Digestione anaerobica di effluenti di allevamento e altri co-substrati: massimizzazione delle rese energetiche per il controllo dell'azoto David Bolzonella Università degli Studi di Verona Treviso, 21 ottobre 2011 1
Alla luce di quanto descritto nelle relazioni precedenti appare evidente la necessità di massimizzare la produzione di energia del processo di digestione anaerobica così da massimizzare i ritorni economici del processo e quindi i margini per l applicazione di processi ad alta efficienza per il controllo dell azoto nei flussi effluenti secondo la logica prima illustrata: Treviso, 21 ottobre 2011 2
Treviso, 21 ottobre 2011 3
Treviso, 21 ottobre 2011 4
kwh Treviso, 21 ottobre 2011 5
kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre 2011 6
kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre 2011 7
kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre 2011 8
kwh NH 3 Treviso, 21 ottobre 2011 9
Il processo di digestione anaerobica Treviso, 21 ottobre 2011 10
Il processo di digestione anaerobica porta alla bio-conversione, in assenza di ossigeno, della sostanza organica complessa in biogas Materia organica complessa Biogas (CH 4 +CO 2 ) Digestato (azoto org + NH 4 ) Treviso, 21 ottobre 2011 11
Il processo si sviluppa attraverso tre fasi distinte ma contestuali Idrolisi Acidogenesi Metanogenesi Treviso, 21 ottobre 2011 12
Il loro contenuto energetico è però differente: Idrocarburi Grassi e oli Proteine Contenuto di energia Grado di ossidazione Carboidrati Treviso, 21 ottobre 2011 13
Il tutto avviene in un reattore chiuso, opportunamente scaldato e miscelato, e in assenza di ossigeno Treviso, 21 ottobre 2011 14
Configurazione generale di un impianto operante in Azienda Agricola (Source www.thoeni.at) Treviso, 21 ottobre 2011 15
Costruzione di impianti ex-novo Courtesy of C. Banks Treviso, 21 ottobre 2011 16
Oppure il digestore anaerobico può essere ottenuto mediante revamping di vasche esistenti (ex stoccaggi) Schema di copertura di vasca di stoccaggio riscaldata Treviso, 21 ottobre 2011 17
Copertura delle vasche e captazione del biogas Treviso, 21 ottobre 2011 18
Sistemi di riscaldamento e miscelazione Treviso, 21 ottobre 2011 19
Miscelazione e riscaldamento in reattori circolari Treviso, 21 ottobre 2011 20
Miscelazione Treviso, 21 ottobre 2011 21
Alimentazione del reattore: tramoggia di carico per substrati palabili (insilato, residui agro-industria.) Courtesy of C. Banks Treviso, 21 ottobre 2011 22
Tramogge di carico Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre 2011 23
Substrati liquidi Treviso, 21 ottobre 2011 24
Separazione solido/liquido del digestato Treviso, 21 ottobre 2011 25
Controllo della presenza di acido solfidrico nel biogas - In fase gas, mediante dosaggio di aria per reazione tra H 2 S ed O 2 fino a S 8 - In fase liquida mediante aggiunta di sali di Fe 2+ Treviso, 21 ottobre 2011 26
Produzione di energia elettrica e calore 1 m 3 biogas (60% metano) 6 kw 2 kw e.e. 3 kw e.t. 1 kw perdite Treviso, 21 ottobre 2011 27
Bilanci di materia Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre 2011 28
Bilanci di energia Courtesy of R.Waltenberger Treviso, 21 ottobre 2011 29
Parametri operativi per impianti aziendali Temperatura 37-42 C Carico Organico Tempo di ritenzione < 3 kgvs/m 3 al giorno > 45 giorni Si possono incrementare le rese del sistema operando sui parametri operativi e/o sul mix in alimentazione Treviso, 21 ottobre 2011 30
La corretta progettazione nasce dalla buona conoscenza e dall equilibrio tra tre componenti fondamentali Progettazione Alimentazione Treviso, 21 ottobre 2011 31
Oggi si parte da uno di questi elementi (vincolo) e a ritroso si determinano gli altri.. Progettazione Alimentazione Treviso, 21 ottobre 2011 32
Problema che nasce da una tariffa pari a 0,28 per kwh fino a 1 MW ee installato Diverso sarebbe con 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 Treviso, 21 ottobre 2011 33
Analizziamo nel dettaglio le tre componenti: alimentazione, energia, digestato 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. Treviso, 21 ottobre 2011 34
