La Fabbrica della Bioenergia Un iniziativa a supporto del comparto delle bioenergie, G. Ferretti, A. Casula e G. Insabato La Fabbrica della Bioenergia 2 Obiettivi Favorire la diversificazione dell attività agricola e agroindustriale verso le produzioni no food attraverso una filiera delle agroenergie integrata e funzionale alle altre filiere di vocazione locale Realizzare un luogo di verifica e confronto di tecnologie, sperimentazione di nuove soluzioni impiantistiche, sviluppo e realizzazione di progetti imprenditoriali Promuovere e sostenere la ricerca, l innovazione tecnologica e la formazione per il miglioramento continuo dell efficienza e sostenibilità della produzione ed utilizzo di energia rinnovabile in ambito agro-industriale Soggetti attuatori Provincia di Cremona Politecnico di Milano Partner ERSAF Camera di Commercio Cremona Comune di Cremona 1
La Fabbrica della Bioenergia 3 Il territorio cremonese si caratterizza per la spiccata vocazione agricola e zootecnica, nonché per la presenza di importanti realtà industriali di trasformazione alimentare Il settore delle bioenergie ha visto un notevole sviluppo negli ultimi anni grazie agli incentivi statali in materia di fonti rinnovabili Ad oggi gli impianti di digestione anaerobica realizzati, in corso di realizzazione o autorizzati hanno una potenza complessiva di circa 100 MW elettrici Permangono però alcune criticità, così come possibilità di sviluppo futuro, per la cui soluzione sono necessarie azioni di supporto di breve e medio/lungo periodo La Fabbrica della Bioenergia: linee di attività 4 Attività di ricerca Rimozione azoto da digestato Pretrattamenti biomatrici Sistemi di controllo Upgrading biogas Attività di servizi Analisi di laboratorio Prove pilota Fattibilità progetti bioenergetici Supporto alla gestione impianti Testing di tecnologie Telemonitoraggio e Telecontrollo Attività di osservatorio Advisory board e Networking Studi di settore Formazione Fiere ed eventi 2
Finanziamento e durata del progetto 5 Il progetto è in parte finanziato da Fondazione Cariplo, tramite i fondi emblematici (1 milione di euro) ed in parte cofinanziato dai partner (1,5 milioni di euro), per un budget complessivo di 2,5 milioni di euro Il budget di progetto è destinato a: realizzazione e funzionamento di un laboratorio chimico dotato di impianti pilota; assunzione di nuovo personale; copertura spese vive per lo svolgimento di ricerche e studi ed attività di formazione. Sviluppo degli obiettivi di progetto e garanzia di indipendenza economica al termine della durata del progetto (3 anni). Attività ricerca: rimozione azoto dal digestato 6 Sharon-Anammox process From: http://www.lwr.kth.se/forskningsprojekt/polishproject/jps3s65.pdf con il 70% riduzione dei consumi energetici e del 60% dei costi operativi 3
Attività ricerca: rimozione azoto dal digestato 7 Progetto BRAIN¹ (2010-2012), finanziato dal MiPAF al Politecnico Batteri Anammox Pilota da laboratorio per ottimizzazione configurazione Pilota da campo installato c/o Az. Agricola ¹Biotecnologie per la Riduzione dell Azoto dai digestati con processi INnovativi e per promuovere la sostenibilità economica ed ambientale della produzione del biogas Arricchimento di batteri ANAMMOX 8 Arricchimento di batteri Anammox a partire da fanghi anaerobici: S1: Fango anaerobico da digestore di impianto di depurazione civile (Monza, MI), 750000AE; S2: Fango anaerobico granulare da reattore UASB alimentato con scarti di un lievitificio, (Casteggio, PV) S2b: Fango anaerobico granulare da reattore UASB (+idrazina) S3: Fango attivo da vasca di denitrificazione di un impianto di depurazione alimentato con reflui suinicoli (Casaletto di Sopra, CR) Lunghezza Inoculo del periodo di lag (d) S1 108 S2 : 102 S2b 270 S3 220 Conferma con tecnica microbiologica FISH 4
