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Biogas: parametri progettuali e gestionali

Medicina – 23 Marzo 2011Claudio Fabbri, Nicola Labartino

Centro Ricerche Produzioni AnimaliReggio Emilia

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%.

Conversione energetica

In digestione anaerobica il contenuto energetico di una matrice organica viene prima convertito in un biocombustibile per mezzo di una flora batterica e poi in energia elettrica e termica

1 kWh 0,5-0,8 kWh

0,12-0,32 kWh

η biologico η meccanico

Sostanza organica Metano

EE + ET

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)

ATTENZIONE però alla corretta valutazione del contenuto energetico lordo che può variare da 60 kWh/t tq (liquame suino) a 12.000 kWh/t tq (grasso animale)

Composizione delle matrici per biogas: il silomais

Acqua(67% tq)

Ceneri(4% ST)

Solidi volatili (96% ST)

Solidi totali(33% tq)

+ Indegradabile(15-20% SV)

Degradabile(80-85% SV)

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

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%)

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

Silomais e silosorgo a confronto

Resa in biogas[Nm3/t SV]


Silomais + liquame 487 268

Silosorgo + liquame 485 267

Solo liquame 293 173

Silomais e silosorgo a confronto

Resa in biogas[Nm3/t SV]


Silomais 745 393

Silosorgo 732 387

Solo liquame 293 173

Ponderando la produzione di biogas/metano del liquame sulle miscele, si ottiene:

Potenziale metanigeno

Il potenziale metanigeno rappresenta la produzione di metano ottenibile dalla conversione di una matrice organica in un digestore anaerobico. Si esprime come Nm3 per kg di sostanza organica (o solidi volatili, SV).

E' importante considerare sempre e solo la sostanza organica e non il peso tal quale o la sostanza secca.

Qualità della sostanza organica:

Rapporto SV/ST e biodegradabilità media

Fonte: Malpei F.- 2009

65-75%

90%

80-85%

75-80%

Potenziale metanigeno e analisi chimiche: perchè valutarli

per... quantificare le biomasse necessarie

verificare la compatibilità con la tipologia impiantistica e le strutture aziendali (stoccaggi, movimentazione, miscelabilità, tempi di ritenzione idraulici....)

valutare le quantità di digestato da gestire

valutare le quantità di azoto da gestire

valutare i costi di produzione del metano

Come si valuta il potenziale metanigeno:

(tecniche utilizzate da CRPA)

- - analisi chimicheanalisi chimiche

- BMP (biochemical methane potential)- BMP (biochemical methane potential)

- digestori anaerobici da laboratorio in continuo- digestori anaerobici da laboratorio in continuo

- monitoraggio impianti in scala reale- monitoraggio impianti in scala reale

Metodi di valutazione: analisi chimiche

CnHaObNcSd + (n-a/4-b/2+7/4c+d/2) H2O → (n/2-a/8+b/4-

5/8c+d/4) CO2 + (n/2+a/8-b/4-3/8c-d/4) CH4 + dH2

In linea generale per la conversione in biogas di una generica materia prima vale la seguente relazione stechiometrica (G,E, Symons and A,M, Buswell, 1932)

Metodi di valutazione: analisi chimiche

Parametri minimi:a)Solidi totali (sostanza secca)b)Solidi volatili (sostanza organica)c)Azoto totaled)Carbonio organico totalee)Analisi elementare (C-H-N-O)f)Frazioni fibrose:i.NDF (Fibra neutro detersa) = Cellulosa + emicellulosa + ligninaii.ADF (Fibra acido detersa) = cellulosa + ligninaiii.ADL (Lignina acido detersa) = lignina

Metodi di valutazione: BMP statico

Substrato da valutare+

Inoculo+

Soluzione madreDigestato

Biogas (CH4+CO2+H2+H2O)

Peso ingresso (Xin) ≈ Peso biogas (X1out) + peso digestato (X2out)

BMP statico di CRPA

●32 digestori termostatabili da 2 litri●Unità controllo biogas (CH4, CO2, H2S, NH3, O2)●Misura produzione con duplice metodologia ●(manometrica e volumetrica)●Automazione completa

Metodi di valutazione: DA in continuo

6 reattori anaerobiciAlimentazione giornaliera

24 litri/reattoreMisura in continuo biogas prodotto

Qualità biogas: CH4, CO2, H2S, NH3

Bilancio di massaMesofilia/termofiliaProve con effluenti e biomasse solide

Analisi chimiche

Dispositivo progettato e realizzato da CRPA

Metodi di valutazione: monitoraggio impianti

Metodi di valutazione: principali parametri

Potenziale metanigeno: Nm3/tSV o Nm3/tST o Nm3/t tq

Qualità biogas: %vol CH4

Efficienza di conversione biologica: %SV degradati

Efficienza di conversione complessiva: kWhe/tSV

Costo di produzione del metano: €/Nm3 CH4

Potenza media effettiva: kW (Energia prodotta / 8760 h)

