LA DIGESTIONE ANAEROBICA

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1 Corso sulle filiere agro-energetiche Medicina, 10 giugno 2010 LA DIGESTIONE ANAEROBICA Nicola Labartino CRPA S.p.A Reggio Emilia (RE), Italy

2 Schema della Digestione Anaerobica

3 S o s t a n z a o r g a n ic a C a rb o id ra t i P ro t e in e L ip id i 1 0 0% B A T T E R I ID R O L IT IC I E F E R M E N T A T IV I Schema del processo biologico di digestione anaerobica 7 5% A c id i g ra s s i A lc o li e t c. 20 % 5 % B a t t e ri a c e t o g e n ic i 5 2 % A C E TA TO 23 % H + C O 2 2 B a t t e ri o m o a c e t o g e n ic i B a t t e r i m e t a n ig e n i a c e t o c la s t ic i B a t t e r i m e t a n ig e n i id r o g e n o t r o fi 7 2 % C H 4 + C O 2 28 % C H 4 + H 2O

4 Rappresentazione schematica dei processi che caratterizzano la digestione anaerobica (il simbolo R indica la parte restante della molecola organica ) IDROLISI SUBSTRATI COMPLESSI (carboidrati, grassi, proteine)/acidogenesi: zuccheri semplici, glicerolo, acidi grassi, gruppi peptidici chetoni (RCOR), alcoli (ROH), amminoacidi (RCHNH2COOH), acidi organici (RCOOH), acidi organici volatili (da batteri acidogeni) ACETOGENESI: acidi organici volatili acido acetico (CH3COOH), acido formico (HCOOH), anidride carbonica (CO2), idrogeno molecolare (H2) METANOGENESI: CH3COOH CH4 + CO2 (da batteri acetoclastici) CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (da batteri H2 obbligati)

5 La digestione anaerobica e la digestione del bovino

6 Processo biologico di digestione anaerobica Fase Idrolisi/Acidogena Aumento degli acidi organici e degli acidi grassi volatili Abbassamento del ph (favorisce i batteri acidogeni ma inibisce i metanigeni) Produzione di biogas ricco in CO2 ma non in metano Fase Metanigena Diminuzione degli acidi grassi volatili Innalzamento del ph (78) che favorisce la crescita dei batteri metanigeni Produzione di biogas ricco in metano

7 Biomasse e scarti organici avviabili a DA e loro resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili)

8 Rese in biogas e metano dei diversi composti organici (Formula di Buswell) Composti Carboidrati Proteine Grassi Biogas (m3/kgsv) 0,75 0,61 1,02 Metano nel biogas (%) Carboidrati: C 6 H 12 O 6 3CO 2 + 3CH 4 Grassi: C 12 H 24 O 6 + 3H 2 4.5CO CH 4 Proteine: C 13 H 25 O 7 N 3 S + 6H 2 O 6.5CO CH Metano (m3/kgsv) 0,37 0,40 0, NH 3 +H 2

9 Le tecniche di digestione La digestione anaerobica può essere condotta in condizione mesofile (3540 C) o termofile (50-55 C). Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10-25 C).

10 Temperatura di processo Mesophilic Rate of the AD process Psichrophilic Thermophilic Temperature

11 Termofilia vs. Mesofilia (Mata-Alvarez) At low HRT, TAD gives better yields At high HRT, yields are similar

12 Termofilia vs. Mesofilia Vantaggi Maggiore velocità Svantaggi di Maggiore effetto tossico di degradazione con minori tempi ammoniaca libera e acidi organici di ritenzione Maggiore carico organico al Maggiore richiesta energetica per il digestore Maggiore patogeni riscaldamento del digestore distruzione di Maggiore difficoltà di disidratazione del digestato Maggiore formazione di schiume

