BIOGAS: OPPORTUNITÀ E PROSPETTIVE FUTURE

Prof. Luigi FrunzoUniversità degli studi di Napoli «Federico II»

Il Progetto RE-MIDA REattore Modulare per la produzione di bioIDrogeno Applicazione alla filiera lattiero casearia

Napoli, Mostra d’Oltremare, 9 Aprile 2015

Università degli Studi di NapoliFEDERICO II

DOMANDA DI ENERGIA SEMPRE CRESCENTE

Utilizzo dei combustibili fossili tradizionali

2H2 + O2 H2O

IntroduzioneL’Idrogeno: Il Carburante del futuro

• È L'ELEMENTO CHIMICO PIÙ DIFFUSO DELL'UNIVERSO

• A TEMPERATURA AMBIENTE È UN GAS, LEGGERO, INCOLORE, INODORE, NON TOSSICO, MA ALTAMENTE COMBUSTIBILE

• È L'ELEMENTO CHIMICO PIÙ DIFFUSO DELL'UNIVERSO

• A TEMPERATURA AMBIENTE È UN GAS, LEGGERO, INCOLORE, INODORE, NON TOSSICO, MA ALTAMENTE COMBUSTIBILE

Potere calorifico

superiore

141,90 MJ/Kg

11,89 MJ/m3

Potere calorifico inferiore 119,90 MJ/Kg

10,05 MJ/m3

Temperatura di auto-

ignizione

858 K

Limite di ignizione aerea 4÷75 (vol. %)

Miscela stechiometrica

aerea

29,53 (vol. %)

Temperatura di

combustione aerea

2,318 K

Coefficiente di diffusione 0,61 cm2/s

Calore specifico 14,89 KJ/(kg K)

Numero di ottano 130

Flashpoint -6,67 K

Intervallo di

infiammabilità

4÷75 %

Carburante Potere Calorifico Inferiore

Idrogeno 119,90 MJ/Kg

Metano 50 MJ/Kg

Benzina 40÷45 MJ/Kg

Propano 46,35 MJ/Kg

Metanolo 19,37 MJ/Kg

IntroduzioneL’Idrogeno: Il Carburante del futuro

CLASSIFICAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DELL’IDROGENO IN FUNZIONE DELL’ENERGIA IMPIEGATA

PROCESSI TERMOCHIMICI

PROCESSI TERMOCHIMICI

PROCESSI ELETTROCHIMICI

PROCESSI ELETTROCHIMICI

PROCESSI BIOLOGICIPROCESSI

BIOLOGICI

steam reforming pirolisi

gassificazioneossidazione parziale

non catalitica

elettrolisifotoelettrolisifotovoltaico

biofotolisidark fermentation

fotofermentazione

CLASSIFICAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DELL’IDROGENO IN FUNZIONE DELLE FONTI IMPIEGATE

FONTI NON RINNOVABILI

FONTI NON RINNOVABILI

FONTI RINNOVABILI

FONTI RINNOVABILI

gas naturalecarboneprodotti petroliferinucleare

eolicosole

idrogeotermicobiomasse

IntroduzioneL’Idrogeno: Il Carburante del futuro

Dark FermentationProduzione di idrogeno mediante fermentazione batterica

Substrati organici

FRAZIONE SOLIDAMacromolecole organiche

FRAZIONE LIQUIDAAcidi volatili

H2

Dark FermentationC6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2(Glucosio) (Acetato)

FotofermentationProduzione di idrogeno mediante colture batteriche 

fototrofiche

Acidi volatili

FRAZIONE SOLIDAMacromolecole organiche

H2Luce solare

Substrati organici FRAZIONE SOLIDA

Macromolecole organiche

FRAZIONE LIQUIDA

Acidi volatili

H2 H2EFFLUENTE

Biomassa solida

Digestato

CH4

Ciclo CombinatoMassimizzazione della produzione energetica mediante processi biologici

Progetto RE‐MIDA

Il Progetto, finanziato dall’Assessorato all’Agricoltura della Regione Campania nell’ambito del Programma di Sviluppo Rurale PSR Campania 2007-2013, Misura 124 Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare e settore forestale, ha previsto la realizzazione di un impianto per l’attuazione in serie di due processi biologici volto alla produzione di un flusso gassoso caratterizzato da elevato tenore di idrogeno,

Progetto RE‐MIDA

FASI DEL PROGETTOFASI DEL PROGETTO

1) OTTIMIZZAZIONE dei principali parametri ingegneristico-gestionali (HRT, temperatura, OLR, composizione percentuale del biogas, etc.) idonei all’individuazione delle condizioni ottimali di esercizio in termini di rese depurative e produzione di bioidrogeno.

