,3 kw/capo kw/capo produttivo produttivo Produzione Produzione biogas/metano biogas/metano m 3 /tsv 3 /tsv al al 54,5% 54,5% CH CH ,8-19,3 16,8-19,3 m 3 3 CH CH 4 /t 4 /t effluente effluente

38 Bilancio elettrico Parametro KWh/giorno % della produzione lorda Produzione lorda Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1% Autoconsumi digestore 445 6,8% Ausiliari CHP 160 2,5% Produzione netta ,5% Trattamento separazione solido-liquido Produzione Produzione annua annua stimata stimata MWh MWh 122 1,9% Fatturato Fatturato annuo annuo previsto previsto ,4%

39 Conclusioni La variabilità della disponibilità degli effluenti è un elemento di valutazione fondamentale Il monitoraggio degli impianti è importante per ricostruire le cause di failure Sottoprodotti ed effluenti garantiscono buone performances a bassi costi ma attenzione alla corretta formulazione delle diete Corrette volumetrie garantiscono buona un buona efficienza

40 Grazie per l'attenzione