Thematic MeetingOpportunità di innovazione nel

campo dell’efficienza energetica

Sistemi di controllo degli Sistemi di controllo degli impianti di digestione impianti di digestione

anaerobica, peranaerobica, perottimizzarne leottimizzarne le

rese energeticherese energetiche

VERONA, BIOENERGY EXPO5 FEBBRAIO 2010

Soluzioni per il monitoraggio automatico Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori dei parametri funzionali dei digestori anaerobici individuate dal Progetto anaerobici individuate dal Progetto

EUAGROBIOGASEUAGROBIOGAS

Paolo Balsari, Fabrizio Gioelli, Phil HobbsPaolo Balsari, Fabrizio Gioelli, Phil HobbsDEIAFA – Università di TorinoDEIAFA – Università di TorinoIGER – North Wyke ResearchIGER – North Wyke Research

Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

Iniziativa Europea per incrementare la produzione degli Iniziativa Europea per incrementare la produzione degli impianti di biogas di tipo „agricolo“impianti di biogas di tipo „agricolo“

Progetto finanziato nell’ambito del VI Programma Quadro – Priorità 6Sistemi Energetici Sostenibili

Inizio Progetto: 15 Gennaio 2007Fine Progetto: 15 Gennaio 2010

Coordinatore:Coordinatore: Prof.Prof. Thomas Amon Thomas Amon University of Natural Resources and Applied Life Sciences, ViennaUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna

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Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

EU-AGRO-BIOGAS

BOKUKoordinator

A RNW

EC BREC

UNIT

VUZTCZ

KTBLD

Vogelsang

ATBD

GEJJenbacher

AHUDK

RTDServices

A

ASG & PRI

14 Enti 8 Nazioni100 Ricercatori

DEIAFADEIAFASez. MeccanicaSez. MeccanicaFacoltà AgrariaFacoltà Agraria

vTi

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Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

Obbiettivi Obbiettivi GeneraliGenerali del Progetto EU AGRO BIOGAS del Progetto EU AGRO BIOGAS

Sviluppo e ottimizzazione dell’intero sistema di produzione del biogas: produzione delle biomasse, produzione e trattamento del biogas, utilizzazione dell’energia elettrica e termica

Diffusione e dimostrazione delle soluzioni tecniche migliorative individuate nell’ambito del Progetto

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1 Ottenere un uso efficiente delle biomasse

Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS

Definire le caratteristiche fisico-chimiche e le

potenzialità produttive delle biomasse

Valutare in termini energetici ed economici le diverse

biomasse

Ottimizzare l’impiego delle biomasse anche attraverso il

loro pre-trattamento

Database On-line

Modelli previsionali produttivi

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

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Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

2 Valutare la funzionalità, i problemi gestionali, la sostenibilità ambientale ed economica degli impianti di biogas

attualmente in funzione in Europa

13 IMPIANTI MONITORATI A PARTIRE DA GENNAIO 2008

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Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

3 Incremento della produzione di biogas, della sua conversione e utilizzazione

Pre-trattamenti biomasse ligno-

cellulosicheFISICI – TERMICI -

CHIMICI

Implementazione del sistema di

alimentazione e miscelazione

Sviluppo di un sistema di allarme precoce del non funzionamento dell’impianto di

D.A.

Incremento dell’efficienza del

processo di trasformazione del biogas in energia

termica ed elettrica

EARLY WARNING SYSTEM

- IGER (UK) -

QUICK MIX- VOGELSANG -

- JENBACHER -

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4 Incremento dell’utilizzazione dell’energia termica prodotta dal co-generatore attraverso una sua gestione

ottimizzata

Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

• Collegamento con sistemi di teleriscaldamento (quando esistenti)• Utilizzo dell’energia termica a livello aziendale• Essiccazione cereali – cippato e trattamenti termici biomasse• Miglioramento della gestione dell’energia termica prodotta

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Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS

Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas

5 Dimostrazione dei vantaggi economici e ambientali delle soluzioni messe a punto dal Progetto

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L’Early warning systemL’Early warning system

Sviluppo di un sistema di allerta precoce sul non corretto funzionamento del processo di D.A.

