Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e ottimizzazione del … · 2016-03-30 · In questo...

Dott. Agr. Antonio Primante

Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e

ottimizzazione del processo

30/03/2016

30/03/2016

Impianti a biogas: la situazione in Italia

Assistenza tecnica e controllo del processo biologico

Analisi di casi studio

Pollina negli impianti a silomais: presentazione del brevetto

La gestione dell’impiantodi digestione anaerobica

alimentato con sottoprodotti

www.resitalia.org2

30/03/2016 www.resitalia.org3

Impianti a biogas: la situazione in

Italia

30/03/2016

In Italia vi sono circa 1’360 impianti biogas agro-zootecnici, lamaggior parte dei quali in esercizio nel Nord Italia ecaratterizzati da un’alimentazione basata su silomais o altrebiomasse dedicate.

www.resitalia.org4

Fonte dati: Terna

85%

IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA

Censimento degli impianti: numeri e ubicazione

30/03/2016

Fonte dati: Terna

www.resitalia.org5


Censimento degli impianti: potenza installata

30/03/2016

Disponibilità di biomasse residuali in Italia

• Effluenti zootecnici: 129’000’000 t/a

• Scarti agro-industriali: 5’000’000 t/a

• Residui colturali cellulosici: 6’400’000 tST/a• Scarti macellazione: 2’000’000 t/a• Fanghi depurazione: 3’500’000 t/a• FORSU: 10’000’000 t/a• Colture energetiche da set-aside: 400’000 ha

Fonte dati: CRPA

www.resitalia.org6

In Italia, la produzione potenziale stimata di biogas da residuiorganici equivale a circa 8 miliardi m3 CH4 all’anno che èdell’ordine di grandezza della produzione nazionale di gasfossile.



Assistenza Tecnica e Controllo del

Processo Biologico

30/03/20168

.

www.resitalia.org

Malfunzionamento impianti biogas

3 39 13 19 23 25 27 28 31 35 35 54 83 96 151

532

1

10

100

1000

Adop

tion o

f sub

strate

Leak

age o

f gas

Comm

inutio

n of s

ubstr

ate

Heati

ng sy

stem

Mach

ine ho

use o

f cog

enera

..

Bioga

s clea

ning

Othe

rs

Proce

ss an

d con

trol te

chno

...

Volta

ge flu

tuatio

nGa

s stor

age

Electr

ical p

ower

outag

e

Measu

remen

t tec

hniqu

e

Bioga

s proc

ess

Stirri

ng de

vice

Pump

s, pipi

ng

Entry

of so

lid m

atter

Coge

nerat

ion un

it

ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO

30/03/20169

www.resitalia.org

Problematiche alla cogenerazioneASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO

30/03/2016

Biogas ≠ Gasolio ≠ Metano

www.resitalia.org10

I depositi che si formano nella scambiatori di calore abbassano la conducibilità termica ed incrementano la resistenza al flusso dei gas di scarico. La riduzione della conducibilità diminuisce il rendimento termico del motore, l’aumento della contropressione dei gas di scarico riduce la potenza meccanica e conseguentemente quella elettrica del cogeneratore


30/03/2016

Il carico dei materiali solidi rappresenta una grossa problematica a causa della variazione nel contenuto di acqua, fibre, pezzatura ecc.

Malfunzionamento sistemi di carico

Un’altra causa frequente di problemi è determinata dalla presenza di corpi estranei nella biomassa.

www.resitalia.org11


30/03/2016

Sistemi di miscelazione

www.resitalia.org12


30/03/201613

Finalizzato ad individuare gli di interventi necessari a mantenere in efficienza l’impianto ed a ridurre in maniera drastica i tempi di fermata dello stesso. Inoltre ha il compito di adeguare e, se possibile, migliorare costantemente componenti di impianto per perseguire risparmi di carattere energetico ed economico.

