Biogas da effluenti: parametri progettuali e

gestionaliReggio Emilia – 15 Dicembre 2011Claudio Fabbri, Sergio Piccinini

Centro Ricerche Produzioni Animali

Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile

La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.

Composizione delle matrici per biogas

Tal q

uale

(tq)

Acqua(10-98% tq)

Ceneri(2-50% ST)

Solidi volatili (50-98% ST)

Solidi totali(2-90% tq)

+ Indegradabile(10-70% SV)

Degradabile(30-90% SV)

Solidi totali (ST) = sostanza seccaSolidi volatili (SV) = sostanza organicaCeneri = ST- SV

Si misurano come: g/kg o %p/p

Cosa succede agli SV in DA?

Ceneri 25 kg

SVtot

75 kg

SV/ST iniziale75%

SV/ST iniziale75%

Solid

i tot

ali i

nizi

ali

100

kg

SVind

SV Degradabile(50% SV)

Ceneri 25 kg

Biogas37,5 kg

SVind37,5 kgCeneri 25 kg

SV/ST finale60%

SV/ST finale60%

Efficienza DA50%

Efficienza DA50%

Valori tipici per effluenti zootecnici

Ingestato DigestatoDigestore

Rapporto SV/ST iniziale e finale

Principale parametro per valutare l'efficienza di digestione!L'efficienza di digestione dipende dalla riduzione del rapporto

SV/ST con funzione più che proporzionale

SV/STi=80%

SV/STi=70%

Procedura di quantificazione effluenti e Solidi Volatili

Perdite SVr nel ricovero

Dipendono da tecniche di rimozione

LiquameQliq e STliq

Mungitura

Acque di processo:- lavaggio sala attesa- lavaggio impianti

LetameQlet e STlet

Acque meteoriche

QuantificazioneSV escreti = f(pv)Paddock

Paglia (Qp)

Pluviometria

SVAD= Qliq*STliq*SV/STliq + Qlet*STlet*SV/STlet-SVr

ADSVliq SVlet

LetameLiquame

Pascolo?

Disponibilità di biomassa in allevamento

La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da:

- - stadio di accrescimentostadio di accrescimento

- coefficiente di trasformazione dell’alimento- coefficiente di trasformazione dell’alimento

- soluzione stabulativa- soluzione stabulativa

- controllo idrico e raccolta acque meteoriche- controllo idrico e raccolta acque meteoriche

Effluenti bovini: stabulazioni

LiberaFissa

Effluenti suini: stabulazioni

Sostanza secca escreta: bovini da latte

7,2

7,4

7,6

7,8

8

8,2

8,4

8,6

8,8

20 22 24 26 28 30 32 34

Produzione latte [kg/giorno]

Escr

ezio

ne d

i sos

tanz

a se

cca

[kg/

gior

no]

Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte

Sostanza secca escreta: bovini da latteesempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi

Categoriaanimale Capi

Sostanza seccaescreta

PagliaSostanza

secca disponibile

[n°] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg]

Vacche in lattazione 85 8,0 683 1,5 115 798

Vacche in asciutta 15 4,5 68 1,5 20 88

Manze 15 1,9 29 4,5 61 90

Manzette 21 1,8 38 2,0 38 75

Vitelli 13 0,8 11 1,5 18 28

Totale 828 251 1079

23%

Sostanza secca escreta: suini ingrasso

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Peso vivo [kg]

Escr

ezio

ne (k

g/tp

v/a) Peso medio:

100 kg

Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche

(1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA).   

(2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'Allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

Caratteristiche indicative (1) Liquami LetamiMedio Intervallo Medio Intervallo

Sostanza secca - ST(%) 8,2 5,7-10,7 22 16-28Sostanza organica – SV (%) 73 64-82 82 70-85

Azoto totale – NTK (%) 4,7 2,8-6,6 2,8 1,8-3,8

Produzione effluenti (t/tpv/anno) (2)

Con lettiera 10 4-15 24 22-26Con cuccette 25 13-33 9 0-22

Resa in biogasBiogas (di cui 54-56% CH4) 300-350 350-400

Effluenti suini: caratteristiche chimiche

LIQUAMI SUINI CARATTERISTICHE INDICATIVE (1) Valore medio Intervallo

Sostanza secca - ST (%) 4,4 2,8 - 6,0 Sostanza organica - SV (%) 70 63 - 77 Azoto totale - NTK (% ST) 8,0 6,3 - 9,7

CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE (2) Quantità Soluzione stabulativa

A. (m3/anno * t p.v.) 37 - 44 Pavimento totalmente o parzialmente fessurato

B. (m3/anno * t p.v.) 55 - 73 Rimozione con acqua

(pavimento pieno, gabbie, ecc.)

PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) 0,45 - 0,55 (di cui il 60-65% metano)

(1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA).