Dr. Phil HobbsIGER - North Wyke Research, Okehampton

Devon, EX20 2SB - UKphil.hobbs@bbsrc.ac.uk

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Il monitoraggio della digestione anaerobicaIl monitoraggio della digestione anaerobica processo difficoltoso e complesso, ma necessario processo difficoltoso e complesso, ma necessario

• L’instabilità del processo spesso è legata all’inibizione dei batteri metanigeni dovuta ad un eccesso di acidi grassi

• Pochi sensori affidabili per il monitoraggio on-line di parametri funzionali importanti

• La misura dei parametri può essere realizzata:

Fase liquida: Fase gassosa:

• produzione biogas• contenuto in CH4

• acidi grassi volatili, • pH• Alcalinità• COD• H dissolto

L’Early warning systemL’Early warning system

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L’Early warning systemL’Early warning system

Obbiettivi della realizzazione dell’Early Warning SystemObbiettivi della realizzazione dell’Early Warning System

Poter disporre di uno strumento in grado di:

• rilevare anticipatamente eventuali variazioni di parametri che fungono da indicatori del corretto andamento della digestione anaerobica

• calibrare automaticamente il carico organico del digestore in funzione della variazione di tali parametri, del tipo di alimentazione dell’impianto e di eventuali pretrattamenti delle biomasse

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L’Early warning systemL’Early warning system

Fasi operative dello sviluppo dell’Early Warning SystemFasi operative dello sviluppo dell’Early Warning System

• Definizione dei principali parametri in grado di controllare l’andamento del processo di DA (attraverso il benchmarking degli impianti selezionati per il progetto e l’analisi dello stato dell’arte sulle tecnologie di monitoraggio disponibili)

• Verifica di sistemi per la misura dei parametri di controllo individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto

• Sviluppo del sistema di controllo

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L’Early Warning SystemL’Early Warning System

Tipologia di sensoreTipologia di sensore % di impianti impianti% di impianti impianti

Sensori di pHSensori di pH 100100

Sensori di potenziale redoxSensori di potenziale redox 1414

Sensori di conducibilitàSensori di conducibilità 1414

Sensori di CODSensori di COD 2929

Sensori di torbiditàSensori di torbidità 00

Sensori per acidi grassi Sensori per acidi grassi volatilivolatili

4343

Sensori per solidi volatiliSensori per solidi volatili 5757

Sensori di alcalinitàSensori di alcalinità 00

Sensori di temperaturaSensori di temperatura 100100

Sensori di volume Sensori di volume 7171

Tipologie di sensore impiegate presso gli impianti

Definizione dei principali parametri di controllo dell’andamento del Definizione dei principali parametri di controllo dell’andamento del processo di DA processo di DA (risultati del periodo di benchmarking)(risultati del periodo di benchmarking)

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Parametri ritenuti necessari per il controllo dell’andamento del Parametri ritenuti necessari per il controllo dell’andamento del processo di DAprocesso di DA

• Composizione del biogas: (%CH4, CO2..)

• Potenziale redox• pH : parametro fondamentale per la definizione del corretto andamento della digestione anaerobica MA quando si verifica una variazione, il processo è già compromesso!• Alcalinità: definisce il potere tampone della biomassa la sua variazione consente

di conoscere anticipatamente eventuali instabilità del processo parametro più affidabile del pH

• Acidi grassi volatili: riconosciuti come importanti prodotti intermedi della digestione anaerobica il loro accumulo è indice di instabilità di processo

L’Early warning systemL’Early warning system

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Strumenti di monitoraggio utilizzabiliStrumenti di monitoraggio utilizzabili

L’Early warning systemL’Early warning system

(pH, redox, conducibilità)

Analizzatore TOC

Spettrometro UV

Spettr. FTIR-IR

Sensori online per acidi grassi

volatili

Gascromat. spazio di testa

Alcalinità parziale

X

Alcalinità totale

X

Bicarbonato X X

CO2 dissolta X X

Carbonio organico totale

(TOC)

X X X

COD solubile X X

Acidi grassi volatili totali

X X X X

Acetato

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L’Early Warning SystemL’Early Warning System

Misura dell’alcalinità: indiretta tramite lo sviluppo di algoritmidiretta tramite NIRS

Misura diretta del contenuto in acidi grassi volatili:

tramite NIRStramite naso elettronico

Modalità di misura messe a punto e monitorate nell’ambito del progetto

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L’Early warning systemL’Early warning system