13 Il ph L intervallo ottimale di ph è compreso tra 6,5 e 7,5. L acido acetico risulta utilizzabile (tramite passaggio attraverso la membrana batterica) quando si trova nella forma indissociata. Al di fuori dell intervallo ottimale di ph si verifica: 1. per ph >8: prevale la forma de-protonata dell acido acetico CH3COO- e la concentrazione della forma protonata diviene insufficiente perché avvenga il trasporto trans-membrana; 2. per ph < 5-6: prevale la forma protonata CH3COOH e la sua alta concentrazione può arrivare ad essere superiore alla stessa capacità di metabolizzazione cellulare così da inibire lo stesso trasporto transmembrana. È evidente quindi come una concentrazione troppo elevata di CH3COOH in forma indissociata nell ambiente di reazione possa costituire fattore inibente nella fase di metanogenesi.

14 Alcalinità Viene espressa in termini di concentrazione di CaCO3 e fornisce indicazioni sulla capacità di un sistema di neutralizzare l acidità. Valori compresi tra mg CaCO3/litro sono generalmente indice di stabilità. L alcalinità in un digestore anaerobico è di fondamentale importanza in quanto permette di neutralizzare l abbassamento di ph che viene generato dall eccessivo accumulo di acidi organici. La presenza di ammoniaca, derivante dalla demolizione proteica, e di HCO3-, derivante dalla dissoluzione della CO2 nel mezzo liquido, dà luogo alla formazione del sistema tampone. CO2 H2CO3 H+ + HCO3 2H+ + 2CO32 NH3 + H2O NH4+ + OH NH3 + H+ NH4+ HCO3 + NH4+ ΝΗ4HCO3

15 Parametri da tenere sotto controllo per un buon processo anaerobico ph : valore ottimale compreso fra 6,5 e 7,5 Alcalinità : viene espressa in concentrazione di CACO3 e fornisce l indicazione sulla capacità del sistema di neutralizzare l acidità. Valori compresi tra mg CaCO3/litro sono generalmente indice di stabilità

16 Rimozione H2S Desolforazione biologica Aggiunta di Cloruro Ferroso (FeCl2) Carboni attivi impregnati Ossido o idrossido di ferro Lavaggio con idrossido di sodio

17 Le tecniche di digestione Le tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali: Digestione a umido (wet), quando il substrato in digestione ha un contenuto di SS 10%. Digestione a secco (dry), quando il substrato digestione ha un contenuto di SS 20%; in Processi con valori di secco intermedi vengono in genere definiti processi a semisecco.

18 Schema di processo a umido monostadio REATTORE DI DIGESTIONE ANAER OBICA M ETHA NIZATION OMOGENIZZAZIONE PULPING Schiume Fl oat ing scum B iogas Rifiuto organico OF-M SW H eat Calore Fresh Acqua diwater rete CPamera re- d i p re-di ges tio ne Disidratazione Ispessim entoing DEW ATER Ricircolo Inoc ulainoculo tion loop C Co ommpos posting taggi o Heavies Inerti 10% 10-15TS% TS c ham ber WTrat ater treatm tament o acqent ue Ricircolo acqua di ess processo Recycle proc wa ter

19 Sistemi di carica diretta delle biomasse solide

20 Esempi di sistemi di caricamento biomasse solide nel digestore

21 Esempio di reattore CSTR (fonte UTS)

22 Esempio di reattore CSTR (fonte Thöni)

23 Sistemi di miscelazione

24 Sistemi di miscelazione e di riscaldamento

25 Separatori S/L Sep. a compressione elicoidale Nastropressa Centrifuga ad asse orizzontale

26 Impianto a semisecco: reattore cilindrico orizzontale

27 Impianto a semisecco: reattore parallepipedo orizzontale

28 Processi di digestione a secco discontinui

29 Esempio di biocelle anaerobiche

30 La trasformazione del biogas in energia Può avvenire per: combustione diretta in caldaia, con produzione di sola energia termica ; combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per la produzione di energia elettrica; combustione in cogeneratori per la produzione combinata di energia elettrica e di energia termica; uso per autotrazione come metano al 9598%.