Superficie necessaria (per colture, uso digestato): Ha

Bilancio energetico: kWh prodotti, autoconsumati, ceduti

Gestione impianti

Le fasi del processo

carboidrati, grassi e proteine sono ridotti a molecole mono-disaccaridi, acidi grassi e aminoacidi ad opera di eso enzimi

Idrolisi

Acidogenesi

Acetogenesi

Metanogenesi

Monomeri sono convertiti ad H2, CO2, acidi grassi volatili e alcoli per fermentazione

H2, CO2, acidi grassi volatili sono parzialmente trasformati ad acido acetico

H2, CO2, acido acetico sono convertiti a CH4 e CO2

Elevata sensibilità a pH, T, VFA Vera fase limitante!!

Parametri di controllo FISICO-CHIMICI

Crescita batterica

Conducibilità

Temperatura

Ione ammonio

MicronutrientipH

Acidi volatili

Acidità/alcalinità

L'effetto degli acidi sul pH: esempio acido acetico

Acidità (pH) = concentrazione di ioni idrogeno H+

Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechnik

14

7

1

Ambiente alcalino

Ambiente acido

pH

H+

Acido acetico indissociato: CH3-COOH


Acido acetico dissociato: CH3-COO- + H+


14

7

1

Ambiente alcalino

Ambiente acido

pH

H+



14

7

1

Ambiente alcalino

Ambiente acido

pH

H+

Elevata concentrazione di acido acetico dissociato: CH3-COO- + H+

L'effetto dell'alcalinità sul pH: esempio bicarbonati


14

7

1

Ambiente alcalino

Ambiente acido

pH

H+

Acido acetico: CH3-COO- + H+ Ione Bicarbonato: HCO3

- Acido carbonico: H2CO3

L'effetto dell'alcalinità sul pH: esempio carbonato


14

7

1

Ambiente alcalino

Ambiente acido

pH

H+

Acido acetico: CH3-COO- + H+ Ione Bicarbonato: HCO3

- Acido carbonico: H2CO3

Equilibrio acidità/alcalinità

L'alcalinità è necessaria per equilibrare l'acidità e mantenere il pH nel range ottimale (7-7,7).Rapporti ottimali fra acidità/alcalinità: 0,3 (range normale fra 0,2 e 0,4)

Attenzione però che l'alcalinità da bicarbonati si consuma!

Ione Bicarbonato: HCO3- Acido carbonico: H2CO3 H2O + CO2

Controllo di processo: acidità volatile

0

1

2

3

4

5

6

7

1/8 31/8 30/9 30/10 29/11 29/12 28/1 27/2

CO

V [k

gSV

/m3.

gg]

e I

pV [m

3/m

3.gg

]

10

1.010

2.010

3.010

4.010

5.010

6.010

7.010

Aci

dità

tota

le (m

g/kg

) e p

oten

za e

lett

rica

(kW

)

COV IpV Acidità totale Potenza elettrica

Inizio crisiSovraccarico improvviso

Evidenza della crisi

Controllo di processo: rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC)

Temperatura

Indipendentemente dal regime di temperatura scelto, EVITARE VARIAZIONI DI TEMPERATURA maggiori di +/- 1-2°C

I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di temperatura

Ione ammonio/ammoniaca

E' un composto inibente molto importante. Si produce per deamminazione degli aminoacidi.

NH4+ ↔ NH3 + H+

E' importante soprattutto la concentrazione di ammoniaca (NH3): valori significatvi di inibizione intorno a 40-50 ppm. L'equilibrio dipende dal pH!

I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di ammoniaca

Micronutrienti

E' un insieme di composti necessari in minima parte per diverse reazioni chimiche cellulari. La loro assenza può determinare crisi anche gravi (acidosi): ferro, solfuri, rame, manganese, cobalto, selenio .....I liquami contengono tutti i micronutrienti necessari al buon funzionamento!