   

(2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'Allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

Perdite di sostanza organica in allevamento

Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente)nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti

Sistema di rimozione: - Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%);- Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%)- Raschiatore: massima efficienza (5-10%)

Alcuni esempi di BMP da effluenti

Liquame bovino: 293 m3 biogas/tSV (CH4 55%)Liquame bovino: 293 m3 biogas/tSV (CH4 55%)

Alcuni esempi di BMP da effluenti

Letame bovino: 540 m3 biogas/tSV (CH4 57%)Letame bovino: 540 m3 biogas/tSV (CH4 57%)

Alcuni esempi di BMP da effluenti

Flottato suino: 394 m3 biogas/tSV (CH4 70,6%)Flottato suino: 394 m3 biogas/tSV (CH4 70,6%)

Freschezza del liquame suinicolo

Reattore Resa in biogas[Nm3/t SV]

Percentuale CH4

nel biogas[%]

Resa in metano [Nm3/t SV]

Liquame da tracimazione 392 68,5 269Liquame da vacuum system 557 67,2 375

Un buon insilato di cereali produce 350 Nm3 CH4/tSV !Un buon insilato di cereali produce 350 Nm3 CH4/tSV !

Qualità della sostanza organica:

Rapporto SV/ST e biodegradabilità media

Fonte: Malpei F.- 2009

65-75%

90%

80-85%

75-80%

Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo

Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti

Indici di analisi produttiva

Carico organico volumetrico (kgSV

/m3/gg): quantità di sostanza organica caricata

giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno

Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all’interno del digestore

Rendimento elettrico CHP (%): permette di definire la potenza elettrica installabile

Produzione volumetrica (m3CH4/m3digestore

/giorno): produzione giornaliera

di metano per unità di volume utile di digestore per giorno

Produzione biometano (Nm3/kgSV): produzione specifica di metano in riferimentoalla sostanza organica caricata

Carico organico volumetrico (COV)

[kg SV/m [kg SV/m33/d]/d]

COV=Q⋅ST⋅SV

V

Q=carico giornaliero (t/d)Corg = carico organico (kg/d)ST = solidi totali (% tq)SV = percentuale di SV (%ST)V = volume digestore (m3)

[ ]33digestoredigestore

SVorg

digestore

SV

mVdkgC

dmkgCOV

=

×

Oppure:

Se è troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei metanigeniSe è troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogas.

Se è troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei metanigeniSe è troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogas.

Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

[giorni] [giorni]

All'aumentare della quantità di prodotto caricata diminuisce il tempo di ritenzione idraulica

HRT troppo bassi comportano una degradazione incompleta: efficienza di conversione bassa

HRT troppo alti: degradazione completa ma impianto è sovradimensionato

All'aumentare della quantità di prodotto caricata diminuisce il tempo di ritenzione idraulica

HRT troppo bassi comportano una degradazione incompleta: efficienza di conversione bassa

HRT troppo alti: degradazione completa ma impianto è sovradimensionato

[ ] [ ]

=

dm

Q

mVdHRT 3

digestore al alimentatidigestore

3digestoredigestore

2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 40 giorni: effluenti zootecnici> 50 giorni: matrici ligno-celluosiche

2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 40 giorni: effluenti zootecnici> 50 giorni: matrici ligno-celluosiche

Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT

Q = 40 t/g letameST = 20%SV = 78%STCH4 = 200 m3/tSV

HRT = 50 ggCOV = 3,1 kgSV/m3/gCH4 = 1.250 m3/g

Q1 = 15 t/g letame ST = 20%SV = 78%STCH4 = 200 m3/tSV

Q2 = 25 t/g liquameST = 8%SV = 80%STCH4 = 180 m3/tSV

Q = Q1 + Q2 = 40 t/gHRT = 50 ggCOV = 1,8 kgSV/m3/gCH4 = 724 m3/g

Pe = 100 kWePe = 100 kWePe = 180 kWePe = 180 kWe

V = 2000 m3

Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche)

Ceneri

SVtot

40 kg

H2O946 kg

1000 kg

Da 5°C A 38°C

Servono circa 38 kWht

Per riscaldare 1000 kg

Si producono: 40 kgSV x 0,3 m3CH4 x 9,88 kWh/m3 =118 kWh/t

Con rendimento termico 40% sono disponibili118 kWh x 40% = 47 kWh/t

80% delle risorse energetiche servono per

scaldare il liquame

al carico!

80% delle risorse energetiche servono per

scaldare il liquame

al carico!

Liquami molto diluiti dovrebbero essere addensati o integrati con letami

Liquami molto diluiti dovrebbero essere addensati o integrati con letami

Criticità della progettazione: miscelazione

●Tipologia: occorrono miscelatori ad elevata velocità che limitino la sedimentazione (liquami suini) o la flottazione (liquami/letami bovini), con molta paglia meglio rompicrosta superficiale e/o triturazione al carico

●Orientamento: i mixer devono poter essere orientabili e spostabili sull'asse verticale (la movimentazione dei miscelatori deve essere una operazione periodica e regolare per evitare di mettere in soluzione grandi quantità di SV improvvise)

●Temporizzazione: importante per limitare i consumi

Ispezionare visivamente e giornalmente l'interno del digestore e lo stato della superficie

del digestato!