La manutenzione può essere articolata in tre distinte attività:

www.resitalia.org

PIANO DI MANUTENZIONE

STRAORDINARIAORDINARIAPROGRAMMATA


30/03/2016

Malfunzionamento impianti biogas

3 39 13 19 23 25 27 28 31 35 35 54 83 96 151

532

1

10

100

1000

Adop

tion o

f sub

strate

Leak

age o

f gas

Comm

inutio

n of s

ubstr

ate

Heati

ng sy

stem

Mach

ine ho

use o

f cog

enera

..

Bioga

s clea

ning

Othe

rs

Proce

ss an

d con

trol te

chno

...

Volta

ge flu

tuatio

nGa

s stor

age

Electr

ical p

ower

outag

e

Measu

remen

t tec

hniqu

e

Bioga

s proc

ess

Stirri

ng de

vice

Pump

s, pipi

ng

Entry

of so

lid m

atter

Coge

nerat

ion un

it

14

.

www.resitalia.org


La ricerca condotta in Germania nel 2008 su un campione di 31 impianti ha dimostrato che il controllo del processo risulta la

quinta causa principale di malfunzionamento

30/03/2016

Ipotizzando una problema al processo biologico che porta ad una riduzione della potenza prodotta del 50 % per 1 mese:

perdita per mancata produzione EE:

999 * 22 * 30 * 0.28 * 50% = 92’307 €

risparmio per minor alimentazione all’impianto:

55 * 30 * 30 * 50% = 24’750 €

15

www.resitalia.org

Problemi nel processo biologicoA differenza dei problemi tecnici, che in genere possono essere risolti abbastanza velocemente, i problemi di processo possono causare perdite di produzione di notevole entità e lunga durata.

65’000€/meseperdita netta


30/03/2016

Problemi nel processo biologico

www.resitalia.org16

In questo impianto, nel corso di una attività di monitoraggio prevista per un progetto di ricerca, si è verificato un repentino calo della produzione elettrica che si è protratto per circa 2÷3 mesi. La riduzione è stata causata da un eccesso di carico organico (rosso verde invertiti).


30/03/2016

Processo biologico

17

Senza la conoscenza relativa alle caratteristiche dei substrati utilizzati e dei parametri di processo, il digestore rimane una

“BLACK BOX“

Trattare sottoprodotti in un digestore normalmente alimentato con colture cerealicole significa necessariamente dover disporre di sistemi di gestione più avanzati e di nuove competenze.

www.resitalia.org

La determinazione dei parametri di processo è una condizione necessaria ma non sufficiente al controllo ed all’ottimizzazione del processo.


30/03/2016

BiomassaS.O.S.!

3. ACCUMULO DI PRODOTTI DI

DEGRADAZIONE

1. CONDIZIONI DI PROCESSO NON OTTIMALI DOVUTE A PROBLEMI TECNICI

CONTAMINANTI(antibiotici, disinfettanti, muffe)

COMPOSTI NATURALI SECONDARI(es. oli essenziali, composti dello zolfo)

2. SUBSTRATI CONTENENTI SOSTANZE INIBENTI Biomassa

www.resitalia.org18

Possibili problematiche di processoASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO

30/03/201619

L’H2S contenuto nel biogas determina la produzione di acido solforico (H2SO4) nel cogeneratore.

Se i gas di scarico vengono raffreddati al di sotto del punto di rugiada avviene l’acido condensa corrodendo gli scambiatori di calore ed il piping dei gas di scarico.

