Digestione anaerobica

Digestione anaerobica Aspetti tecnici e gestionali Claudio Fabbri CRPA spa

Digestione Anaerobica: take at home! La digestione anaerobica è un processo microbiologico già esistente in natura, molto antico dal punto di vista evolutivo Innovazione e ricerca biotecnologica ne hanno esteso la flessibilità e l affidabilità: oggi è possibile recuperare metano da ogni scarto organico (effluenti zootecnici e sottoprodotti agro-industriali) E il cuore di un ciclo eco-sostenibile che si integra nel territorio: riduzione delle emissioni in atmosfera, valorizzazione energetica (biometano, energia elettrica, energia termica) e fertilizzazione dei terreni. Esistono potenzialità ancora inesplorate (chimica verde, bioraffinerie, biocarburanti)

Ricerca Industriale E un laboratorio dedicato alla Ricerca Industriale Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna Sezione AMBIENTE ed ENERGIA

La digestione anaerobica e la digestione del bovino

Le fasi del processo Idrolisi Acidogenesi Acetogenesi carboidrati, grassi e proteine sono ridotti a molecole mono-disaccaridi, acidi grassi e aminoacidi ad opera di eso enzimi Monomeri sono convertiti ad H2, CO2, acidi grassi volatili e alcoli per fermentazione H2, CO2, acidi grassi volatili sono parzialmente trasformati ad acido acetico Metanogenesi H2, CO2, acido acetico sono convertiti a CH4 e CO2 Elevata sensibilità a ph, T, VFA Vera fase limitante!!

Parametri di controllo FISICO-CHIMICI Temperatura Acidità/alcalinità Conducibilità Acidi volatili Crescita batterica Ione ammonio ph Micronutrienti

Equilibrio acidità/alcalinità L'alcalinità è necessaria per equilibrare l'acidità e mantenere il ph nel range ottimale (7-7,7). Rapporti ottimali fra acidità/alcalinità: 0,3 (range normale fra 0,2 e 0,4) Attenzione però che l'alcalinità da bicarbonati si consuma! Ione Bicarbonato: HCO 3 - Acido carbonico: H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

Potenziale RedOx E' una misura della ossidabilità/riducibilità della sostanza organica. Al diminuire del potenziale RedOx diminuisce il ph e viceversa La digestione anaerobica avviene in ambiente riducente, ovvero <-300 mv (range normale fra - 250 e -450 mv) I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di RedOx

Ione ammonio/ammoniaca E' un composto inibente molto importante. Si produce per deamminazione degli aminoacidi. NH 4 + NH 3 + H + E' importante soprattutto la concentrazione di ammoniaca (NH3): valori significatvi di inibizione intorno a 40-50 ppm. L'equilibrio dipende dal ph! I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di ammoniaca

Micronutrienti E' un insieme di composti necessari in minima parte per diverse reazioni chimiche cellulari. La loro assenza può determinare crisi anche gravi (acidosi): ferro, solfuri, rame, manganese, cobalto, selenio... I liquami contengono micronutrienti necessari al buon funzionamento! I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti

Digestione soli insilati: oligoelementi La LEGGE DEL MINIMO: Se una pianta ha bisogno di dodici elementi per la sua crescita, e se solo uno di essi viene a mancare, essa non potrà mai svilupparsi. Se una di queste sostanze non è infatti disponibile nella quantità necessaria richiesta dalla natura, la pianta crescerà sempre incompleta (Journal fur technische und okonomische Chemie, Bd. 3, S.93, P.Pc Sprengel, 1828)

Temperatura di processo La digestione anaerobica può essere condotta in condizione mesofile (35-40 C) o termofile (50-55 C). Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10-25 C).

Temperatura di processo Indipendentemente dal regime di temperatura scelto, EVITARE VARIAZIONI DI TEMPERATURA maggiori di +/- 1-2 C I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di temperatura

Temperatura di processo Psichrophilic Mesophilic Thermophilic Rate of the AD process 0 10 20 30 35 40 50 55 60 70 80 Temperature

Il potenziale metanigeno delle biomasse Claudio Fabbri CRPA spa

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

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)

Rese produttive (BMP): Nm 3 CH 4 /tsv Fonte: archivio CRPA, circa 3000 BMP 700 Nm3 CH4/t SV 600 500 400 300 200 100 336 300 447 386 276 227 390 338 89 0

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%

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!