Esempio: impianto liquami suinicoli (Az. Fontana, PC)

Capi presenti: 11.000 in ingrassoLiquame: 110-140 m3/gDigestori: 2 x 1370 m3

HRT: 21 giorniTemperatura: 35-40 °CCHP: 2 x 90 kW + 125 kWCOV: 1 kgSV/m3/gg

Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli

La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

600

800

1000

1200

1400

1600

1/12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/12

Peso

viv

o m

ediam

ente

pres

ente

[t]

60708090

100110120130140150

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Peso vivo mediamente presente [t]

Poten

za el

ettric

a pro

dotta

[kW

]

Performances produttive

0

20

40

60

80

100

120

140

160

dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08

Pote

nza

elet

trica

med

iapr

odot

ta [k

W]

Potenza elettrica media116 kW

0,105 kW/t pv

Potenza elettrica media116 kW

0,105 kW/t pv

Performances produttive

Numero totale di animali n° 11.000Carico organico da liquame t

SV/mese 85,5

Potenza elettrica effettiva kW 116kW/t

pv presente 0,105

Autoconsumi ausiliari % della produzione 4,3Autoconsumi digestore % della produzione 15,4Contenuto metano % 67Resa specifica Nm3

biogas/kg

SV0,423

Impianto biogas a liquami bovini: az. Pedrotti (RE)

Consistenza zootecnica

• capi in lattazione (700): per il 70% circa dei capi su cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30% restante su cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato;• capi in asciutta (190): lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore;• Manze (310): Cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore• Manzette (300): lettiera integrale

Schema impiantistico

AntonioIvano

F22280 m3

F1 2280 m3

Letame

14,5 t/gg

70 t/gg Trasporto (2 km)

Pompa trituratrice

Ric

ircol

o pe

r dilu

izio

ne

caric

o

CHP330 kW

Dosatore

HRT 30-35 ggCOV 2,3-2,5 kgSV/m3/gg

HRT 30-35 ggCOV 2,3-2,5 kgSV/m3/gg

30,5 t/gg

115 t/gg

Stoccaggio3000 m3

Solido separato

Caratteristiche liquami

Tipologia di effluente ST SV NTK

[g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST]

Liquame con acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6% 4,6

Liquame senza acque lavaggio sala mungitura 80,4 63,4 78,8% 4,3

Letame 163,9 137,3 83,7% 2,9

Disponibilità totale SV: 9,7 kg/capo produttivo/giornoDisponibilità totale SV: 9,7 kg/capo produttivo/giorno

Caratteristiche liquami/digestato

Tipologia di effluente ST SV NTK

[g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST]

Miscela media al carico 97 81,3 83,98 3.236 3,34

Digestato tal quale (n=19) 56,36 40,86 72,23 3.400 5,6

Digestato chiarificato (n=2) 45,9 29,18 63,52 3.419 7,47

Digestato solido separato (n=1) 259 231 89,2 5.111 1,97

Efficienza di digestione: 50,4%Efficienza di digestione: 50,4%

Caratteristiche liquami: variabilità gestionale

Tipologia di effluente ST SV NTK

[g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST]

Liquame con raffrescamento evaporativo

73,1 56,7 77,8 4,3

Liquame senza raffrescamento evaporativo

84,1 66,7 79,2 4,3

A parità di ST, incremento di volume del 15%OVVERO

A parità di HRT 15% in meno di COV

A parità di ST, incremento di volume del 15%OVVERO

A parità di HRT 15% in meno di COV

Performances produttive

Potenza elettrica media272 kW

0,3 kW/capo produttivo

Potenza elettrica media272 kW

0,3 kW/capo produttivo

Produzione biogas/metano380-400 m3/tSV al 54,5% CH4

16,8-19,3 m3 CH4/t effluente

Produzione biogas/metano380-400 m3/tSV al 54,5% CH4

16,8-19,3 m3 CH4/t effluente

Bilancio elettrico

Parametro KWh/giorno% della

produzione lorda

Produzione lorda 6.500 -

Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1%

Autoconsumi digestore 445 6,8%Ausiliari CHP 160 2,5%

Produzione netta 5.560 85,5%Trattamento separazione solido-liquido 122 1,9%

Produzione annua stimata2.030 MWh

Produzione annua stimata2.030 MWh

Fatturato annuo previsto560.000 €

Fatturato annuo previsto560.000 €

14,4%

Conclusioni

La variabilità della disponibilità degli effluenti è un elemento di valutazione fondamentale

Il monitoraggio degli impianti è importante per ricostruire le cause di “failure”

Sottoprodotti ed effluenti garantiscono buone performances a bassi costi ma attenzione alla corretta formulazione delle “diete”

Corrette volumetrie garantiscono buona un buona efficienza

Grazie per l'attenzione

c.fabbri@crpa.its.piccinini@crpa.it