I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti

Digestione soli insilati: oligoelementi

La LEGGE DEL MINIMOLEGGE DEL MINIMO:“Se una pianta ha bisogno di dodici elementi per la sua crescita, e se solo uno di essi viene a mancare, essa non potrà mai svilupparsi. Se una di queste sostanze non è infatti disponibile nella quantità necessaria richiesta dalla natura, la pianta crescerà sempre incompleta” (Journal fur technische und okonomische Chemie, Bd. 3, S.93, P.Pc Sprengel, 1828)

Parametri di controllo TECNOLOGICI

Crescita batterica

eproduzione

Contenuto solidi totali

Contenuto solidi volatili

Regolarità carico

Carico organico volumetrico

Tempo ritenzione idraulica

Quantità/qualità biogas

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⋅SVV

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


150 Capix

15 kg s.s/capo/d

=2,25 t/d

Digestore 1500 m3

HRT 60 gg1500/60 = 25 t tal quale/d

25000 kg X 35%ST X 95% SV/ST / 1500 m3

= 5,5 kg SV/m3/giorno

Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

[giorni] [giorni]

HRT=VQ

Q = carico giornaliero (t/d)V = volume digestore (m3)

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


Silomais


Scarti di lavorazione della frutta

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

Q = 25 t/g silomaisST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

HRT = 60 ggCOV = 5,5 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Q1 = 15 t/g silomais ST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

Q2 = 10 t/g patateST = 22%SV = 90%STCH4 = 360 m3/tSV

Q = Q1 + Q2 = 25 t/gHRT = 60 ggCOV = 4,6 kgSV/m3/gCH4 = 2508 m3/g

Pe = 430 kWePe = 510 kWe

V = 1500 m3

Δ = - 15,7%

Dimensione digestore e flessibilità impiantistica

Q = 25 t/g silomaisST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

HRT = 100 ggCOV = 3,3 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Q1 = 15 t/g silomais ST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

Q2 = 16,5 t/g patateST = 22%SV = 90%STCH4 = 360 m3/tSV

Q = Q1 + Q2 = 31,5 t/gHRT = 80 ggCOV = 3,3 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Pe = 510 kWePe = 510 kWe

V = 2500 m3

Δ = 0%

Parametri di controllo TECNOLOGICI

Crescita batterica

eproduzion

Contenuto solidi totali

Contenuto solidi volatili

Regolarità carico


Tempo ritenzione idraulica

Quantità/qualità biogas

QualitàBiomasse

Controllo di processo: regolarità di carico

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 1/1 1/2 1/3 1/4

Caric

o org

anico

volu

metr

ico

(kgS

V/m

3/gg

)

0

5

10

15

20

25

Prod

uzio

ne en

ergi

a elet

trica

[MW

h/gg

]

Carico organico volumetrico Produzione elettrica

Inizio carico SottoprodottiA basso ST

Problemi alla Problemi alla tramoggiatramoggia

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

]

Controllo di processo: problemi più frequenti

Valore economico di una biomassa: fattori di calcolo

Contenuto in acqua e ceneri;

Potenziale metanigeno;

Volume di digestato prodotto

Costo di stoccaggio, trasporto e distribuzione;

Contenuto in azoto e costo di gestione

Valore economico di una biomassa: contenuto di solidi volatili

ST = 0,35 t/ttq

SV = 95%STCosto = 30 €/ttq

Riferimento: silomais

Costo SV= 30/(0,35x95%)= 90 €/tSVProduzione CH4: 300 m3/tSV

Costo CH4: 90/300 = 0,3 €/m3

ST = 0,20 t/ttq

SV = 90%STProduzione CH4: 250 m3/tSVValore massimo CH4: 0,3 €/m3

Biomassa da valutare: patate

Costo max biomassa:0,2 x 90% x 250 x 0,3 = 13,5 €/ttq

Δ = 0

Il costo energetico deve partire sempre da un valore di riferimento

Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di

acqua

Parametri di calcolo per 1 MWeSilomais: 35% ST Costo: 30 /t€ CH4: 350 m3/tSV CHP: 41%

Quantità necessaria: 17.600 t/anno Sup (50 t/ha): 295 ha


acqua

Parametri di calcoloSilomais: 29% ST Costo: 24,8 /t€ CH4: 350 m3/tSV CHP: 41%

Quantità necessaria: 21.200 t/anno Sup (50 t/ha): 425 ha


acqua

Incidenza sul bilancio di un impianto di biogas:

1° caso: 17.600 t/h x 30 €/t = 528.000 €/anno2° caso: 21.200 t/h x 30 €/t = 636.000€/anno

Differenza: 108.000 €/anno

Se i costi di approvvigionamento fossero 45 €/t, la differenza sarebbe pari a 162.000 €/a!!

Grazie per l'attenzione

[email protected]@crpa.it

mailto:[email protected]

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