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

Sansa di oliva 2 fasi Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) 256 237 92,2 4300 1,7% 201 69% 32,1%

Sansa di oliva 3 fasi Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) 360 334 92,9 5700 1,6% 192 66% 32,8%

Sansa di oliva denocciolata Produzione CH4 [Nm3/t SV] 400 300 200 100 7.9 Solidi totali 22.922.6 19.7 Kmax 20.420.418.5 (giorno): 2.9 11.9 9.7 BMP21 [Nm3/tSV]: 264 Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) 7.7 BMP [Nm3/tSV]: 313 0.0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] (%) (%) 278 260 93,6 3800 1,4% 312 64% 56% 5.5 4.1 3.3 Giorni 30 Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] 20 10

Sansa di oliva denocciolata e defibrata Produzione CH4 [Nm3/t SV] 500 400 35.3 37.4 31.3 Kmax (giorno): 8.1 25.6 27.4 26.8 24.625.3 BMP21 [Nm3/tSV]: 368 BMP [Nm3/tSV]: 432 300 14.2 20 200 8.9 9.9 8.2 6.5 4.9 4.1 10 100 0.0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Produzione cumulativa di metano [Nm3/tSV] Giorni 40 30 Velocità produzione [Nm3 CH4/tSV/giorno] Solidi totali Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabi lità SV (g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV) (%) (%) 199 164 82,2 4000 2% 431 64% 79%

RBP - potenziale metanigeno residuo nel digestato Frequenza (%) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0-25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 150-175 175-200 Resa metano (Nm 3 /tsv) RBP (valore medio, n. 96 ) = 89 ± 35,4 Nm 3 CH 4 /t s.v.

Schemi tecnologici Claudio Fabbri CRPA spa

Schemi impiantistici: DA monostadio e monofase Biomasse solide Biomasse pompabili Digestato Primario Idrolisi Acidogenesi + acetogenesi Metanogenesi ph=6,7-8,2 FOS=2,5-4.000 mg HAeq/l TAC=10-13.000 mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,4 ST= 5-8% CH 4 = 52-56%, H 2 = 50-70 ppm

Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse (500 capi da carne) CHP 380 kw Dosatore Colture dedicate 16,45 t/g F1 2.950 m 3 Matrice Liquame bovino Insilato di mais Pastone integrale Totale/medi a Quantità tal quale COV Produzione metano [t/giorno] [kg/m3/giorno] [%] [m3/giorno] [%] 19,1 0,3 11,6 181 8 16,3 2,29 87,2 2.043 90,6 0,15 0,03 1,2 31 1,4 35,6 2,63 100 2.254 100 Bovini Stoccaggio 3000 m 3 Solido separato HRT 75-80 gg COV 2,6-2,7 kgsv/m 3 /gg

Potenza elettrica (kw) Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse (500 capi da carne) 400 350 300 250 200 150 100 50 Potenza elettrica media 341 kw 0 1-set 1-ott 1-nov 1-dic 1-gen 1-feb Potenza elettrica Carico organico volumetrico 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Produzione biogas/metano 630-650 m 3 /tsv al 50% CH 4 Carico organico volumetrico (kgsv/m3.giorno)

Schemi impiantistici: DA bistadio e monofase Biomasse solide F1 F2 Digestato Biomasse pompabili Primario Idrolisi Acidogenesi + acetogenesi Metanogenesi Secondario ph=6,7-7,6 FOS=3-4.000 mg HAeq/l TAC=10-12.000 mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,3-0,4 ph=7,4-8,2 FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.000 mg CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,3 ST= 7-8% ST= 5-7% CH 4 = 50-52%, H 2 = 50-100 ppm CH 4 = 52-55%, H 2 = 30-50 ppm

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici (890 capi produttivi da latte) Ivano 14,5 t/gg Dosatore 30,5 t/gg 70 t/gg Antonio Trasporto (2 km) CHP 330 kw Letame Ricircolo per diluizione carico Pompa trituratrice F2 2280 m 3 F1 2280 m 3 115 t/gg Stoccaggio 3000 m 3 Solido separato HRT 30-35 gg COV 2,3-2,5 kgsv/m 3 /gg