1) Attività in scala laboratorio1) Dark Fermentation2) Photo Fermentation

2) ASSEMBLAGGIO del prototipo in scala pilota presso le officine della Cooperativa ElettroMeccanica Sud CEMS di Nola.

3) MONITORAGGIO delle condizioni operative mediante rilevazione continua. Attività che sarà effettuata presso il LARA del DICEA.

4) INSTALLAZIONE dell’impianto per la validazione sul campo presso l’Azienda Agricola Colangelo Davide sita in Capaccio (SA)

1) OTTIMIZZAZIONE dei principali parametri ingegneristico-gestionali (HRT, temperatura, OLR, composizione percentuale del biogas, etc.) idonei all’individuazione delle condizioni ottimali di esercizio in termini di rese depurative e produzione di bioidrogeno.

1) Attività in scala laboratorio1) Dark Fermentation2) Photo Fermentation

2) ASSEMBLAGGIO del prototipo in scala pilota presso le officine della Cooperativa ElettroMeccanica Sud CEMS di Nola.

3) MONITORAGGIO delle condizioni operative mediante rilevazione continua. Attività che sarà effettuata presso il LARA del DICEA.

4) INSTALLAZIONE dell’impianto per la validazione sul campo presso l’Azienda Agricola Colangelo Davide sita in Capaccio (SA)

MetodologiaProve ed Analisi effettuate presso il L.A.R.A

MetodologiaProve ed Analisi effettuate presso il L.A.R.A

Soluzione 1.5% HCL

MetodologiaProve ed Analisi effettuate presso il L.A.R.A

Analisi della composizione del biogas e degli acidi grassi volatili

RisultatiIngegnerizzazione del processo di  Dark Fermentation

OBIETTIVI SPECIFICI DELLA SPERIMENTAZIONEOBIETTIVI SPECIFICI DELLA SPERIMENTAZIONE

1) INDIVIDUARE IL PRETRATTAMENTO PIÙ EFFICIENTE PER SELEZIONARE LA BIOMASSA1) INDIVIDUARE IL PRETRATTAMENTO PIÙ EFFICIENTE PER SELEZIONARE LA BIOMASSA

2) VALUTARE IL POTENZIALE DI BIO-IDROGENAZIONE MEDIANTE “DARK FERMENTATION”DI DIVERSI SCARTI AGROINDUSTRIALI2) VALUTARE IL POTENZIALE DI BIO-IDROGENAZIONE MEDIANTE “DARK FERMENTATION”DI DIVERSI SCARTI AGROINDUSTRIALI

3) VALUTARE L’EFFETTO DELLA GRANULOMETRIA NEL PROCESSO DI BIOIDROGENAZIONE3) VALUTARE L’EFFETTO DELLA GRANULOMETRIA NEL PROCESSO DI BIOIDROGENAZIONE