Il patrimonio zootecnico regionale è notevole (dati ARPAV 2007) 950,000 capi 53 milioni di capi 800,000 capi 5 milioni di abitanti Treviso, 21 ottobre 2011 35
La produzione di biogas da effluenti di allevamento è contenuta Biogas per capo 1 mucca (500 kg) = 0,5 m 3 di biogas/d 1 maiale (90 kg) = 0,10 m 3 di biogas/d 1 gallina (2 kg) = 0,01 m 3 di biogas/d 1 cavallo (300 kg) = 0,09 m 3 di biogas/d 1 pecora (50 kg) = 0,07 m 3 di biogas/d Treviso, 21 ottobre 2011 36
Mais Colture dedicate (energy crops) Rese fino a 40-50 ton/ha per anno Costi di 20-30 per ton Richiedono terreno, acqua, fertilizzanti, lavoro. Triticale Treviso, 21 ottobre 2011 37
Attenzione!!! La visione della Comunità Europea (ref. David Baxter, leader di IEA Bioenergy) sull uso di energy crops sta cambiando. Nella nuova 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.. Treviso, 21 ottobre 2011 38
Treviso, 21 ottobre 2011 39
Scarti agro-industriali Mais dolce Fagiolini Piselli Pomodoro Treviso, 21 ottobre 2011 40
Insalata Patate Cipolle Marco-frutta Treviso, 21 ottobre 2011 41
Stagionali ma in grado di corpire quasi tutto l anno (ma spesso necessitano modifiche di impianto!) Tomatoes Peas, beans, maize Apples, pears Apricots,peaches Fruit marc Vinasses Livestock effluents Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Occorre chiarezza (e semplicità) negli iter autorizzativi Treviso, 21 ottobre 2011 42
Presentano caratteristiche e potenziale in biogas simili a quelli degli energy crops Parameters Total Total volatile TVS/TS COD N P solids (TS) solids (TVS) Substrates g/kg g/kg % g/kg dm mg/kg dm mg/kg dm Dairy manure (solid) 260-350 250-315 78-84 880-930 34-49 6.0-7.8 Dairy manure (liquid) 89-97 69-76 76-89 910-1020 31-41 7.6-8.1 Piggery 60-90 47-76 66-83 860-965 18-42 4.2-8.5 Poultry (litter) 467-688 397-530 72-87 751-1000 27-47 11.8-20.1 Duck (liquid) 124-190 105-155 81-88 802-871 27-39 10.7-11.6 Rabbit manure 192-255 154-213 80-84 803-970 19-21 8.0-10.7 Maize silage 272-453 262-440 89-96 545-1170 11-17 2.2-3.1 Triticale silage 190-315 167-282 87-95 990-1160 13-19 1.1-4.8 Fruit marc 220-255 210-230 96-98 1120-1250 25-35 1.2-3-2 Potatoes 157-192 167-180 92-94 980-1050 20-26 2.2-3-9 Onions 103-130 96-104 91-94 880-996 20-34 3.0-3.3 Vegetables (e.g., lettuce) 40-80 31-70 80-91 765-1050 21-36 6.4-7.7 ADSW&EC, Vienna 2011 43
Presentano caratteristiche e potenziale in biogas simili a quelli degli energy crops Parameters Total Total volatile TVS/TS COD N P solids (TS) solids (TVS) Substrates g/kg g/kg % g/kg dm mg/kg dm mg/kg dm Dairy manure (solid) 260-350 250-315 78-84 880-930 34-49 6.0-7.8 Dairy manure (liquid) 89-97 69-76 76-89 910-1020 31-41 7.6-8.1 Piggery 60-90 47-76 66-83 860-965 18-42 4.2-8.5 Poultry (litter) 467-688 397-530 72-87 751-1000 27-47 11.8-20.1 Duck (liquid) 124-190 105-155 81-88 802-871 27-39 10.7-11.6 Rabbit manure 192-255 154-213 80-84 803-970 19-21 8.0-10.7 Maize silage 272-453 262-440 89-96 545-1170 11-17 2.2-3.1 Triticale silage 190-315 167-282 87-95 990-1160 13-19 1.1-4.8 Fruit marc 220-255 210-230 96-98 1120-1250 25-35 1.2-3-2 Potatoes 157-192 167-180 92-94 980-1050 20-26 2.2-3-9 Onions 103-130 96-104 91-94 880-996 20-34 3.0-3.3 Vegetables (e.g., lettuce) 40-80 31-70 80-91 765-1050 21-36 6.4-7.7 ADSW&EC, Vienna 2011 44
Biogas potenziale 0,6 BMP P, m 3 CH4/kgVS 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ADSW&EC, Vienna 2011 45
Biogas potenziale 0,6 BMP P, m 3 CH4/kgVS 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ADSW&EC, Vienna 2011 46
Corretto mix per massimizzare le rese senza eccedere. (credits: prof Juan Lema) Treviso, 21 ottobre 2011 47
. E controllare il processo!!! (credits: prof Juan Lema) Treviso, 21 ottobre 2011 48
Energia circa il 50% della sostanza organica è convertito a biogas questo ha un contenuto in metano del 50-55% circa Il contenuto energetico è di circa 20 MJ per m3 o 6 kw Treviso, 21 ottobre 2011 49
Treviso, 21 ottobre 2011 50
Uso in co-generazione Una unità di co-generazione da 1 MW ee (22MWh al giorno) necessita di circa 10,000 m 3 di biogas al giorno. Con tariffa omnicomprensiva genera un ritorno di 6,000 al giorno (ca. 2 milioni di all anno) Treviso, 21 ottobre 2011 51
Digestato Treviso, 21 ottobre 2011 52 52