Valutazione delle rese energetiche dei sottoprodotti: utilizzo di analisi e BMP Claudio Fabbri

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1 WORKSHOP SINERGIE Esperienze Condivise Mercoledì 16 marzo 2016 Valutazione delle rese energetiche dei sottoprodotti: utilizzo di analisi e BMP Claudio Fabbri

2 Potenziale metanigeno effettivo Il potenziale metanigeno massimo non è tecnicamente ed economicamente sempre raggiungibile a causa dei seguenti fattori: Degradabilità frazioni fibrose; Presenza di sostanza organica recalcitrante Presenza di fattori inibenti Velocità di degradazione

3 Componenti solidi volatili Solidi totali Ceneri Azoto totale e ammoniacale Zuccheri e Amido Lipidi Fibre degradabili e stima della velocità Fibre indegradabili

4 Velocità di degradazione Gli zuccheri degradano molto velocemente (poche ore), nutrono molte comunità di batteri e rendono molto in termini di metano Gli amidi degradano abbastanza velocemente (da alcune ore a pochi giorni), nutrono i batteri amilolitici e sono meno efficienti nel produrre metano

5 Le frazioni fibrose Le frazioni fibrose sono suddivise in diverse componenti che hanno degradabilità differente: NDF: fibra neutro detersa = emicellulosa + cellulosa + lignina ADF: fibra acido detersa = cellulosa + lignina ADL: lignina Emicellulosa = NDF ADF Cellulosa = ADF ADL Lignina = ADL

6 Digerire la fibra Processo lungo e laborioso operato da batteri cellulosolitici I batteri adesi alle particelle di alimento secernono enzimi che liberano il glucosio da pectina, emicellulosa, e cellulosa La digestione è ostacolata e inibita dalla presenza di lignina che NON è digeribile Per essere completamente digerita la fibra deve essere trattenuta nel digestore per un tempo relativamente lungo; se questo non avviene una parte della fibra non è digerita (presente nel digestato finale)

7 La lignina Complesso di sostanze di natura non glucidica (fenoli) Ruolo di rafforzamento e protezione della cellulosa Aumenta la sua concentrazione nelle piante all avanzare della maturità e per diversi fattori genetici e ambientali Degradata dai funghi

8 La lignina Rallenta l utilizzo della sostanza organica NON è digeribile e quindi non contribuisce a formare metano Rende indigeribile una parte più o meno rilevante di fibra che non contribuirà a formare metano La quota di fibra legata alla lignina è variabile negli alimenti

9 La lignina: percentuale indegradabile indf/lignina n media Min. Max. Buccetta soia Polpe bietola Cruscami Farinaccio grano Medica Fieno misto Loietto Silomais Triticale (Dimorfipa, 2010)

10 Metodi di valutazione: NIR + modelli Analisi delle componenti chimiche con la tecnologia N.I.R (vicino infrarosso) Moltiplicazione dei singoli componenti per coefficienti definiti da modelli. Fonte: Amon, 2010

11 Potenziale metanigeno (BMP - Biochemical Methane Potential) Il potenziale metanigeno rappresenta la produzione di metano ottenibile dalla conversione di una matrice organica in un digestore anaerobico. Si esprime come Nm 3 per kg di sostanza organica (o solidi volatili, SV). E' importante considerare sempre e solo la sostanza organica e non il peso tal quale o la sostanza secca.

12 Potenziale metanigeno producibile In linea generale per la conversione in biogas di una generica materia prima vale la seguente relazione stechiometrica. (G,E, Symons and A,M, Buswell, 1932) C n H a O b N c S d + (n-a/4-b/2+7/4c+d/2) H 2 O (n/2-a/8+b/4-5/8c+d/4) CO 2 + (n/2+a/8-b/4-3/8c-d/4) CH 4 + dh 2

13 Metodi di valutazione Sistema di laboratorio DA in continuo 9 reattori anaerobici Alimentazione giornaliera 22 litri/reattore Misura in continuo biogas prodotto Qualità biogas: CH 4, CO 2, H 2 S, NH 3 Bilancio di massa Mesofilia/termofilia Prove con effluenti e biomasse solide Analisi chimiche

14 Metodi di valutazione: BMP statico A norma UNI EN ISO 11734:2004 Sistema manometrico

15 Metodi di valutazione: BMP statico Biogas (CH 4 +CO 2 +H 2 +H 2 O) Substrato da valutare + Inoculo + Soluzione madre Digestato Peso ingresso (Xin) Peso biogas (X 1 out) + peso digestato (X 2 out)