L’impianto pilota• 2 digestori

• Fasi di idrolisi e metanogenesi separate

• Miscelazione discontinua;

• Sensori di: temperatura, pH, pot. Redox, conducibilità

• NIRS: misura di acidi grassi volatili, alcalinità

Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto

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L’Early warning systemL’Early warning system

Software di gestione Labview

• Controllo e automatizzazione delle operazioni di pompaggio e

miscelazione;

• Acquisizione dei valori di pH, potenziale redox e conducibilità;

stima del valore di alcalinità sulla base dei dati acquisiti e di algoritmi

Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto

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Il sistema Early WarningIl sistema Early Warning

Misura indiretta dell’alcalinità tramite algoritmiMisura indiretta dell’alcalinità tramite algoritmi

Il valore di alcalinità viene desunto da altri parametri misurabili tramite sensori spesso installati presso gli impianti di digestione anaerobica. Gli

algoritmi dipendono dal tipo di alimentazione impiegata

Alcalinità = -8906+(81678 x pH)+(1.998 x redox)+(384.2 x EC)Alcalinità = -8906+(81678 x pH)+(1.998 x redox)+(384.2 x EC)

(EC: conducibilità)(EC: conducibilità)

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L’Early Warning SystemL’Early Warning System

Confronto tra i valori di alcalinità misurati tramite NIRS e titolazione

R2=0.87

mg/

l

mg/l

Misura diretta dell’alcalinità tramite NIRSMisura diretta dell’alcalinità tramite NIRS::

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L’Early Warning SystemL’Early Warning Systemm

M

Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite NIRSMisura diretta degli acidi grassi volatili tramite NIRS::Confronto tra acidi grassi volatili misurati tramite NIRS e analisi di laboratorio

R2=0.66

mM

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L’Early Warning SystemL’Early Warning System

Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite naso elettronicoMisura diretta degli acidi grassi volatili tramite naso elettronico::

Acido propionico

Naso elettronico (g/l)

Gas

crom

atog

rafo

(g/l)

Acido acetico

Naso elettronico (g/l)

Gas

crom

atog

rafo

(g/l)

R2=0.96R2=0.86

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L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemControllo del processo tramite il parametro alcalinità e

acidi grassi

Valori di alcalinità di all’interno del range di

riferimento

Valori di alcalinità superiori a quelli del range di riferimento

Valori di alcalinità inferiori a quelli del range di riferimento

Sistema di controllo

(Lab view)

Aumento del carico organico

Mantenimento del carico organico

Riduzione del carico organico

Sonde pH, redox, EC

Algoritmo previsionedell’alcalinità

Misura direttadell’alcalinità

(NIRS)

attu

ator

i

Mis

ura

dire

ttaA

cidi

gra

ssi

(NIR

S)

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L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemUtilizzo dell’early warning system per il controllo del processo di

digestione anaerobica – un caso studioAlimentazione

manualeAlimentazione con

early warning

Acido acetico Produzione media biogas (l/h)

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L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemCONCLUSIONI

-Il sistema Early warning ha dimostrato di poter essere impiegato utilizzando i sensori normalmente impiegati presso gli impianti di digestione anaerobica per la misura di pH, potenziale redox e conducibilità, ricavando da questi ultimi attraverso opportuni algoritmi il valore di alcalinità

- Il sistema NIRS è in grado di fornire letture affidabili di importanti parametri quali l’alcalinità e il contenuto in acidi grassi volatili. Quest’ultimo, tuttavia, deve essere calibrato a seconda del tipo di alimentazione del digestore

- E’ possibile misurare il contenuto in acido acetico e propionico del biogas tramite naso elettronico, ma il sistema deve essere ulteriormente studiato e calibrato

Thematic MeetingOpportunità di innovazione nel

campo dell’efficienza energetica

Sistemi di controllo degli Sistemi di controllo degli impianti di digestione impianti di digestione

anaerobica, peranaerobica, perottimizzarne leottimizzarne le

rese energeticherese energetiche

VERONA, BIOENERGY EXPO5 FEBBRAIO 2010

Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori anaerobici

individuate dal Progetto EUAGROBIOGAS

Per informazioni: dr. Phil Hobbsphil.hobbs@bbsrc.ac.uk

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!GRAZIE PER L’ATTENZIONE!