www.resitalia.org

Limitare la concentrazione H2S nel biogas

Corrosione da acido solforicoPunto di rugiada dell’acido solforico


30/03/2016

Limitare la concentrazione NH3 nel biogas

20

www.resitalia.org

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

06/0

8/07

07/0

8/07

08/0

8/07

09/0

8/07

10/0

8/07

11/0

8/07

12/0

8/07

13/0

8/07

14/0

8/07

15/0

8/07

16/0

8/07

17/0

8/07

18/0

8/07

19/0

8/07

20/0

8/07

21/0

8/07

22/0

8/07

23/0

8/07

24/0

8/07

25/0

8/07

26/0

8/07

27/0

8/07

28/0

8/07

29/0

8/07

30/0

8/07

31/0

8/07

01/0

9/07

02/0

9/07

03/0

9/07

04/0

9/07

05/0

9/07

06/0

9/07

07/0

9/07

08/0

9/07

09/0

9/07

10/0

9/07

11/0

9/07

12/0

9/07

13/0

9/07

14/0

9/07

15/0

9/07

16/0

9/07

17/0

9/07

18/0

9/07

19/0

9/07

20/0

9/07

21/0

9/07

22/0

9/07

23/0

9/07

24/0

9/07

25/0

9/07

26/0

9/07

27/0

9/07

28/0

9/07

29/0

9/07

30/0

9/07

01/1

0/07

NH3 (ppm)

INIZIO FASE 1 INIZIO FASE 2

Dati da analisi composizione biogas (progetto PREA) - Fonte: RES


30/03/2016

PIANO DI MONITORAGGIO

21

I principali parametri da analizzare sono:

Caratterizzazione delle matrici in ingresso, dei fanghi in digestione e del digestato

ST, SV, micro e macro nutrienti, inibenti

Carico organico e capacità di trattamento

carico organico giornaliero, OLR, DML

Efficienza degradativa

produzione residuale, riduzione dei SV, bilancio di massa

www.resitalia.org


30/03/2016

PIANO DI MONITORAGGIOBilancio di massa

SVIn ≈ SVBiogas + SVDig

Matriciin ingresso

Digestato in uscita

Biogas

Portata gas Composizione gas

SVIn

SVBiogas

SVDig

www.resitalia.org22


30/03/201623

Produzione quali-quantitativa di biogas

portata, composizione (CH4, CO2, O2, H2S, NH3)

Stabilità del processo

temperatura, pH, FOS/TAC

Valorizzazione del biogas

quantità di gas utilizzata, produzione di EE netta, ore di funzionamento, EE immessa in rete.

www.resitalia.org


PIANO DI MONITORAGGIO


Analisi di casi studio

30/03/2016

Matrici in ingresso Digestato

Biogas

Reattore completamente miscelato (CSTR)

Biogas da industria agrumariaANALISI DI CASI STUDIO

25

www.resitalia.org

30/03/2016

Implementazione e messa a regime di un Piano di Monitoraggio

Sopralluogo periodico per verifica funzionalità componenti, campionamento matrici, coordinamento attività di gestione interna

Gestione del riscaldamento con lance di vapore e aggiunta scambiatore esterno su ricircolo dei fanghi

Fornitura analizzatore biogas portatile

Gestione giornaliera dell’alimentazione ai due reattori e dei ricircoli

Coordinamento con processi di flottazione e ossidazione aerobica

Ricerca, validazione e dosaggio di un materiale finalizzato a limitare gli effetti inibenti degli oli essenziali

ANALISI DI CASI STUDIO

26

Interventi di AT e CPB

www.resitalia.org

30/03/2016


27

Revamping depuratore liquami suinicoli

www.resitalia.org

30/03/2016

Reattore plug-flow semplificato


28

Revamping depuratore liquami suinicoli

www.resitalia.org


Pollina negli impianti a silomais:

presentazione del brevetto

30/03/2016

Pollina in co-digestione con liquame suinicolo in miscela 1:1 (R.E.S.P.A.C. 2003-2004)

Co-digestione di biomasse dedicate (sorgo e medica) con valutazione di diversi sistemi di pretrattamento e test di separazione solido-liquido con relativa caratterizzazioneagronomica (P.R.E.A. 2006-2007)

Co-digestione HSAD di FORSU e fanghi di depurazionedisidratati, pretrattamento tramite estrusione(FOR-BIOGAS 2008-2009)

Test in continuo con paglia pellettata e successiva co-digestione con scarti da lavorazione carciofo (2015)