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici Potenza elettrica media 272 kw 0,3 kw/capo produttivo Produzione biogas/metano 380-400 m 3 /tsv al 54,5% CH 4 16,8-19,3 m 3 CH 4 /t effluente

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte) Potenza elettrica media 475 kw Produzione biogas/metano 560-580 m 3 /tsv al 54% CH 4 Liquame 26,7 t/gg Bovini Letame 5,9 t/gg CHP 2 x 250 kw F2 F1 2280 m 3 2280 m 3 HRT 85-90 gg COV 2,2-2,5 kgsv/m 3 /gg Dosatore Stoccaggio Solido separato Colture dedicate 19,5 t/g

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte) Digestato in uscita dai due digestori Efficienza di degradaz. = 74,2% cioè solo il 25,8% dei solidi volatili non è stato convertito in biogas.

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=12-20.000 mg HAeq/l TAC=3-4.000 mg FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.000 mg CaCO3/l FOS/TAC = 4-5 CaCO3/l FOS/TAC = 0,2-0,3 ST= 11-13% ST= 5-7% CH 4 = 10-20%, H 2 = 500-1000 ppm CH 4 = 55-60%, H 2 = 30-50 ppm

Cambiamenti rapporti chimici in bistadio + bifase: acidi e alcali FOS (mg HAeq/l) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Primario Secondario Secondario TAC(mg CaCO3/l) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Primario Secondario Secondario ph 9 8 7 6 5 4 29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag Nelle fasi iniziali di separazione di fase, ottenuta con modifiche dei ricircoli, il ph cala e FOS aumenta rapidamente. Nel digestore secondario si mantengono valori stabili. Primario Secondario Secondario

Ripristino potenza in impianto bistadio + bifase Potenza elettrica (kw) 1200 1000 800 600 400 200 Rottura alternatore + Manutenzione straordinaria 20.000 h COV al 20% per mantenere biologia attiva 20 giorni di fermo 0 25-feb 7-mar 17-mar 27-mar 6-apr 16-apr 26-apr Potenza effettiva Potenza attesa Ripristino piena potenza in 8 giorni

Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti Si tratta di uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione e gestione di un impianto di biogas che per i professionisti che devono progettare. Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico (CIG E45J10000060001) Le linee guida sono disponibili scaricabili in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet www.crpa.it.

BiogasDoneRight Claudio Fabbri

Perché le bioenergie?

FONTI RINNOVABILI INTERMITTENTI vs FONTI RINNOVABILI PROGRAMMABILI. 1. Valore del biogas come fonte programmabile al ridursi delle fonti programmabili fossili post 2030 COP 21 NON FINISCE AL 2030 2. Valore della rete gas come sistema di stoccaggio, raccolta energie rinnovabili e utilizzo in tutti gli usi finali 3. Valore del gas rinnovabile nella decarbonizzazione dei settori di difficile elettrificazione 4. Valore del bioagsdoneright per una decarbonizzazione del settore agricolo e funzione di carbon sink dei suoli agricoli 43

DECARBONIZZARE L AGRICOLTURA I TRE PILASTRI DEL BIOGASDONERIGHT - FERTILIZZANTI + RICICLO NUTRIENTI + ROTAZIONI ED USO DEL SUOLO EFFICIENTE + SOSTANZA ORGANICA

Biogas e carbonio: un binomio efficace? La digestione anaerobica è un processo naturale che utilizza carbonio di origine biogenica e lo converte in un flusso energetico ad alto valore lasciando un residuo carbonioso ad elevato valore aggiunto agronomico C_CO 2 C a H b O c N d S e Energia Carbon storage C_CO 2

Modello BiogasDONERIGHT Rotazioni e colture sequenziali: aumentare l efficienza di utilizzo del suolo coltivando fino a 2 colture nello stesso suolo e nello stesso anno per ottenere biomasse addizionali. Riciclo dei nutrienti al terreno grazie all utilizzo del digestato Sistemi di agricoltura conservativa e promozione del sequestro del carbonio nel suolo attraverso la sostanza organica.

Effetto della digestione anaerobica Le emissioni di gas serra per la produzione di energia sono molto minori rispetto a quelle delle fonti fossili, addirittura negative se prodotto con soli effluenti zootecnici Solo liquami

Grazie per l attenzione Claudio Fabbri CRPA spa