31 Biogas alla cogenerazione Con un m3 di biogas è possibile produrre: circa 1,8-2 kwh di elettricità; circa 2-3 kwh di calore che potrebbero essere disponibili per impieghi vari.

32 Purificazione del biogas ed immissione nella rete del gas

33 Resa annuale in biocarburante per ha (come gasolio/benzina equivalente) MWh/ha/a (Fonte: Biofuels FNR 2006) 14,3 14,3 15,1 49,8

34 Inserimento digestione anaerobica in impianto di depurazione aerobico in allevamento suino frazione solida STABILIZZAZIONESTOCCAGGIO fango liquame grezzo FLOTTATORE chiarificato DIGESTORE ANAEROBICO fango supero DEPURATORE AEROBICO digestato chiarificato effluente STOCCAGGIO FERTIRRIGAZIONE CENTRIFUGA FOGNATURA PUBBLICA USO AGRONOMICO

35 Schema di flusso ottimale per il trattamento dei liquami zootecnici in depuratori urbani Reflui civili Cogenerazione Depurazione biologica aerobica Biogas Fanghi di supero Liquami zootecnici, scarti agroindustria Digestione anaerobica Pretrattamenti Fanghi disidratati Uso agronomico

36 Schema di flusso di un impianto integrato aerobico/anaerobico Reflui civili Depurazione biologica aerobica Cogenerazione Fanghi di supero Liquami zootecnici Biogas Digestione anaerobica Fanghi disidratati FORSU Scarti lignocellulosici Pretrattamenti Triturazione Miscelazione Compostaggio Ammendante compostato di qualità

37 I processi biologici per valorizzare i rifiuti organici

38 esempi Polo Ecologico integrato ACEA Pinerolo (TO) Biogas in italia 2 digestori 2750 m3 ciascuno Impianto di compostaggio 2 cogeneratori kwe Impianto di DA FORSU Depuratore Flussi di biogas Acque di scarico Discaric a

39 esempi Impianto centralizzato di Spilamberto (MO) t/a liquame suino t/a scarti agroindustriali 2 digestori m3 1 cogeneratore 600 kwe

40 esempi Impianto centralizzato Camposampiero (PD) 1 digestore 3300 m3-2 cogeneratori 0,5+0,5 MWe Anno 2006: FORSU t/anno Fanghi t/anno Effl. zoot t/anno Biogas m3/anno Biogas in italia

41 esempi Impianto biogas CAVIRO - Faenza Biogas in italia 4 digestori da 5000 m3 ciascuno 2 cogeneratori da 1 MWe ciascuno

42 esempi Allevamento suino (PR) Allevamento suino t pv Reattori plug-flow senza miscelazione Cogeneratore da 50 kwe

43 esempi Allevamento bovino (PC) 150 capi in lattazione - digestore 1300 m3 CHP 100 kwe

44 All. bovini da latte (CR): 750 capi 2 digestori da 1200 m3 ciascuno 1 cogeratore da 250 kwe 40 m3/d di liquame + 2 m3/d di letame +10 m3/d di silomais

45 esempi Azienda Agricola (BO) Alimentato con insilato di mais e sorgo, da circa 300 ettari e sottoprodotti agroindustriali La potenza elettrica media prodotta è di circa 1,4 MW la temperatura dei digestori è C

46 La diffusione in Europa Oltre 400 impianti di biogas per il trattamento delle acque reflue industriali ad alto carico organico. Circa 450 impianti operativi nel recupero di biogas dalle discariche per rifiuti urbani. Circa 1600 digestori operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione. Oltre 4500 impianti operanti su liquami zootecnici in particolare in Germania (oltre 4000), Austria, Italia, Danimarca, Svizzera e Svezia. Circa 180 impianti trattano frazione organica di rifiuti urbani e/o residui organici industriali.