Attività sperimentali condotte conImpianto Pilota RES

30

POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS

www.resitalia.org

30/03/2016

Nell’arte nota queste biomasse possono essere valorizzate attraverso la D.A. sfruttando singolarmente o in maniera combinata, diverse strategie per limitare gli effetti batteriostatici dell’ammoniaca:

diluizione con acqua: è stata applicata già dagli anni ’80 e porta a produrre enormi quantitativi di digestato aumentando le problematiche relative allo stoccaggio e spandimento delle deiezioni

acclimatazione dei microrganismi: con il tempo (anni) si sviluppano microrganismi adatti ad operare a concentrazioni di ammoniaca libera molto più elevate rispetto a quelle normalmente ritenute inibenti (1’500÷2’500 mg/l)

co-digestione: le deiezioni avicole possono essere trattate con altre matrici in modo da bilanciare l’elevato carico di azoto presente (aumentare il rapporto C/N)

strippaggio dell’ammoniaca: comporta la produzione di solfato ammonico che può costituire un valido fertilizzante.

31


D.A. delle deiezioni avicole

www.resitalia.org

30/03/2016

Si stima, per ogni MW elettrico installato, un consumo annuo di mais equivalente pari a ca. 20’000 t/anno

Pertanto si è stimato un consumo complessivo di mais pari a ca. 7’500’000 t/anno

Negli impianti a silomais è possibile sostituire almeno il 10 % (-750’000 t) del mais con altre matrici?

32


Fonte dati: Terna

Inquadramento attuale

www.resitalia.org

30/03/2016

Molti impianti hanno già ottenuto l’autorizzazione ad impiegare percentuali variabili tra il 10 ed il 20 % di deiezioni avicole e quotidianamente usano queste matrici ormai da diversi mesi ma emergono i primi dubbi:

• Qual è la concentrazione di ammoniaca nel biogas?

• Riesco a rispettare il limite di 10 ppm di NH3 prescritto dal fornitore del cogeneratore?

• La concentrazione di azoto ammoniacale sta aumentando, la resa in biogas del silomais è rimasta costante?

• Le emissioni di ammoniaca dagli stoccaggi potrebbero provocare problemi di odori?

33


Problematiche aperte

www.resitalia.org

30/03/2016


Co-digestione con sottoprodotti cellulosici

Paglia trinciata

www.resitalia.org34

Paglia dopo la lisi

Pellet di paglia

30/03/201635

Valorizzazione di deiezioni avicole e sottoprodotti attraverso un processo industriale articolato in:

disidratazione con recupero di sali di ammonio

miscelazione delle matrici disidratate con sottoprodotti lignocellulosici

pellettizzazione delle miscele formulate.

Formulazione e sviluppo di nuove linee/filiere di prodotto:

1. Pellet per impianti biogas

2. Pellet fertilizzante

3. Agripellet per caldaie a biomassa.

Processo modulare, replicabile e versatile (3 diversimercati di riferimento)


Elementi chiave del brevetto

www.resitalia.org

30/03/201636

- Sfruttare i potenziali attuali e futuri del mercato del biogas/biometano

- Sostituire parte del silomais con sottoprodotti anche in impianti molto distanti dagli allevamenti avicoli

- Ridurre spandimento (il pellet genera ca. il 50 % in meno di digestato per ogni t di silomais sostituito)

- Valorizzare matrici ancora disponibili a basso costo e con elevato potenziale metanigeno

- Semplificare procedure autorizzative (no stoccaggio/trasporto pollina grezza)

- Riserva di sicurezza per far fronte a raccolti scarsi

- Evitare inibizione da accumulo di NH3

- Evitare problemi su cogeneratore causati dall’NH3

- Ridurre emissioni di ammoniaca da vasca finale


Benefici del nuovo approccio

www.resitalia.org

Si ringrazia per l’attenzione e si ricorda il nostro indirizzo e-mail per richiedere ulteriori

informazioni o per contattarci

[email protected]

ADESSO CREIAMO VALORE

Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e ottimizzazione del … · 2016-03-30 · In questo...

Documents

Transcript of Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e ottimizzazione del … · 2016-03-30 · In questo...