Ricerca applicata e innovazione italiana per l ottimizzazione degli impianti biogas

Ricerca applicata e innovazione italiana per l ottimizzazione degli impianti biogas David Bolzonella Dipartimento di Biotecnologie, Università degli Studi di Verona 1

La crescita degli impianti a biogas e delle potenze installate (2000-2011) 500 400 Impianti 350 Potenza Inst. 300 250 200 150 100 W zslm o t()e n ia p Im 450 50 0 Carbone, Terra & Vita, 41/2011 2

Gli impianti da 1 MW necessitano di circa 10,000 m3 di biogas al giorno Gli energy crops (insilato di mais e triticale) rappresentano il 58% del carico organico trattato e sono i maggiori responsabili delle rese in biogas 16% Flowrate Portata (ton/d) loading (ton CaricoOrganic organico 18% SS/d) 40% 24% livestock livestock energy crops energy crops agro-waste agro-waste 58% 44% Ma le colture energetiche necessitano di acqua, lavoro, fertilizzanti, e costano circa 20-30 per ton (sito specifico) 3

Distorsione che nasce da una tariffa flat pari a 0,28 per kwh per gruppi di potenza elettrica installata fino a 1 MWee che utilizzino biomasse raccolte nel raggio di 30 km Diverso sarebbe lo scenario nel caso di un sistema a scaglioni e con incentivo al recupero di calore (es. UK) Potenza elettrica, kw Tariffa, per kwh < 250 0,145 250 500 0,130 > 500 0,094 Incentivo per il calore 0,065 per kwh 4

La corretta progettazione di un digestore anaerobico nasce dalla buona conoscenza dei processi e dall equilibrio tra tre componenti fondamentali En er gi a o at st ge Di Progettazione Alimentazione 5

Oggi si parte da uno di questi elementi (vincolo) e a ritroso si determinano gli altri.. En er gi a o at st ge Di Progettazione Alimentazione 6

Alimentazione I substrati disponibili in Azienda (o reperibili) sono essenzialmente di tre tipologie: - Effluenti di allevamento - Colture dedicate: insilati di mais, triticale. Residui dell agro-industria: residui vegetali, scarti dell industria alimentare, glicerolo (non nel Veneto), scarti di macellazione. - 7

La produzione di biogas da effluenti di allevamento è contenuta quindi la co-digestione è una via obbligata. Biogas per capo 1 mucca (500 kg) = 0,5 m3 di biogas/d 1 maiale (90 kg) = 0,10 m3 di biogas/d 1 gallina (2 kg) = 0,01 m3 di biogas/d 1 cavallo (300 kg) = 0,09 m3 di biogas/d 1 pecora (50 kg) = 0,07 m3 di biogas/d 8

Colture dedicate (energy crops) Mais Rese fino a 50 ton/ha per anno Costi di 20-30 per ton Richiedono terreno, acqua, fertilizzanti, lavoro. Triticale 9

Attenzione!!! La visione della Comunità Europea (ref. David Baxter, leader di IEA Bioenergy) sull uso di energy crops sta cambiando. Nella Direttiva sulle energie rinnovabili (revisione della 2009/28/EC) si introduce il concetto di sostenibilità dei bio-combustibili, e, in base alle procedure di calcolo definite dalla CE, quelli derivati da colture dedicate risultano perdenti.. 10

Courtesy of David Baxter 11

Courtesy of David Baxter 12

Courtesy of David Baxter 13

Cambiare il paradigma OGGI DOMANI 14

Scarti agro-industriali Fagiolini Mais dolce Piselli Pomodoro 15

Insalata Patate Cipolle Marco-frutta 16

Simili per caratteristiche e rese energetiche ma stagionali!!! Parameters Sostanza secca Solidi volatili Sostanza organica (COD) Azoto Biogas Substrates g/kg g/kg g/kg SS mg/kg SS m3ch4/tonsv Letame bovino 260-350 250-315 880-930 34-49 220-270 Liquame bovino 89-97 69-76 910-1020 31-41 100-145 Liquame suinicolo 60-90 47-76 860-965 18-42 90-120 Pollina (con lettiera) 467-688 397-530 751-1000 27-47 230-280 Pollina (liquido) 124-190 105-155 802-871 27-39 75-135 Liquame cunicolo 192-255 154-213 803-970 19-21 180-235 Insilato di mais 272-453 262-440 545-1170 11-17 320-380 Insilato di triticale 190-315 167-282 990-1160 13-19 310-365 --- --- 550-800( ) --- 120-210( ) Marcofrutta 220-255 210-230 1120-1250 25-35 455-570 Patate 157-192 167-180 980-1050 20-26 380-450 Cipolle 103-130 96-104 880-996 20-34 460-510 40-80 31-70 765-1050 21-36 310-345 Glicerolo Insalata/lattuga ( ) Espresso sul tal quale 17

Biogas potenziale S 4/kgV 0,4 3C H 0,5 0,3 0,2,m P M B 0,6 0,1 0 18

Tests di biometanazione MA FATTI BENE! 19

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Questa possibilità è stata dimostrata mediante una sperimentazione a scala pilota condotta dalle Università di Verona e Venezia: in questo caso, il 50% del carico da colture dedicate è stato sostituito con scarti agro-alimentari 21

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Piattaforma mobile per la sperimentazione su scala pilota: 4 CSTR (0.25m3) 23

Condizioni operative EA = EC = AW = % = R1 R2 R3 R4 Volume m3 0,23 0,23 0,23 0,23 T C 37 37 55 55 HRT Giorni 30 60 60 30 OLR kgtvs/m3rd 4 2 2 4 RUN 1 EA EA (100%) RUN2 EA +EC EA (50%) EC (50%) RUN3 EA + EC+ AW EA (50%) EC (25%) AW (25%) Effluenti Zootecnici ( letame e liquame bovino) Energy Crops (Insilato di mais) Scarti agro-alimentari Calcolata sulla base del carico solidi volatili 24

Produzione Specifica di Biogas 25

Tale sperimentazione ha permesso di verificare che 1) 2) 3) E possibile ottenere, a parità di condizioni applicate, rese importanti utilizzando scarti in luogo di colture dedicate E possibile spingere i processi (alti carichi e tempi di ritenzione relativamente ridotti) sfruttando al meglio i volumi esistenti o restringendo quelli in progettazione La termofilia si è dimostrata sostenibile senza particolari stress per il sistema e garantisce un ulteriore 10-15% di incremento nelle rese 26

Oltre che attraverso l analisi delle matrici e l ottimizzazione dei mix in entrata, l ottimizzazione delle rese energetiche si ottiene mediante un monitoraggio attento ed esperto.. (credits: prof Juan Lema) 27

. in grado di controllare il processo!!! (credits: prof Juan Lema) 28

MONITORAGGIO BASE ü temperatura ü ph temperatura, ü ph ü alcalinità totale & parziale ü MONITORAGGIO MEDIO temperatura ü ph ü alcalinità totale & parziale ü VFA concen. e ripartizione ü Biogas portata e composizione ü Altro ü MONITORAGGIO HARD 29

Tutto ciò al fine di consentire, da un lato, una adeguata integrazione al reddito, e, dall altro, garantire il plus economico per una corretta gestione dei nutrienti presenti nel digestato. 30

Bilancio economico per l applicazione dei processi di recupero/rimozione Other costs per ton 20/30 per ton per i processi di rimozione/recupero dell azoto 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Pay back Energy crops Incomes Costs 31

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34 kwh

35 NH3 kwh

36 NH3 kwh

Digestato 37