47 Pr oduzi one di bi ogas i n Eur opa nel 2007: 5901, 2 kt ep ( 69 TWh) In Italia 406,2 ktep (4,7 TWh) da discarica RU da fanghi dep. da altro

48 Biogas in Italia EurObserv ER stima per l Italia una produzione di biogas nel 2008 di 410 ktep (circa 4,7 TWh) Il 79% di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU Il consumo interno lordo di energia dell Italia nel 2008 è stato di 192,1 Mtep

49 Il bilancio energetico italiano nel 2008 Fonti rinnovabili 9% Bioenergia ~ 2,5% Elettricità importata 5% Combustibili solidi 9% Idrocarburi liquidi 41% Gas naturale 36% Fonte: ENEA - Rapporto Energia e Ambiente 2008 Consumo interno lordo di energia: 192,1 Mtep

50 Composizione parco impianti a biomasse in Italia (2009) Potenza installata (1491 MWe) Oli vegetali 35% Fonte: APER, 2009 Biomasse solide 34% Numero di impianti (723) Biogas 31% Oli vegetali 11% Biogas 73% Biomasse solide 16%

51 Potenzialità biogas in Italia circa 20 TWh/anno di EE (2700 MWe) o circa 6,5 Miliardi m3 di CH4/anno principali substrati Deiezioni animali : t/a Scarti agro-industriali: t/a Scarti di macellazione(cat.3): t/a Fanghi di depurazione: t/a Fraz.org. dei RU: t/a Residui colturali: t SS/a Colture energetiche: ha

52 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agro-industriali e colture energetiche Censimento (03/2010) impianti biogas CRPA ha identificato 273 impianti, di cui 74 sono in costruzione. Circa il 50% opera in co-digestione di effluenti zootecnici con colture energetiche (mais, sorgo ) e residui dell agroindustria; Quasi tutti gli impianti sono localizzati nelle regioni del nord Italia

53 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas (CRPA 03/2010) Substrati trattati Co lture energ etiche e /o s o tto prodo tti agroindus triali 8% Effluenti z oo tec nic i + s o ttopro do tti ag ro indus triali + co lture e nerg etiche 51% Dato no n dis po nibile 8% S o lo e fflue nti z o ote cnic i 33%

54 Digestione Anaerobica DA di altre biomasse Biogas in italia Oltre 120 impianti di DA sono operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione civile Diversi impianti di DA (oltre 30) sono operativi su reflui agroindustriali (distillerie, stabilimenti per la produzione di succhi di frutta e prodotti confezionati )

55 Biogas in Italia (CRPA, 03/2010) 672 IMPIANTI CATEGORIE IMPIANTI BIOGAS Effluenti zootecnici + scarti organici + colture energetiche Fanghi di depurazione civile FORSU - 32 Reflui agro-industriali Biogas da discarica RU (Fonte APER) (76 in costruzione)

56 Scarti e sottoprodotti organici da agro-industria prodotti in Emilia-Romagna ( ) Descrizione scarti e sottoprodotti agro-industria EMILIA-ROMAGNA (t/anno) Liquame Letame TOTALE EFFLUENTI ZOOT Si stima una potenzialità in metano di 380 milioni di m3/anno Sottoprodotti animali che, trasformati in Scarti vegetali energia elettrica, Siero di latte e latticello corrispondono a Fanghi di depurazione circa 1,1 TWh/anno Fanghi di lavaggio pari a 150 MWe di Altri scarti potenza installata. TOTALE TOTALE (escl. siero)

57 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas impianti (74 in costruzione) (03/2010)

58 Impianti di Biogas su effluenti zootecnici, scarti agricoli e agroindustriali e colture energetiche Censimento impianti biogas (03/2010) Impianti Tipologia di substrato trattato (n ) (%) Solo effluenti zootecnici 91 33,3% Effluenti zootecnici + sottoprodotti agroindustriali + colture energetiche ,9% Colture energetiche 21 7,7% Dato non disponibile 22 8,0% Totale ,0% Substrati trattati Co lture energ etiche e/o s ottoprodotti ag roindus triali 8% Effluenti zootecnici + s o ttoprodo tti agro indus triali + colture energetiche 51% Dato no n dis po nibile 8% S olo effluenti zo otecnici 33%