16 BMP: informazioni ottenibili Resa produttiva biogas: Nm 3 /t SV o Nm 3 /t tq Resa produttiva metano: Nm 3 /t SV o Nm 3 /t tq Percentuale metano: % Degradabilità dei solidi volatili: % Digestato producibile: t digestato/t biomassa Azoto equivalente: kgn/nm 3 CH4 K max : intervallo di tempo per raggiungere la massima velocità di produzione (giorni) F 50% : intervallo di tempo per raggiungere il 50% della produzione (giorni) F 90% : intervallo di tempo per raggiungere il 90% della produzione (giorni)

17 Rese produttive (BMP): Nm 3 CH 4 /tsv Fonte: archivio CRPA, oltre 2000 BMP Nm3 CH4/t SV

18 Degradabilità massima (Fmax): %SV F max [%] 100% 80% 60% 40% 20% 81% 74% 80% 80% 63% 48% 68% 76% 20% 0%

19 Esempi applicativi: alimentazione bovini e BMP Feci (Bovino latte alimentare) Resa metano (m3/tsv) 216,2 ± 22,8 Feci (Bovino latte P-R) 211,6 ± 9,9 Feci (Bovino da carne) 238,1± 19,3

20 Fattori inibenti il processo: soluzione di cloro BMP con aggiunta di soluzione di cloro (5% di ipoclorito v/v) utilizzata per ridurre schiuma di origine batterica.

21 Fattori inibenti il processo: cloruro ferrico BMP con aggiunta di Cloruro Ferrico (FeCl 3 ) in diverse dosi (% su volume utile di reattore) utilizzato come desolforante.

22 Le potenzialità produttive degli effluenti 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%

23 L importanza della freschezza del liquame bovino 350 Potenziale metanigeno (m 3 CH 4 /tsv) % 65% 70% 75% 80% 85% 90% Rapporto SV/ST

24 Esempio di rese di effluenti bovini

25 Esempi di rese di effluenti avicoli e suini

26 Potenziale produttivo del solido separato: effetto del tipo di lettime e dell'età

27 Sansa di oliva 2 fasi Produzione CH4 [Nm3/t SV] 100 BMP21 [Nm3/tSV]: 32 BMP [Nm3/tSV]: Kmax (giorno): Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,7% % 32,1%

28 Sansa di oliva 3 fasi Produzione CH4 [Nm3/t SV] 100 BMP21 [Nm3/tSV]: 32 BMP [Nm3/tSV]: Kmax (giorno): Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradab ilità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,6% % 32,8%

29 Sansa di oliva denocciolata Produzione CH4 [Nm3/t SV] Kmax (giorno): BMP21 [Nm3/tSV]: BMP [Nm3/tSV]: Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , ,4% % 56%

30 Sansa di oliva denocciolata e defibrata Produzione CH4 [Nm3/t SV] Kmax (giorno): BMP21 [Nm3/tSV]: BMP [Nm3/tSV]: Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradab ilità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) , % % 79%

31 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche SS [%] NDF [%SS] ADF [%SS] ADL [%SS] ADL/NDF [%] dndf [%NDF] Amido [%SS] Epoca 1 18,91 51,74 32,49 2,95 5,70 60,47 0,23 Epoca 2 26,14 55,44 34,80 3,26 5,88 48,70 0,00 Epoca 3 29,43 58,20 39,11 5,40 9,28 36,52 1,37 Epoca 4 36,95 49,31 32,59 4,78 9,69 33,09 12,65 Correlazione molto alta con fibra degradabile!

32 Esempio applicazione BMP Produzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche

33 RBP - potenziale metanigeno residuo nel digestato è un parametro biologico che rappresenta la quantità di biogas potenzialmente ancora producibile dalla materia organica presente nel digestato alla fine del processo di digestione anaerobica condotto nell impianto aziendale. 35% Frequenza (%) 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Resa metano (Nm3/tSV) RBP (valore medio, n. 96 ) = 89 ± 35,4 Nm3 CH4/t s.v

34 Perdita di efficienza biologica in relazione al potenziale metanigeno dell alimentazione e al RBP Il potenziale metanigeno residuo (Rbp) è strettamente correlato al potenziale metanigeno delle biomasse utilizzate (Bmp) e l incrocio di queste due variabili consente di individuare la perdita di efficienza dell impianto.

35 Correlazione fra potenziale metanigeno della miscela di matrici caricate (BMP), potenziale metanigeno residuo del digestato (RBP) e perdita di efficienza biologica.

36 Grazie per l attenzione WORKSHOP SINERGIE Esperienze Condivise Mercoledì 16 marzo 2016 Contatti: Claudio Fabbri c.fabbri@crpa.it