3 muraro biogas-processo
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il processo di digestione anaerobica

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3 muraro biogas-processo 3 muraro biogas-processo Presentation Transcript

  • TuttoAmbiente Srl Ricerca Servizi e Formazione PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOGAS Giovedì 28 maggio 2009 “La produzione del biogas ed il suo utilizzo - I processi – Impianti aziendali di digestione anaerobica” Pierluigi Navarotto pierluigi.navarotto@fastwebnet.it
  • La digestione anaerobica è un processo biologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas (energia rinnovabile) costituito principalmente da metano e anidride carbonica; la percentuale di metano nel biogas varia a secondo del tipo di sostanza organica digerita e delle condizioni di processo, da un minimo del 50% fino all’80% circa.
  • Schema del processo biologico di digestione anaerobica
  • Lo sviluppo della tecnologia in Italia • inizia alla fine degli anni ‘70 per esigenze ambientali (L. 10/05/1976 (L. Merli), L. 650/’79, etc…). Lo scopo principale che ci si riprometteva era risolvere l’impatto ambientale indotto dagli allevamenti intensivi (suinicoli soprattutto). • 1980 progetto di ricerca “Biogas” dell’E.R. (CRPA, ENEA, ENI, ENEL,Università). Costruzione di 5 impianti dimostrativi e 3 impianti sperimentali.
  • REGIONE EMILIA-ROMAGNA EMILIA- Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione Attività (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.) C.R.P.A.) PROGRAMMA DI RICERCA “PRODUZIONE E UTILIZZAZIONE DI ENERGIE INTEGRATIVE IN ZOOTECNIA” RELAZIONE FINALE (settembre 1986)
  • REGIONE EMILIA-ROMAGNA EMILIA- Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione Attività (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.) C.R.P.A.) CONCLUSIONI: La tecnologia del biogas, con le soluzioni impiantistiche attualmente proposte per i liquami zootecnici, non è conveniente dal punto di vista del recupero energetico. Per favorire ugualmente la diffusione della tecnologia si è sostenuto che alcuni vantaggi aggiuntivi possono modificare il bilancio, rendendolo positivo e quindi interessante per l’allevatore. Alcuni di questi presunti vantaggi si sono rilevati illusori, primo fra tutti la capacità di depurare i liquami. Il ricorso a stadi successivi per completare il trattamento depurativo si è rivelato non praticabile.
  • REGIONE EMILIA-ROMAGNA EMILIA- Dipartimento Attività Produttive Agricoltura e Alimentazione Attività (a cura del gruppo di lavoro coordinato dal C.R.P.A.) C.R.P.A.) CONCLUSIONI: Anche l’incremento del potere fertilizzante, tante volte sostenuto, è più teorico che reale. A causa delle pratiche agricole in uso nel nostro Paese, la trasformazione dell’azoto organico in azoto prontamente assimilabile rischia, anzi, di tradursi in uno svantaggio. Restano i benefici, non secondari, della riduzione degli odori e della carica patogena. C’è da chiedersi, però, se tali risultati giustificano gli elevati investimenti che un impianto biogas richiede e se non sia meglio conseguirli con tecnologie più semplici. Per esempio, tecnologie non preposte al recupero energetico quale il trattamento aerobico intermittente e a basso impegno di potenza, hanno costi di investimento di gran lunga inferiori e possono rendere l’operazione economicamente più conveniente.
  • La ricerca evidenzia: • La insufficiente efficienza depurativa della digestione anaerobica (tab. A, C - L. Merli). • L’inadeguatezza delle tecnologie utilizzate nell’industria (costose e complesse) per il settore zootecnico. • La necessità di incentivi che rendano conveniente “gestire” l’impianto (non solo contributi per la costruzione): > valorizzazione della energia prodotta • L’insufficiente contenuto energetico dei soli reflui zootecnici per giustificare il costo di impianti sofisticati.
  • • nel frattempo: - l’Utilizzazione Agronomica viene individuata come la soluzione da privilegiare per lo smaltimento degli effluenti zootecnici. - ciò rende nuovamente interessante la D.A. grazie alla sua valenza ambientale (stabilizzazione - riduzione odori - emissioni) a patto che i costi dell’impianto siano contenuti. - da qui lo sviluppo di tecnologie semplificate (a basso costo).