59 esempi Allevamento suino (PC) Peso vivo mediamente presente t Liquame: m3/g Sostanza secca: 3,3-7,0% Digestori: 2 x 1370 m3 HRT: 21 giorni Temperatura: C CHP: kwe COV: 1 kgsv/m3/gg Costo investimento: (4.650 /kwe)

60 Produzione elettrica (2008) Potenza elettrica media prodotta [kw] dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08

61 Peso vivo mediamente presente (2008) Peso vivo mediamente presente [t] /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 31/12

62 Riepilogo parametri caratteristici (2008) Numero totale di animali Carico organico da liquame n tsv/mese ,5 Potenza elettrica effettiva kw kw/tpv presente 116 0,105 Produzione di biogas Produzione di energia elettrica m3/mese kwh/mese Autoconsumi ausiliari % della produzione 4,3 Autoconsumi digestore % della produzione 15,4 Contenuto metano Resa specifica % Nm3biogas/kgSV 67 0,423 Produzione volumetrica Nm3biogas/m3/giorno 0,433

63 esempi Allevamento bovini da latte (BO) 110 capi produttivi Liquame: 11,5 m3/g Biomasse: 37,5 t/g Digestori: 2 x m3 HRT: 60 giorni Temperatura: C CHP: kw COV: 2,5 kgsv/m3/gg Costo investimento: (3.380 /kwe)

64 Schema impianto biogas C o lture d e d ic a te Punto c a m p io na m e nto liq ua m e e d ig e sta to Va lvo la so vra p re ssio ne a g ua rd ia id ra ulic a Punto c a m p io na m e nto q ua lità b io g a s Silo p e r c o lture d e d ic a te Va lvo la sovra p re ssione a g ua rd ia id ra ulic a 2 Dig estore a na erobic o Te m p e ra tura : C Dia m e t 1 6 m Alte zza utile: 5,2 m Vo lum e utile: m 3 Ag ita to r1 : 1 x 1 8 kw HRT: 1 7,5 g g Co v: 2,9 kg SV/m 3.g g 1 Dig estore a na erobico Te m p e ra tura : C Dia m e tro: 1 6 m Alte zza utile: 5,2 m Vo lum e utile: m 3 Ag ita to ri: 1 x 1 8 kw HRT: 1 7,5 g g 3 Co v: 2,9 kg SV/m.g g t/a O ssig e no p e r Sulfo b a c te r Po m p a d i g e stio ne liq ua m e e d ig e sta to Do sa to re c o lture e so tto p ro d o tti 1 C o n b ila nc ia Post-d ig estore 4 3 Chille r p e r b io g a s Biogas: 1 90 m /3h 4 Pla te a c o p e rta p e r il ritiro d i so tto p ro d o tti d e ll a g ro ind ustria Flushing sta lla Ra d ia tore a usilia rio C HP kwe So ffia nte b io g a s fina le Dia m etro: 1 6 m Alte zza utile: 4,2 m Vo lum e utile: 900 m t/a So ffia nte te lo d i c o m p e nsa zio ne Co nd e nse Stoc c a g g io Ac q ua c a ld a C Va lvo la so vra p re ssio ne a g ua rd ia id ra ulic a a na erobic o Te m p e ra tura : C Dia m e tro: 1 6 m Alte zza utile: 4,2 m 3 Vo lum e utile: 850 m Ag ita to ri: 1 x 1 6 kw HRT: 1 5 g g G a som etro Vg a s: 500 m 3 5 Utilizza zio ne a g ro no m ic a So tto p ro d o tti a g ro ind ustria Va sc a c o lle tta m e nto liq ua m i Sta lla : va c c he in la tta zio ne c uc c e tte se nza p a g lia c o rsia c o n fe ssura to e p ulizia c o n flushing + rim o nta t/a

