L IMPATTO DEL SISTEMA DI INCENTIVAZIONE SUL MERCATO DEL BIOGAS Giovedì 10 maggio 2012 Scelte tecnologiche per massimizzare la produzione di biogas Pierluigi Navarotto pierluigi.navarotto@unimi.it
L IMPIANTO DI BIOGAS Costituito da varie sezioni le cui componenti devono essere ben armonizzate tra loro per avere le necessarie garanzie di affidabilità ed efficienza. BIOMASSE + Sistema di trattamento-inserimento nell impianto + CARATTERISTICHE MECCANICHE + GESTIONE OTTIMALE DEL PROCESSO MASSIMA EFFICIENZA Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
QUALITA DELLE BIOMASSE Innanzitutto è essenziale garantire la qualità costruttiva dell impianto: digestori ed opere murarie componentistica elettromeccanica troppo spesso si dimentica che debbono durare almeno 20 anni!
BIOMASSE Attenzione al Decreto interministeriale sulle rinnovabili in itinere. - prodotti di origine biologica (22,9 cent/kwh) - sottoprodotti di origine biologica (25,7 cent/kwh) limite del 30% di prodotti di origine biologica 100 vacche da latte con rimonta 90 kwel 200 vacche da latte con rimonta 200 kwel 300 vacche da latte con rimonta 300 kwel 350 scrofe 90 kwel 750 scrofe 200 kwel 2000 suini da ingrasso 200 kwel 3000 suini da ingrasso 300 kwel Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
QUALITA DELLE BIOMASSE Garantire il maggior contenuto energetico ovvero - per gli effluenti di allevamento: rapida veicolazione all impianto - per gli insilati: ridurre le perdite di conservazione Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
SISTEMI DI PRETRATTAMENTO - ALIMENTAZIONE PER MIGLIORARE LA RESA IN METANO DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DELLE BIOMASSE all interno delle biomasse esiste una certa quantità di energia imprigionata nelle molecole meno disponibili all attacco enzimatico delle comunità microbiche (Hendricks et al., 2009) Fin ora molto lavoro è stato fatto soprattutto per quanto riguarda gli effetti di trattamenti chimici e chimico-fisici di fanghi di depurazione (Bougrier et al., 2007; Valo et al., 2004)
I PRETRATTAMENTI PER MIGLIORARE LA DIGERIBILITÀ DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA La biomassa lignocellulosica è composta da tre differenti polimeri in associazione fra loro: Cellulosa Nelle piante è presente sia in forma amorfa che cristallina; formata da sub-unità di Glucosio. Le fibre di cellulosa, principalmente slegate, sono debolmente legate fra di loro (Perez et al., 2005). Emicellulosa Struttura molto complessa in cui prevalgono polimeri di zuccheri a 5 e a 6 atomi di carbonio organizzata in fasci di fibre la cui solubilità, nel caso di trattamenti termici, aumenta all aumentare della temperatura, ma anche al variare del ph. Ha una funzione di collegamento fra le fibre di lignina e di cellulosa. Lignina Costituente delle pareti cellulari delle cellule vegetali Nella cellula è presente in forma amorfa ed ha una funzione prevalentemente plastica e strutturale L effetto che i pretrattamenti hanno è quello di migliorare la fase di idrolisi e la resa totale in metano
QUALI PRETRATTAMENTI? MECCANICI Macinazione Riduzione della dimensione delle particelle di biomassa che porta (Palmowski and Muller, 1999) : ad un aumento della superficie specifica (cm 2 /g) ad una riduzione del grado di polimerizzazione delle molecole ad uno sminuzzamento della biomassa questo può portare: ad un incremento totale della resa dell idrolisi delle lignocellulose e della produzione di metano dal 5 al 25% in funzione del tipo e della durata della macinatura. Ad una riduzione del tempo di digestione dal 23 al 59% (Delgénes et al., 2002) Estrusione La biomassa è sottoposta ad una compressione meccanica seguita da una distensione improvvisa Sminuzzamento, Schiacciamento Frantumazione della struttura cellulare
QUALI PRETRATTAMENTI? TERMICI Riscaldamento della biomassa fino a 150 180 C così da indurre una solubilizzazione delle frazioni emicellulosiche e lignocellulosiche TRATTAMENTI CON VAPORE Temperatura elevata (fino a 240 C) ed alta pressione per pochi minuti seguita da raffreddamento della biomassa. STEAM EXPLOSION Come prima ma si ha una depressurizzazione molto veloce seguita da un altrettanto veloce raffreddamento che causa l esplosione dell acqua contenuta nelle cellule della biomassa. Lo scopo è solubilizzare le emicellulose per rendere più accessibile la cellulosa per l idrolisi enzimatica ed impedire la formazione di composti inibitori (Brownell et al., 1986) -Alcuni autori ricordano che il pretrattamento a vapore, se da un lato solubilizza velocemente i componenti solubili della lignina, dall altro può indurne una veloce condensazione con il risultato di diminuirne la digeribilità
