Digestione anaerobica - ISAAC Project

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875

Digestione anaerobicaAspetti tecnici e gestionali

Claudio Fabbri – CRPA spa


Digestione Anaerobica: take at home!• La digestione anaerobica è un processo microbiologico giàesistente in natura,molto antico dal punto di vistaevolutivo

• Innovazione e ricerca biotecnologica ne hanno esteso laflessibilità e l’affidabilità: oggi è possibile recuperare metanoda ogni scarto organico (effluenti zootecnici e sottoprodottiagro-industriali)

• E’ il cuore di un ciclo eco-sostenibile che si integra nelterritorio: riduzione delle emissioni in atmosfera,valorizzazione energetica (biometano, energia elettrica,energia termica) e fertilizzazionedei terreni.

• Esistono potenzialità ancora inesplorate (chimica verde,bioraffinerie, biocarburanti)


Ricerca Industriale

E’ un laboratorio dedicato alla Ricerca IndustrialeRete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna

Sezione AMBIENTE ed ENERGIA


La digestione anaerobica e la digestione del bovino


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, VFAVera fase limitante!!


Parametri di controllo FISICO-CHIMICI

Crescita batterica

Conducibilità

Temperatura

Ione ammonio

MicronutrientipH

Acidi volatili

Acidità/alcalinità


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


Potenziale RedOx

E' una misura della ossidabilità/riducibilità della sostanza organica. Al diminuire del potenziale RedOx diminuisce il pH e viceversa La digestione anaerobica avviene in ambiente riducente, ovvero <-300 mV (range normale fra -250 e -450 mV)

I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di RedOx


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 METANIGENI 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 micronutrienti necessari al buon funzionamento!

I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti


Digestione soli insilati: oligoelementi

La LEGGE DEL MINIMO:“Se una pianta ha bisogno di dodicielementi per la sua crescita, e sesolo uno di essi viene a mancare,essa non potrà mai svilupparsi. Seuna di queste sostanze non è infattidisponibile nella quantitànecessaria richiesta dalla natura, lapianta crescerà sempreincompleta” (Journal fur technischeund okonomische Chemie, Bd. 3,S.93, P.Pc Sprengel, 1828)


La digestione anaerobica può esserecondotta in condizione mesofile (35-40°C) o termofile (50-55°C).

Con impianti semplificati è possibileoperare anche in psicrofilia (10-25 °C).

Temperatura di processo


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

I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di temperatura



0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperature

Rat

e of

the

AD

pro

cess

Psichrophilic MesophilicThermophilic

35 550 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperature

Rat

e of

the

AD

pro

cess

Psichrophilic MesophilicThermophilic

35 55



Il potenziale metanigeno delle biomasse



Metodi di valutazione: BMP statico

A norma UNI EN ISO 11734:2004

Sistema manometrico


Kmax: intervallo di tempo per raggiungerela massima velocità di produzione (giorni)

F50%: intervallo di tempo per raggiungereil 50% della produzione (giorni)

F90%: intervallo di tempo per raggiungereil 90% della produzione (giorni)

Resa produttiva biogas: Nm3/t SV o Nm3/t tqResa produttiva metano: Nm3/t SV o Nm3/t tqPercentuale metano: %Degradabilità dei solidi volatili: %Digestato producibile: t digestato/t biomassaAzoto equivalente: kgN/Nm3CH4

BMP: informazioni ottenibili


Rese produttive (BMP): Nm3CH4/tSVFonte: archivio CRPA, circa 3000 BMP

336 300

447386

276227

390338

89

0100200300400500600700

Nm

3 C

H4/

t SV


Valori medi di resa in metano (m3/tSV) per effluenti zootecnici

Media Dev.st CV

Liquame suino 293,8 69,4 23,6%

Suino (solido separato) 174,8 67,3 38,5%

Liquame bovino 218,9 29,1 13,3%

Bovino (Solido separato) 153,1 69,1 45,1%

Letame bovino 186,9 59,8 32,0%

Lettiera avicola 265,5 58,7 22,1%

Pollina 306,1 74,0 24,2%


Esempio applicazione BMPProduzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche

SS [%]

NDF [%SS]

ADF [%SS]

ADL [%SS]

ADL/NDF[%]

dNDF[%NDF]

Amido [%SS]

Epoca 1 18,91 51,74 32,49 2,95 5,70 60,47 0,23

Epoca 2 26,14 55,44 34,80 3,26 5,88 48,70 0,00

Epoca 3 29,43 58,20 39,11 5,40 9,28 36,52 1,37

Epoca 4 36,95 49,31 32,59 4,78 9,69 33,09 12,65

Correlazione molto alta con fibra degradabile!


