Il Biogas: nuovi approcci tecnico-scientifici

per lo studio delle biomasse e del

IL BIOGAS, LE MATRICI ORGANICHE

E LA GESTIONE DEL DIGESTATOParco Tecnologico PadanoVenerdì 15 Gennaio, 2010

processo biologico.

F. Adani, A. Schievano, G. D’ImporzanoGruppo RICICLA - Di.Pro.Ve.

fabrizio.adani@unimi.itwebsite: http://users.unimi.it/ricicla/Università degli Studi di Milano, Via Celoria 2, 20133 Milano

La digestione anaerobica si distingue tra le filiere agroenergetiche per la versatilità e per l’efficienza.

Tecnologia adatta a “spremere” il contenuto energetico“spremere” il contenuto energeticodi materiale organico anche residuale (es. reflui zootecnici, rifiuti organici)

prima della conclusione del ciclo del carbonio

NOI

Efficienza :Filiere energetiche a confronto

ProduzionetonTS ha

-1Resa energetica

Mjoule ha-1

Resa energetica TEP ha

-1Resa

elettrica Kwh ha

-1

Pioppo (Legna combustibile)

20 250 800 5.97 12 640

Girasole2 78 584 1.87 7 701

Girasole(produzione olio)

2 78 584 1.87 7 701

Mais(Etanolo)

3 810 510 1.94 8 216

Mais(Biogas)

21 237 047 5.64 23 231

Il nostro approccioGruppo di lavoro eterogeneo:

agronomi, biologi, ingegneri, scienze ambientali.chimica del suolo, agronomia, biologia, scienze ambientali, ingegneria ambientale

gestione dei rifiuti, compostaggio, digestione anaerobica, chimica del suolo, chimica ambientale, bioremediation,

Ricerca applicata:

Aziende

chimica del suolo, chimica ambientale, bioremediation, biorefinering……ed altro

Università

Trasferimento know-how consulenza

Esigenze del mercato Collaborazioni

Mondo ScientificoAmm.pubblica

Ricerca

Sviluppo

Feed-back

Il nostro approccioRicerca applicata alla digestione anaerobica

Impianti aziende agricole

Impianti smaltimento FORSU

Impianti di Biogas Esigenze

Soluzioni nel mercato attuale

Sviluppo Know-how

Qualità miscele di ingestato

Monitoraggio processo

Consulenza Ricerca applicata Risposte contingenti

Risposte a lungo termine

Performance di processo

Processo biologico

Massimizzazione delle produzioni di biogas

nell’impianto

Attività

Scelta del substrato organico ottimale

di processobiologico Attività Imprenditoriale

1. Scelta del substrato organico ottimale

� 1. Produzione potenziale di biogas;

� 2. Costo delle matrici organiche;

� 3. Disponibilità.

Acque di processo di impianti di depurazione

Matrici organiche disponibili

F.O.R.S.U.

Quale ingestato?

Verde

Fanghi di depurazione

COLTURE

SOTTOPRODOTTI

€€

Acque di processo di impianti di depurazione

Deiezioni animali e scarti industria allevamento

Scarti lavorazione olii

Scarti agricoli e colture energetiche

Scarti industria alimentare

Carta

Sottoprodotti organiciRIFIUTI

Quale ingestato e quale digestato ?....

Quanto costa la matrice ????......scelta imprenditoriale

Quanto biogas produce la matrice?Quale è il rendimento di processo?

........metodi per la sua stima

Anaerobic biogasification potential test

ABP (L biogas kgTS-1)Incubazione a 37°°°°C in inoculo in fase metanigena

60 giorni

Test biologico: Gruppo Ricicla

ABP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100days

ml b

ioga

s*g

TS

-1

Biomasse a confrontoABP (Potenziale di Biogas)

600

800

1000

1200

bio

gas *

kg

-1 T

S)

Colture energetiche

0

200

400

AB

P (

NL

bio

gas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Sottoprodotti industria agro-alimentare

Deiezioni animali

FORSU e scarti organici

……CMP = costo del metano producibile: €/m3……….

Costo biomassa Biogas potenziale

producibile: €/m3……….

CEP = ……CEP = costo dell’energia elettrica producibile: €/kWhEE……….

1 m3 CH4 = 3 kWh EE

0.28 €/kWhEE

…….EE/ton x 0.28 €/kWhEE

2. Processo biologico

� Parametri di processo.