QUALI PRETRATTAMENTI? CON ACQUA CALDA Al posto del vapore si utilizza acqua bollente grazie alla quale si solubilizzano prevalentemente le emicellulose. Per evitare la formazione di sostante inibitrici è necessario mantenere il ph della biomassa fra 4 e 7 Rispetto ai trattamenti con vapore si ha una minore concentrazione di prodotti solubili. La quantità di sostanze solubilizzate aumenta ulteriormente se l acqua calda è fatta flussare attraverso la biomassa
QUALI PRETRATTAMENTI? PRETRATTAMENTI ACIDIFICANTI Consistono nell aggiunta di acidi a temperatura ambiente per solubilizzare le emicellulose e rendere disponibile la cellulosa. Se si utilizzano H 2 SO 4 oppure HNO 3 la produzione di metano risente della produzione di H 2 S e N 2. PRETRATTAMENTI ALCALINIZZANTI Si hanno reazioni di solubilizzazione e saponificazione che inducono nella biomassa una condizione di ammorbidimento tale da renderla più accessibile agli enzimi e ai batteri Ai fini della produzione di biometano non sembrano esserci controindicazioni particolari. Pavlosthathis et al., (1985) hanno segnalato incrementi di resa in metano del 100% trattando paglia di frumento. PRETRATTAMENTI ENZIMATICI In letteratura sono riportati risultati contrastanti circa il loro impiego
QUALI PRETRATTAMENTI? PRETRATTAMENTI COMBINATI Trattamenti termici + trattamenti acidi L addizione di un acido durante il trattamento termico permette di solubilizzare le emicellulose abbassando la temperatura ottimale e rendendo la biomassa più facilmente degradabile (Gregg et al., 1996; Hendricks et al., 2009) La graduale solubilizzazione delle emicellulose può innescare un fenomeno di riorientamento della struttura della cellulosa verso una forma maggiormente cristallina (Gregg et al., 1996). Trattamenti termici + trattamenti alcalini Sono fatti aggiungendo calce alla dose di 0,1g Ca(OH)2/g di substrato e portando al temperatura a 100 150 C (Changet al., 2001). In base ad alcuni autori questo trattamento combinato è sufficiente a rendere meglio degradabile la biomassa con poca lignina, ma non quella che ne contiene in maggiore quantità. Fox et al. (2003) hanno rilevato incrementi di resa in metano da 3 a 4.5 volte superiori trattando carta di giornale in questo modo.
EFFETTI DEI VARI PRETRATTAMENTI SULLA COMPOSIZIONE CHIMICA E LA STRUTTURA DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA Aumento cm 2 /g Decristall. cellulosa Solubilizz. emicellulosa Solubilizz. lignina Composti indesiderati Alterazione lignina Meccanici + + Termici + + - + + Acqua calda (batch) + ND + - - - Acqua calda (flusso) + ND + - - - Acidi + + + + + Alcalini + - - - + + = grande efficacia; - = poca efficacia; ND = sconosciuto
IN DEFINITIVA La biodegradabilità della biomassa lignocellulosica è limitata da parecchi fattori fra cui: La cristallinità della cellulosa La superficie disponibile all attacco microbico Il contenuto di lignina I pretrattamenti termici con vapore, con calce, con acqua calda sono quelli che presentano la maggiore potenzialità; tuttavia il loro effetto è estremamente dipendente dalle condizioni operative e dalla composizione della biomassa.
PRETRATTAMENTI ENZIMATICI INSILAMENTO Perdita di biomassa fra il 5 e il 50% durante la conservazione: essenziale insilare correttamente! Miglioramenti si possono ottenere mediante l additivazione di specifici microrganismi che riescono a rendere maggiormente disponibili per l utilizzo i polisaccaridi della parete cellulare. Resta comunque essenziale che la raccolta della biomassa e la conduzione dell insilamento siano gestite correttamente perché complementari all attività dei microrganismi.
La complessità delle interrelazioni tra i vari processi rende particolarmente difficile effettuare valutazioni sugli effetti complessivi dei vari trattamenti e sulla loro effettiva convenienza economica Un ulteriore difficoltà è legata alla specificità delle risposte ai diversi trattamenti da parte delle varie biomasse Solo future esperienze operative e lo sviluppo di specifiche ricerche potranno fornire elementi utili ad operare scelte realmente ponderate. Una indicazione che appare comunque chiara è la specificità dei trattamenti per le varie biomasse ed in questo senso è necessario predisporre i futuri impianti.