Esempio applicazione BMPProduzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche


Sansa di oliva 2 fasi

Solidi totali

Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabilità SV

(g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV)

(%) (%)

256 237 92,2 4300 1,7% 201 69% 32,1%


Sansa di oliva 3 fasi

Solidi totali



(%) (%)

360 334 92,9 5700 1,6% 192 66% 32,8%


Sansa di oliva denocciolata

Solidi totali



(%) (%)

278 260 93,6 3800 1,4% 312 64% 56%

BMP21 [Nm3/tSV]: 264BMP [Nm3/tSV]: 313

0.0

7.9

19.722.922.6

20.420.418.5

11.99.7

7.75.5 4.1 3.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.3

Kmax (giorno): 2.9

0

10

20

30

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vel

ocità

pro

duzi

one

[Nm

3 C

H4/

tSV

/gio

rno]

Pro

duzi

one

CH

4 [N

m3/

t SV

]

GiorniProduzione cumulativa di metano [Nm3/tSV]


Sansa di oliva denocciolata e defibrata

BMP21 [Nm3/tSV]: 368

BMP [Nm3/tSV]: 432

0.0

8.9

25.627.424.625.3

31.335.337.4

26.8

14.29.9 8.2 6.5 4.9 4.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.1

Kmax (giorno): 8.1

0

10

20

30

40

0

100

200

300

400

500

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vel

ocità

pro

duzi

one

[Nm

3 C

H4/

tSV

/gio

rno]

Pro

duzi

one

CH

4 [N

m3/

t S

V]

GiorniProduzione cumulativa di metano [Nm3/tSV]

Solidi totali



(%) (%)

199 164 82,2 4000 2% 431 64% 79%


RBP - potenziale metanigeno residuo nel digestato

RBP (valore medio, n. 96 ) = 89 ± 35,4 Nm3 CH4/t s.v.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0-25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 150-175 175-200

Freq

uenz

a (%

)

Resa metano (Nm3/tSV)


Schemi tecnologici



Schemi impiantistici: DA monostadioe monofase

Digestato

Primario

pH=6,7-8,2FOS=2,5-4.000 mg HAeq/l TAC=10-13.000 mg CaCO3/l

FOS/TAC = 0,2-0,4ST= 5-8%

CH4 = 52-56%, H2 = 50-70 ppm

IdrolisiAcidogenesi + acetogenesi

Metanogenesi

Biomassesolide

Biomasse pompabili


Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse

(500 capi da carne)

Bovini

F1 2.950 m3

CHP

380 kW

Dosatore

Stoccaggio3000 m3

Solido separato

Matrice Quantità tal quale COV Produzione metano

[t/giorno] [kg/m3/giorno] [%] [m3/giorno] [%]

Liquame bovino 19,1 0,3 11,6 181 8

Insilato di mais 16,3 2,29 87,2 2.043 90,6

Pastone integrale 0,15 0,03 1,2 31 1,4

Totale/media 35,6 2,63 100 2.254 100

HRT 75-80 ggCOV 2,6-2,7 kgSV/m3/gg

Colture dedicate 16,45 t/g


Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse

(500 capi da carne)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1-set 1-ott 1-nov 1-dic 1-gen 1-feb Car

ico

orga

nico

vol

umet

rico

(kgS

V/m

3.gi

orno

)

Pote

nza

elet

tric

a (k

W)

Potenza elettrica Carico organico volumetrico

341 kWPotenza elettrica media

341 kW

Produzione biogas/metano630-650 m3/tSV al 50% CH4


Schemi impiantistici: DA bistadio e monofase

F1Biomassesolide DigestatoF2

Biomasse pompabili

Primario Secondario

pH=6,7-7,6 pH=7,4-8,2

FOS=3-4.000 mg HAeq/l TAC=10-12.000 mg CaCO3/l

FOS/TAC = 0,3-0,4


FOS/TAC = 0,2-0,3

ST= 7-8% ST= 5-7%

CH4 = 50-52%, H2 = 50-100 ppm CH4 = 52-55%, H2 = 30-50 ppm


Metanogenesi


Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici (890 capi produttivi da latte)

AntonioIvano

F22280 m3

F1 2280 m3

Letame

14,5 t/gg

70 t/gg Trasporto (2 km)

Pompa trituratrice

Ric

ircol

o pe

r dilu

izio

ne

caric

o

CHP

330 kW

Dosatore


30,5 t/gg

115 t/gg

Stoccaggio3000 m3

Solido separato


Potenza elettrica media272 kW

0,3 kW/capo produttivo

Produzione biogas/metano380-400 m3/tSV al 54,5% CH4

16,8-19,3 m3 CH4/t effluente

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecniciEsempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici


Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate

(280 capi produttivi da latte)

Bovini

F22280 m3

F1 2280 m3

Liquame 26,7 t/gg

CHP

2 x 250 kW

Dosatore


Letame 5,9 t/gg

StoccaggioSolido separato

Colture dedicate 19,5 t/g

Produzione biogas/metano560-580 m3/tSV al 54% CH4

Potenza elettrica media

475 kW


Digestato in uscita dai due digestori

Efficienza di degradaz. = 74,2%

cioè solo il 25,8% dei solidi volatili non è stato convertito in biogas.

Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte)


Schemi impiantistici: DA bistadio e bifase

Biomassesolide DigestatoF2

Biomasse pompabili

Primario Secondario

pH=5,5-5,8 pH=7,4-8,2


FOS/TAC = 4-5


FOS/TAC = 0,2-0,3ST= 11-13% ST= 5-7%

CH4 = 10-20%, H2 = 500-1000 ppm CH4 = 55-60%, H2 = 30-50 ppm


Metanogenesi

F1


Cambiamenti rapporti chimici in bistadio + bifase: acidi e alcali

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag

FOS

(mg

HA

eq/l)

Primario Secondario Secondario

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000


TAC

(mg

CaC

O3/

l)


4

5

6

7

8

9


pH


Nelle fasi iniziali di separazione di fase, ottenuta con modifiche dei ricircoli, il pH cala e FOS aumenta rapidamente. Nel digestore secondario si mantengono valori stabili.


Ripristino potenza in impianto bistadio + bifase

0

200

400

600

800

1000

1200

25-feb 7-mar 17-mar 27-mar 6-apr 16-apr 26-apr

Pote

nza

elet

tric

a (k

W)

Potenza effettiva Potenza attesa

Rottura alternatore + Manutenzione straordinaria 20.000 h

20 giorni di fermo

COV al 20% per mantenere biologiaattiva

Ripristino piena potenza in 8 giorni


Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti

Le linee guida sono disponibili scaricabili informato integrale nella sezione “Pubblicazioni– e-book” sul sito internet www.crpa.it.

Si tratta di uno strumento di lavoro sia pergli allevatori che intendono orientarsi allacostruzione e gestione di un impianto dibiogas che per i professionisti che devonoprogettare.Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di “Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico”(CIG E45J10000060001)


BiogasDoneRight

Claudio Fabbri


Perché le bioenergie?


FONTI RINNOVABILI INTERMITTENTI vs FONTI RINNOVABILI PROGRAMMABILI…….

1. Valore del biogas come fonte programmabile al ridursi delle fonti programmabili fossili post 2030

2. Valore della rete gas come sistema di stoccaggio, raccolta energie rinnovabili e utilizzo in tutti gli usi finali

3. Valore del gas rinnovabile nella decarbonizzazione dei settori di difficile elettrificazione

4. Valore del bioagsdoneright per una decarbonizzazione del settore agricolo e funzione di carbon sink dei suoli agricoli

COP 21 NON FINISCE AL 2030


DECARBONIZZARE L’AGRICOLTURA

I TRE PILASTRI DEL BIOGASDONERIGHT®

- FERTILIZZANTI+ RICICLO NUTRIENTI

+ SOSTANZA ORGANICA

+ ROTAZIONI ED USO DEL SUOLO

EFFICIENTE


Biogas e carbonio: un binomio efficace?

La digestione anaerobica è un processo naturaleche utilizza carbonio di origine biogenica e loconverte in un flusso energetico ad alto valorelasciando un residuo carbonioso ad elevato valoreaggiunto agronomico

C_CO2

CaHbOcNdSe

C_CO2

Energia

Carbon storage


Modello BiogasDONERIGHT®

• Rotazioni e colturesequenziali: aumentarel’efficienza di utilizzo del suolo coltivando fino a 2 colture nello stesso suolo e nello stesso anno per ottenere biomasseaddizionali.

• Riciclo dei nutrienti al terreno grazie all’utilizzo del digestato

• Sistemi di agricolturaconservativa e promozionedel sequestro del carbonionel suolo attraverso la sostanza organica.


Effetto della digestione anaerobicaLe emissioni di gas serra per la produzione di energia sono molto minori rispetto a quelle delle fonti fossili, addirittura negative se prodotto con soli effluenti zootecnici

Solo liquami


Grazie per l’attenzioneClaudio Fabbri – CRPA spa

Digestione anaerobica - ISAAC Project

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