4) VALUTARE L’EFFETTO DEL DIVERSO PH INIZIALE4) VALUTARE L’EFFETTO DEL DIVERSO PH INIZIALE

5) VALUTARE L’EFFETTO DEL RAPPORTO FOOD/MASS5) VALUTARE L’EFFETTO DEL RAPPORTO FOOD/MASS

6) PRETRATTAMENTI SU SUBSTRATI LIGNOCELLULOSICI6) PRETRATTAMENTI SU SUBSTRATI LIGNOCELLULOSICI

RisultatiPotenziale di Bio‐Idrogenazione di diversi scarti agricoli

VALUTAZIONE DEL POTENZIALE DI BIO-IDROGENAZIONE MEDIANTE “DARK FERMENTATION”DI DIVERSI SCARTI AGROINDUSTRIALI

VALUTAZIONE DEL POTENZIALE DI BIO-IDROGENAZIONE MEDIANTE “DARK FERMENTATION”DI DIVERSI SCARTI AGROINDUSTRIALI

SUBSTRATOSUBSTRATO

SCARTI ORTOFRUTTICOLI

DI PATATE E ZUCCA

SCARTI ORTOFRUTTICOLI

DI FINOCCHIO

REFLUO BUFALINO

SCARTI DELLA MACELLAZIONE

(sangue secco)

REFLUO OLEARIO

SANSA 14 REATTORI (2 DEDICATI AL

BIANCO)MANTENUTI IN CONDIZIONI

MESOFILE A 36°C

VOLUME DI IDROGENO MISURATO

TRAMITE METODOLOGIA VOLUMETRICA

MONITORAGGIO:•VFAs

•pH•RESE DI

BIOIDROGENAZIONE•ANALISI GAS

RisultatiPotenziale di Bio‐Idrogenazione di diversi scarti agricoli

MAX RESA SCARTI ORTOFRUTTICOLIMAX RESA SCARTI ORTOFRUTTICOLI

PRODUZIONE DI IDROGENOSI CONCLUDE IN 5-6 GIORNI IN MEDIA

PRODUZIONE DI IDROGENOSI CONCLUDE IN 5-6 GIORNI IN MEDIA

FASE INIZIALE: PICCHI DI PRODUZIONEFASE INIZIALE: PICCHI DI PRODUZIONE

I SUBSTRATI CONTENENTI CARBOIDRATI SONO QUELLI OTTIMALI

I SUBSTRATI CONTENENTI CARBOIDRATI SONO QUELLI OTTIMALI

ml H2 g‐1 SVS.O.(p‐z) R.B. S.S. S.O.(f) S R.O. B171,8 151,98 102,62 74,52 71,35 62,46 16,43

RisultatiPotenziale di Bio‐Idrogenazione di diversi scarti agricoli

LE CONCENTRAZIONI DI VFAs SONO USATE COME INDICATORI DEL PROCESSOLE CONCENTRAZIONI DI VFAs SONO USATE COME INDICATORI DEL PROCESSO

VARIAZIONI REPENTINE CON INCREMENTO DELLE CONCENTRAZIONI INDICANO CHE IL PROCESSO È IN ROTTA VERSO PROCESSI ACIDOGENICI

VARIAZIONI REPENTINE CON INCREMENTO DELLE CONCENTRAZIONI INDICANO CHE IL PROCESSO È IN ROTTA VERSO PROCESSI ACIDOGENICI

LE CONCENTRAZIONI DI VFAs SONO DOMINATE DALLA PRESENZA DI ACIDO ACETICO E PROPIONICOLE CONCENTRAZIONI DI VFAs SONO DOMINATE DALLA PRESENZA DI ACIDO ACETICO E PROPIONICORIDUZIONE DELLA PRODUZIONE DI H2 ALL’AUMENTARE DELLE CONCENTRAZIONI DEGLI ACIDIRIDUZIONE DELLA PRODUZIONE DI H2 ALL’AUMENTARE DELLE CONCENTRAZIONI DEGLI ACIDI

MetodologiaProve ed Analisi effettuate presso il L.A.R.A

Ia parte - Studi condotti su una coltura pura di Rhodobacter sphaeroidesIa parte - Studi condotti su una coltura pura di Rhodobacter sphaeroides

IIa parte - Studi condotti su una coltura mista in cui sono presenti PNSIIa parte - Studi condotti su una coltura mista in cui sono presenti PNS

AssemblaggioAssemblaggio del prototipo presso le officine CEMS

SOCIETÀ COOPERATIVA CEMSImpianti Tecnologici

Via San Gennaro 366, 80035 - Nola Piazzolla - (NA)

AssemblaggioAssemblaggio del prototipo presso le officine CEMS

Sviluppi Futuri

Progetto RE‐MIDA

Grazie a tutti per la cortese attenzione.