Aspetti tecnico-gestionali ed ambientali della digestione anaerobica Key-Energy, Rimini 8 novembre 2012 Caratterizzazione del biogas per impieghi innovativi Davide Papurello , Christos Soukoulis , Erna Schuhfried, Luca Cappellin, Flavia Gasperi, Silvia Silvestri, Massimo Santarelli, Franco Biasioli [email protected]
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Aspetti tecnico-gestionali ed ambientali della digestione anaerobica Key-Energy, Rimini 8 novembre 2012 Caratterizzazione del biogas per impieghi innovativi.
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Aspetti tecnico-gestionali ed ambientali della digestione anaerobica
Key-Energy, Rimini 8 novembre 2012
Caratterizzazione del biogas per impieghi innovativi
Consulenza di ricerca: FEM : - Unità Biomasse ed energia rinnovabile - Unità Composti Volatili
Obiettivi:
Produzione, caratterizzazione e rimozione inquinanti presenti nel biogas prodotto dalla Digestione Anaerobica a secco di FORSU – [Laboratori FEM] Caratterizzazione metodologia per l’individuazione dei composti volatili su impianto in
scala (reattore 10 lt), Screening del biogas su impianto pilota, individuazione principali composti dannosi per
generatori SOFC, Rimozione inquinanti, dimensionamento impianto filtrazione al fine di ottenere biogas
con requisiti idonei.
Sfruttamento del biogas prodotto e analisi impatto inquinanti su singole celle e stack SOFC [SOFCpower + POLITO] Studio equilibrio termodinamico dei principali composti inquinanti alla Temp. operativa di
cella, Impatto su cella singola della miscela ottenuta all’equilibrio.
Progetto VEGA: Valorizzazione Energetica di bio-Gas da digestione
Anaerobica tramite fuel cells
Valorizzazione biogas prodotto dalla digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani attraverso generatore SOFC
Come funziona:• L’ossigeno è dissociato al catodo in O2-
• O2- migra attraverso il denso elettrolita all’anodo• All’anodo avviene il completamento della
rezione elettrochimica con la formazione di acqua e la circolazione di un flusso di elettroni
Pro/Cons SOFC:+ Uso fuel CO2 >5% (limite
per MCI)+ Integrazione th + elt. (eff.
70-85% - 5-20kWel)1
+ Prestazioni stabili (<1% 1000h)2
+ Silenziosità (<60 dBA)3
- VOCs (~1-10ppmv)4 dannosi per anodo- Materiali costosi e design complesso
Impieghi innovativi del biogas
NiO-8YSZ
8YSZ
8YSZ-LSM
Stack SOFC – 500W el.
hNmPCIhNmVPCI
WCHCH
el33.
_ 199,03600333,0
5003600
44
Per alimentare lo stack SOFC in modo duraturo senza incorrere in problemi di deposizione di carbonio, sono richieste essenzialmente le seguenti condizioni da soddisfare:
1. Qualità del biogas – contenuto di CH4 superiore al 50% in volume
2. Limitata concentrazione di H2S e altri composti solforati (1-5 ppmv)
3. Portata volumica di biogas calcolata secondo la seguente relazione in funzione
della potenza.
Stack SOFC – 200W el.
hNmPCIhNmVPCI
WCHCH
el33.
_ 0796,03600333,0
2003600
44
Requisiti stack SOFC
DigestoreBiogas Monitoraggio COV
FORSU(25%)+ legno(25%)+
digestato(50%)
COV spettri ppmv
Monitoraggio Biogas – experimental set - up
Bagno termostatico 35°C 30 min
PTR-ToF-MS analisi 30 sec
Vantaggi PTR-MS
Bassa frammentazione
Nessuna preparazione del campione
Misura Real-time: tempo di risposta 100 ms
Compattezza e robustezza.
Svantaggi PTR-MS
Non tutte le molecole sono rilevabili: molecole con
affinità protonica superiore a quella dell’acqua
Concentrazione massima rilevabile: Range rilevabile
0,000001 – 10 ppmv.
PTR-MS è uno strumento composto da una sorgente ionica che è direttamente connessa al drift
tube e da un sistema di rilevamento a quadrupolo o a tempo di volo. Lo strumento consente di
rilevare composti volatili con un tempo di risposta dell’ordine dei 100 ms e concentrazione 10 pptv.
Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry vs Gas Cromatography
)1(23 OHRHROH
Svantaggi GC-MS
Necessità di preparazione del campione
Tempo di misura: tempo di risposta dell’ordine dei
minuti/ore
Non tutte le molecole sono rilevabili
Vantaggi GC-MS
Precisione nell’identificazione: facilità di identificazione
del composto di interesse.
Compattezza e robustezza.
Soluzione ottimale: studio preliminare della matrice da analizzare con tecnica GC-MS (identificazione) e monitoraggio real-time PTRMS (qualificazione + quantificazione).
Reazione di protonazione (funzione umidità campione e affinità protonica VOC)
Possibili meccanismi di formazione
Composti dello zoflo:Metantiolo(CH4S) e
Dimetilsolfuro(C2H6S)
Provengono:1. degradazione degli amminoacidi (S-methylcysteine e
methioine),2. sulfide methylation in condizioni aerobiche/anaerobiche,3. reazione dei solfati presenti nella biomassa.Precursori per la
formazione di acido solfidrico (H2S). Meccanismi: metanogenesi + riduzione solfati.
Alcoli:
Etanolo(C2H6O), Propanolo(C3H8O)
Provengono da fenomeni di degradazione della biomassa in condizioni acide essenzialmente durante i primi giorni di digestione in cui avviene l’idrolisi della biomassa.
Chetoni:
2-butanone(C4H8O), AcetoneC3H6O
Provengono dall’ossidazione diretta degli alcoli in presenza di ossigeno (acetogenesi) e dalla reazione di ossidazione indotta dai metanogeni (condizioni alcaline).
Terpeni:
d-limonene(C10H16), p-cyemene, Isoprene(C5H8)
Provengono:1. (Fase inziale) – volatilizzazione dei terpeni contenuti nella biomassa
di partenza (vegetali, frutta tra cui agrumi)2. (Fase finale) – attività microbica di decomposizione