Pilota da laboratorio, in continuo. Carico alimentato (NLR) e rimosso (NRR) 9 Carico applicato: 0.02 a 0.14 gn/l/d; Concentrazione influente: 1 gn/l Efficienza raggiunta > 90% Progressiva sostituzione con refluo reale Attività ricerca: Pre-trattamenti 10 Obiettivi Alterare la struttura lignocellulosica, incrementando la porosità del substrato Favorire il distacco della lignina Rendere la cellulosa e l emicellulosa più accessibili all attacco enzimatico Ridurre la cristallinità della cellulosa Esigenze Favorire la formazione di composti facilmente fermentiscibili Evitare la formazione di composti inibenti Essere economicamente sostenibili Tesi di dottorato in corso su pretrattamenti termo-chimici ed enzimatici Rif.: Moisier et al., 2005 5
Tecniche di pretrattamento 11 Fisici (Ultrasuoni, milling, estrusione) Termici (Pressure cooking, Steam Explosion (ST/SE), Liquid Hot Water (LHW),..) Chimico (acidi, basi,..) Biologico (enzimi, microorganismi) Combinazione di trattamenti Materie prime 12 Parametro Mais insilato Sorgo Paglia di frumento TS (g/100g) 37.2 96.7 97.6 VS/TS (g/100g) 95.6 86.3 92.5 COD/VS 1.10 1.21 1.15 NDF-ADF-ADL (g/100gts) 42-24 - 2.9 65.0-46.7 3.9 73.1-50.6-5.9 Proteine-Grassi-Fibre- Ceneri-Amido (g/100gts) 7.6-3.0-18.6-5.2-37.1 9.1-1.3-35.3-13.0 n.d. 3.0-0.3-39.3-8.6 - n.d. Cellulosa (g/100gts) 21.4 42.9 44.8 Emicellulosa (g/100gts) 17.7 18.3 22.5 Lignina solubile (g/100gts) 2.9 3.9 5.9 6
Pretrattamento alcalino 13 Substrato Dosaggio specifico T ( C) Durata (h) Mais insilato Sorgo e paglia di frumento Controllo (16 gh 2 O/gTS) 3 gnaoh/100gts 8 gnaoh/100gts 26 gnaoh/100gts Controllo (6 gh 2 O/gTS) 1 gnaoh/100gts 3 gnaoh/100gts 10 gnaoh/100gts Setaccio (Ø 0.8 mm) 40 24 Composizione delle fibre, zuccheri totali e riducenti della frazione solida Zuccheri totali e riducenti, COD solubile della frazione solubilizzata Pretrattamento termico 14 Recipiente di acciaio da 6.2 L Substrato Dosaggio specifico (gh 2 O/gTS) T ( C) Durata Controllo della T C Mais insilato 14 100-130- 160 30 min (raggiunta la T desiderata) Agitatore magnetico Setaccio (Ø 0.8 mm) Composizione delle fibre, zuccheri totali e riducenti della frazione solida Frazione solubilizzata Zuccheri totali e riducenti, COD solubile della frazione solubilizzata 7
Test di BMP 15 Substrati: Paglia di frumento e sorgo non trattati Paglia di frumento e sorgo pretrattati (1-10 gnaoh/100gts) Inoculo: Mix di fanghi (digestato agricolo + civile) 15 bottiglie (V=0.5 L) con un sistema automatico di miscelazione NaOH Test di BMP in duplicato (Rif.: OECD 311, 2006) Concentrazione delfango di inoculo = 5 gsv/l Substrato/Inoculo = 0.9-1 gvs/gvs Volume di prova = 0,5 L T = 35 ± 0.5 C Bagno termostatato a 35 C Bagno multicelle Primi risultati Aumento biodegradabilità (B) e produzione metano 16 Paglia di frumento Sorgo B (%) I CH4 (%) k h (d -1 ) Sorgo non trattato 66% - 0.21 1% (w/w) 73% +11% 0.23 10% (w/w) 86% +29% 0.28 Paglia di frumento non trattata 56% 0.10 1% (w/w) 63% +12% 0.16 10% (w/w) 72% +29% 0.27 R 2 > 0.99 8
Attività di ricerca/servizi: sistemi di controllo basati su modelli 17 Ottimizzazione e controllo dello start-up Ottimizzazione della conduzione, in presenza di elevata variabilità delle matrici alimentate al digestore Telecontrollo Simulazione ex ante variabilità condizioni operative Pre-avviso di possibili disfunzioni processo biologico Attività di servizi: prestazioni di laboratorio e sperimentali 18 Analisi chimico-fisiche standard (inter alia COD, SV per liofilizzazione, acidi volatili totali e singoli, S, metalli,..) Potenziale produzione metano (liquidi e solidi) su diverse matrici Caratterizzazioni fisiche, reologiche e di disidratabilità dei digestati Prove pilota batch e in continuo (degradabilità, co-digestione, inibizione, ottimizzazione parametri di progetto, ecc.) 9
