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Biogas: parametri progettuali e gestionali -...
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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
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]
Resa in metano [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]
Resa in metano [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: 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
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
L'effetto degli acidi sul pH: esempio acido acetico
Acido acetico dissociato: CH3-COO- + H+
Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechnik
14
7
1
Ambiente alcalino
Ambiente acido
pH
H+
L'effetto degli acidi sul pH: esempio acido acetico
Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechnik
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
Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechnik
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
Fonte: Melanie Hecht, NQ Anlagentechnik
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
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)
Carico organico volumetrico
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
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
Carico organico volumetrico
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
]
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
Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di
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
Valore economico di una biomassa: effetto del contenuto di
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!!