L INSERIMENTO DELLA BIOMASSA 2. immissione delle frazioni liquide e solide separatamente a) Contenitore in cls. Si ha maggiore robustezza e durata rispetto alle soluzioni in acciaio. b) Contenitore in acciaio. La movimentazione può essere fatta tramite: -walking floor -trasportatore di fondo a catena - nastro trasportatore continuo -parete mobile. c) Cassoni con sistemi di miscelazione. Si tratta di carri miscelatori stazionari ove il materiale viene miscelato ed omogeneizzato. Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
1. immissione con veicolazione tramite pompaggio a. sistema con cassone dosatore, tramoggia, miscelazione con il liquido di veicolazione, trituratore e pompa di sollevamento 1. Cassone dosatore 2. Coclea dosatrice 3. Coclea di elevazione 4. Gruppo di miscelazione con liquido di trasferimento 5. Trituratore 6. Pompa di ricircolo digestato 7. Digestore 8. Liquami Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
1. immissione con veicolazione tramite pompaggio b. sistema con cassone dosatore, miscelatore su celle di carico, pompa e trituratore 1. Cassone dosatore 2. Coclea dosatrice 3. Coclea di elevazione ed inserimento 4. Silo per eventuali prodotti integrativi 5. Miscelatore su celle di carico 6. trituratore 7. Pompa di sollevamento 8. digestore 9. Pompa di ricircolo digestato 10. liquami
1. immissione con veicolazione tramite pompaggio c. sistema con vasca polmone di miscelazione 1. Vasca polmone di miscelazione 2. Mixer sommergibili ed orientabili 3. Riscaldamento a parete o sul fondo 4. Immissione biomassa liquida 5. Immissione biomassa solida (con pala caricatrice e carro miscelatore) 6. trituratore 7. Pompa di sollevamento 8. digestore 9. Pompa di ricircolo digestato
MISCELAZIONE - Assicura il massimo contatto tra microrganismi e biomassa in fermentazione, ottimizzando l efficienza della d.a. - La difficoltà a mantenere le condizioni di miscelazioni ottimali dipende dal volume di digestione, dalle caratteristiche delle biomasse trattate e dal tenore di solidi del materiale. - Indispensabile: - ridurre i consumi - consentire le riparazioni senza svuotare i digestori
Fonte: 18 Annual Conference of German Biogas Association
RISCALDAMENTO è necessario per far fronte alle perdite di calore dovute all immissione della biomassa e alle dispersioni che si hanno attraverso le pareti del digestore SOLUZIONI TECNOLOGICHE Serpentina interna con circolazione di acqua calda Riscaldamento, tramite scambiatore esterno, del materiale in digestione Generalmente realizzata in polipropilene reticolato, ma anche in acciaio Indicati per biomasse con bassi tenori in solidi. Soluzione preferita nel caso di miscelazione idraulica
GASOMETRO Elemento indispensabile per raccogliere temporaneamente il biogas prodotto, in attesa del suo uso al cogeneratore. Poco utilizzate le classiche soluzioni a campana Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
Le soluzioni più diffuse prevedono GASOMETRO MONOMEMBRANA una sola membrana che viene posata in combinazione con una copertura coibentata lignea del digestore. Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
GASOMETRO A DUE MEMBRANE prima membrana: resistente agli agenti atmosferici, con funzione di protezione seconda membrana: funzione gasometrica va prevista una durata media del gasometro di cinque anni NB: le pressioni di esercizio sono dell ordine di 1,5-2, mmbar Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
SISTEMI DI CONTROLLO LA GESTIONE DELL IMPIANTO È L ASPETTO CHE MAGGIORMENTE PREOCCUPA E CHE NE CONDIZIONA LA REDDITIVITÀ NEL LUNGO PERIODO OCCORRE DISPORRE DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI E DI RILEVAMENTO DEI PARAMETRI DI PROCESSO -ph -Redox -Solidi sospesi confronto - fos/tac - ac. grassi volatili OTTIMIZZAZONE DEL PROCESSO E CONTROLLO DELLA RAZIONE Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
SISTEMI DI CONTROLLO BISOGNA INOLTRE MANTENERE IL CORRETTO EQUILIBRIO TRA BIOGAS PRODOTTO E BIOGAS RICHIESTO PER IL REGOLARE FUNZIONAMENTO DEL GRUPPO DI COGENERAZIONE ALLA PIENA POTENZA per evitare di «sprecare biogas» diminuendo così l efficienza energetica della biomassa per evitare emissioni di metano in atmosfera Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
Ancora meglio: Migliorare l efficienza e. aumentare la tariffa! + 3 cent/kwh con riduzione dell azoto totale del 60% + 1,5 cent/kwh con riduzione dell azoto totale del 40% (sino a 600 kw). Possibile ma non indolore: i maggiori costi di investimento, manutenzione e gestione possono annullare i benefici economici, restano comunque quelli ambientali!
CONCLUSIONI la realizzazione di un impianto di biogas richiede quindi un approccio integrato che, partendo dalla sua corretta progettazione e realizzazione, preveda la necessaria strumentazione, la preparazione del personale e l assistenza tecnica, indispensabili per assicurare una gestione sostenibile nonostante le tariffe del nuovo decreto Spazio libero per eventuale nome struttura o altro
Prof. Pierluigi Navarotto L IMPIANTO DI BIOGAS: TECNOLOGIE COSTRUTTIVE E BIOMASSE