Parameters valueParameter Ranges Measure unity

Methane percentage in biogas >50 %

pH 7-8

VFA concentration <6000 mg acetic acid/l

Ammonia concentration <3000 mg/l

Rate VFA/Total alkalinity <0.4

C/N ratio 10-30 C/N ratio 10-30

NaCl concentration <500 mM

Sulphur concentration <22 mg/l

Possible problems

Percentuale di metano nel biogas

pH 1. Sovraccarico del sistema

pH Ammonia> 3000

2. Accumulo di ammoniaca

Ammonia<3000 3. salinità

Identificazione di problemi di processo

pH AGV/ alkalinità> 0.3

pH AGV/ alkalinità < 0.3

4. Presenza di inibitori (antibiotici, fitofarmaci,acidi organici, metalli pesanti…)

1. Sovraccarico del sistema

Possible solution

2. Accumulo di ammoniaca

3. salinità

1. Sovraccarico del sistema

Interruzione alimentazione

Diluizione della concentrazione di AGV (Ricircolo di digestato )

Aggiunta di agenti alcalinizzanti (NaCO3)

Interruzione del ricircolo di digestato Diluizione della concentrazione di ammoniaca � Diluizione con acqua

Identificazione di problemi di processo

3. salinità

4. Presenza di inibitori (antibiotici, fitofarmaci,acidi organici, metalli pesanti…)

� Diluizione con acqua� Aumento dell’alimentazione( se le condizioni lo permettono)

Controllo dei materiali in ingresso

Resa di processo = quanto biogas potenzialmente producibile è prodotto

nell’impianto ????

3. Performance di processo

Resa biogas =

[(BMP in x SS in) – (BMPout x SSout )] / BMP in

Resa biogas =

[(BMP in x SS in) – (BMPout x SSout )] / BMP in

OK

Metodo Ricicla -DiProVe

?????????

IMPIANTI IN SCALA REALEIMPIANTI IN SCALA REALE

• Impianto AA1.2 MWColture + scarti

agroindustriali + liquame suino

• Impianto BB1 MWFORSU

• Impianto CC• Impianto CC1 MW

Liquame suino e bovino + colture + siero di latte

4 mesi di osservazione

BILANCIO DI MASSA (BILANCIO DI MASSA ( full scalefull scale))

Prod En. Elettrica Impianto A Impianto B Impianto C

GWh el/anno 8.5 6.3 6.2

Metodo I: Perdita biogas

Moli di metano

Peso Perso Impianto A Impianto B Impianto C

ton / anno 5156 4284 4211

Moli di metano

Moli di biogas + Acque condensa

Metodo II:Conservazione Ceneri

ceneri

VS

ceneri

biogas

VS

H2O

H2O

Impianto A Impianto B Impianto CTS

(g kg-1)IN

OUT184.1 ± 11.557.7 ± 4.9

120.9 ± 16.837.0 ± 5.2

129.6 ± 12.352.5 ± 19.0

VS(g kg-1 TS)

INOUT

912.5 ± 13.3697.7 ± 24.7

877.8 ± 36.7660.8 ± 49.4

890.3 ± 10.3722.5 ± 27.5

Peso Perso Impianto A Impianto B Impianto C

ton / anno 5156 4284 4211

ceneri ceneri

Metodo I – Misura dell'energia prodotta in impianto

Impianto A Impianto B Impianto C

Perdita Peso 13.4% 9.5% 9.3%

BILANCIO DI MASSA (BILANCIO DI MASSA ( full scalefull scale))

Metodo II – Ipotesi di conservazione delle ceneri

Impianto A Impianto B Impianto C

Perdita Peso 13.6% 8.9% 8.9%

!!CONGRUENZA!!

BILANCIO DI MASSA (Metodo III)BILANCIO DI MASSA (Metodo III)

39 Campioni• colture energetiche

98,8%

99,0%

99,2%

99,4%

99,6%

99,8%

100,0%

varia

zion

e pe

so (

%)

12345678910111213141516171819

• liquami suini

• glicerine

• ingestati e digestati

97,6%

97,8%

98,0%

98,2%

98,4%

98,6%

98,8%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

giorni

varia

zion

e pe

so (

%)

18192021222324252627282930313233343536373839

Biogas prodotto

Peso

Regressione lineareRegressione lineare

y = 0.0012x + 0.0301

R 2 = 0.9498

80%

100%

120%

TS

ing

esta

to)

biogas prodotto Nl kg-1TS

perdita di peso kg kg-1TS

0%

20%

40%

60%

0 200 400 600 800 1000

Biogas prodotto (Nl kg-1TS ingestato)

Per

dita

pes

o (

kg k

g-1

TS

ing

esta

to)

25°°°°C, 1 atm

Confronto tra i 3 metodiConfronto tra i 3 metodi

Metodo I – Misura dell'energia prodotta in impianto

Metodo II – Ipotesi di conservazione delle ceneri

Impianto A Impianto B Impianto C

Perdita Peso 13.4% 9.5% 9.3%

Metodo III – Modello lineare ottenuto in laboratorio

Impianto A Impianto B Impianto C

Perdita 14.9% 10.8% 10.6%

Impianto A Impianto B Impianto C

Perdita Peso 13.6% 8.9% 8.9%

Per informazioni, contatti e collaborazioni::

fabrizio.adani@unimi.itRICICLA GROUP WEB SITEhttp://users.unimi.it/ricicla