Attività di servizi: studio di fattibilità per un caseificio SITUAZIONI IPOTIZZATE: 19 SCENARIO A SCENARIO B SIERO t.q SIERO t.q SIERO t.q CENTRIFUGA VENDITA SIERO GRASSO WPC BIOGAS ULTRAFILTRAZIONE DIGESTIONE ANAEROBICA Permeato UF Effluente ricircolato in testa all impianto di depurazione DIGESTIONE ANAEROBICA BIOGAS Effluente ricircolato in testa all impianto di depurazione Attività di servizi: studio di fattibilità per un caseificio 20 Alto carico (910 gcod) Basso carico (420 gcod) Tempo di degradazione anaerobica del siero tal quale = 7 14 d Degradabilità anaerobica del siero tal quale = 91% (dopo 21 d) Confermata fattibilità tecnica 10
Bilancio di massa dello scenario A 21 COGENERAZIONE OUT 3: ENERGIA ELETTRICA 450 kw BIOGAS QCH 4 (Nm 3 /d)= 3287 UF DIGESTIONE ANAEROBICA IN: SIERO Q (m 3 /d)= 250 Proteine (g/l)= 8,3 Grassi (g/l)= 0,5 Lattosio (g/l)= 46,2 COD (g/l)= 59,3 N (g/l)= 1,3 COD/N = 45,6 OUT 1: RETENTATO Q (m3/d)= 37,5 Proteine (g/l)= 53,0 Grassi (g/l)= 0,5 Lattosio (g/l)= 46,2 COD (g/l)= 123,2 N (g/l)= 8,3 COD/N = 14,8 PERMEATO Q (m 3 /d)= 212,5 Proteine (g/l)= 0,4 Grassi (g/l)= 0,5 Lattosio (g/l)= 46,2 COD (g/l)= 48,0 N (g/l)= 0,1 COD/N = 738,6 OUT 2: EFFLUENTE Q (m 3 /d)= 212,5 COD (g/l)= 3,8 N (g/l)= 0,07 COD/N = 59 Attività di osservatorio 22 Censimento/Benchmark impianti DA in Provincia di Cremona In provincia di Cremona, al 2010, 51 impianti (in esercizio, in autorizzazione): ANNO RICHIESTA DOMANDA N IMPIANTI 2006 3 2007 4 2008 4 2009 10 2010 30 11
Attività di osservatorio 23 Censimento/Benchmark impianti DA in Provincia di Cremona BIOMASSA IN INGRESSO N IMPIANTI Trinciati 5 Reflui animali 0 Trinciati + Reflui animali 32 Sottoprodotti agroindustriali + trinciati 3 Trinciati + Reflui animali +Sottoprodotti 7 Scarti macellazione 1 FORSU + sottoprodotti + reflui + insilati 2 Granella verde 1 Non disponibile 1 Attività di osservatorio 24 Censimento/Benchmark impianti DA in Provincia di Cremona Principali caratteristiche dei digestori: N DIGESTORI N IMPIANTI FORMA N IMPIANTI 1 3 2 28 3 16 4 4 Cilindrica 45 Rettangolare 5 Ad anello 1 TEMPERATURA N IMPIANTI PROCESSO Mesofilo (30-40 C) 33 Termofilo (50-57 C) 3 Mesofilo e Termofilo 3 Dati non disponibili 12 SISTEMA DI N IMPIANTI RISCALDAMENTO Interno 37 Esterno 7 Dati non disponibili 4 12
Attività di osservatorio 25 Censimento caseifici e potenziale produzione biogas da siero Siero tal quale Siero deproteinizzato Codice Biogas Nm3/d Energia elettrica Kw Biogas Nm3/d Energia elettrica Kw L1 0,41 0,06 0,28 0,04 L2 0,73 0,10 0,51 0,07 L3 2,52 0,35 1,74 0,24 L4 3,30 0,45 2,27 0,31 L5 3,76 0,52 2,59 0,35 L6 9,17 1,26 6,31 0,87 L7 23,66 3,24 16,29 2,23 L8 30,86 4,23 21,25 2,91 L9 41,46 5,68 28,54 3,91 L10 87,13 11,94 59,98 8,22 L11 182,01 24,94 125,31 17,17 L12 235,94 32,32 162,43 22,25 L13 278,17 38,11 191,51 26,24 L14 301,19 41,26 207,36 28,41 L15 370,39 50,74 255,00 34,93 L16 377,55 51,72 259,92 35,61 L17 426,75 58,47 293,80 40,25 L18 681,63 93,38 469,27 64,29 L19 1'042,35 142,80 717,61 98,31 L20 1'200,05 164,41 826,18 113,19 L21 1'206,52 165,29 830,63 113,80 L22 1'333,86 182,74 918,31 125,81 L23 1'723,93 236,18 1'186,85 162,60 L24 4'061,94 556,49 2'796,47 383,12 L25 4'508,92 617,72 3'104,19 425,27 L26 4'559,59 624,66 3'139,07 430,05 L27 7'748,17 1'061,50 5'334,27 730,79 L28 13'501,71 1'849,73 9'295,33 1'273,46 Totale 43'943,68 6'020,28 30'253,27 4'144,70 Attività di osservatorio 26 Censimento caseifici e potenziale produzione biogas da siero Ipotesi di calcolo: Efficienza degradazione del substrato: 91% Efficienza elettrica del motore: 38% Classificazione in base alla potenza del motore: Oltre i 300 kw Ta i 100 e i 300 kw Meno di 100 kw Classificazione in base al siero prodotto: Oltre le 120 t/d Ta le 40 e le 120 t/d Meno di 40 t/d 13
27 http://www.fabbricabioenergia.polimi.it Grazie per l attenzione francesca.malpei@polimi.it 14