65 I substrati utilizzati Cipolle Patate Polpe barbabietola Solidi totali (g/kg) Solidi volatili (g/kg) Azoto totale (%ST) Patate (96%ST) 1,59 Polpe barbabietola (88%ST) 1,99 Cipolla (90%ST) 2,17 Silomais (94%ST) 1,46 Liquame (79%ST) 4,4 Silomais Liquame

66 esempi Biomasse trattate: carico organico 3159 t SV/anno (% SV da ogni biomassa) Colture energetiche 23.6% Liquame bovino 9.4% 67.0% Residui agroindustriali Residui agroindustriali Colture energ. Liquame bovino

67 esempi Allevamento bovini da latte (BO) Produzione mensile di EE nel [kwh/mese] gen-07 feb-07 mar-07 apr-07 mag-07 giu-07 lug-07 ago-07 set-07 ott-07 nov-07 dic-07

68 Riepilogo parametri caratteristici (2007) Carico organico da liquame tsv/mese 25 Carico organico da biomasse e sottoprodotti tsv/mese 238 Potenza elettrica effettiva Produzione di biogas kw m3biogas/mese Autoconsumi ausiliari % della produzione 3,0 Autoconsumi digestore % della produzione 5,5 Contenuto metano Resa specifica % Nm3biogas/kgSV 53 0,454 Produzione volumetrica Nm3biogas/m3/g 1,

69 esempi Allevamento bovini da carne (RA) Liquame: 15 t/g Biomasse: 45 t/gg Digestori: 5800 m3 HRT: 90 giorni Temperatura: C CHP: 845 kwe Costo investimento: (4.100 /kwe)

70 Schema impianto Biogas

71 I substrati utilizzati (2008): 4270 t SV Scarti agroindustriali 21% Silomais 20% Liquame 5% Silosorgo 54%

72 Migliaia Produzione elettrica [kwh/mese] La produzione elettrica ott-07 dic-07 feb-08 apr-08 giu-08 ago-08 ott-08

73 esempi Allevamento bovini da carne (RA) Produzione di energia elettrica e autoconsumo dell impianto Produzione e autoconsumi totali [MWh] /10 31/10 30/11 31/12 30/1 Produzione 1/3 31/3 30/4 31/5 Autoconsumo 30/6 31/7 30/8 30/9 30/10 29/11

74 Riepilogo parametri caratteristici (2008)

75 Riepilogo di confronto

76 DAL 01/01/2008 Incentivazione energia rinnovabile per il periodo la quota di EE da fonte rinnovabile da immettere in rete è incrementata annualmente di 0,75% per impianti > 1MWe fattore moltiplicativo di 1,3-1,8 dell EE prodotta per il calcolo del numero di CV per impianti <1MWe tariffa omnicomprensiva pari a 0,28 /kwh immesso nel sistema elettrico la durata del CV è di 15 anni

77 Il Biogas dopo purificazione a Biometano può essere immesso direttamente nella rete del gas naturale

78 RETE NAZIONALE DEI GASDOTTI

79 Conclusioni Negli ultimi anni sono stati costruiti diversi impianti di biogas in Italia. Il Biogas ha una forte potenzialità di crescita in Italia e il settore agricolo, zootecnico e agroindustriale possono essere la forza motrice di questa crescita. Occorre potenziare la co-digestione anaerobica di biomasse di varia natura, di scarto e dedicate.

80 Conclusioni La digestione anaerobica rimane interessante anche per il trattamento di soli effluenti zootecnici La digestione anaerobica offre interessanti prospettive per l auto-sostentamento energetico di impianti finalizzati alla riduzione del carico azotato di effluenti zootecnici prodotti in Zone Vulnerabili da nitrati

81 Conclusioni La realizzazione di impianti di biogas ha buone prospettive se: diventano chiare le procedure autorizzative e di cessione alla rete elettrica si assicura l utilizzo agronomico del digestato si favorisce l utilizzo del biogas, dopo purificazione a metano

82 Grazie per l attenzione Nicola Labartino n.labartino@crpa.it