  • Schema di impianto di biogas semplificato, senza riscaldamento rotovaglio serbatoio di stoccaggio biogas agli utilizzi sistema galleggiante di raccolta gas frazione solida vasca di raccolta e sollevamento lagone o vasca di accumulo La produzione di metano ottenibile è di circa 15 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 25 m3/anno di biogas)
  • • nel frattempo: - la CIP6/92: premia la produzione di E.E. da fonti CIP6/92 rinnovabili e favorisce l’utilizzazione del biogas in cogenerazione - La disponibilità di calore risveglia l’interesse verso la mesofilia
  • Schema di impianto di biogas semplificato con riscaldamento sistema di copertura e raccolta biogas a singola o a doppia membrana rotovaglio biogas agli utilizzi frazione solida vasca di raccolta acqua calda e sollevamento energia elettrica biogas sistema di riscaldamento cogeneratore La produzione di metano ottenibile è di circa 21 m3/anno per 100 kg di peso vivo suino (circa 35 m3/anno di biogas)
  • SONO IMPIANTI CHE HANNO VALENZA PREVALENTEMENTE AMBIENTALE - controllo odori - riduzione emissioni di gas serra
  • 2002 - I certificati verdi (nel 2007 il 3,05% + 0,75/anno sino al 2012) Hanno consolidato l’interesse per la produzione di E.E. da F.R. …
  • … e sviluppato interesse per le esperienze tedesche ove si era notevolmente implementata la produzione di energia mediante l’aggiunta di biomassa agricola sino ad abbandonare l’attività zootecnica specializzando l’azienda nella produzione di Energia Elettrica
  • Le tecniche di digestione Le tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali: Digestione a secco (dry digestion), quando il substrato avviato a digestione ha un contenuto di solidi totali (ST) ≥ 30%; Digestione a umido (wet digestion), quando il substrato ha un contenuto di ST ≤ 10%. Processi con valori di secco intermedi (10 – 14% ST) vengono definiti processi a semisecco.
  • Le tecniche di digestione La digestione anaerobica può essere condotta o in condizioni mesofile (circa 35°C), con tempi di residenza di 25-30 giorni, o termofile (circa 55°C), con tempi di residenza inferiori ai 14 - 16 giorni. Con impianti semplificati è possibile operare anche in psicrofilia (10 - 25 °C), con tempi di residenza dell’ordine dei 60 giorni.
  • Impianti a umido - semisecco mesofili Sono impianti che operano in CODIGESTIONE: Liquami zootecnici + colture energetiche + scarti organici E’ una tecnologia squisitamente tedesca ove si sono realizzati (dal ‘98) più di 4000 impianti grazie agli incentivi previsti dalla normativa.
  • Esempio di digestore di seconda generazione… Fonte: http://www.biogas-thoeni.com/it
  • Biomasse e scarti organici avviabili a D.A. e loro resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili) Materiali m3 biogas/t SV Deiezioni animali (suini, bovini, avi- 200 - 500 cunicoli) Residui colturali (paglia, colletti 350 - 400 barbabietole..) Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e 400 - 800 reflui di distillerie, birrerie e cantine..) Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale ed 550 - 1000 intestinale, sangue, fanghi di flottazione…) Fanghi di depurazione 250 - 350 Frazione organica rifiuti urbani 400 - 600 Colture energetiche (mais, sorgo 550 - 750 zuccherino…)
  • Essenziale garantire condizioni di efficienza Realizzare un impianto biogas: aggiungere un allevamento di microrganismi con tutte le loro esigenze in termini ambientali ed alimentari La formulazione della razione, le modalità di somministrazione, il controllo di eventuali prodotti nocivi e delle condizioni ambientali sono essenziali. La gestione deve essere professionale e non … casuale!
  • La digestione anaerobica e la digestione del bovino
  • I requisiti di buona realizzazione Sufficiente coibentazione del digestore Sistema di riscaldamento idoneo a fornire il calore di termostatazione (35 – 40°C); Oblò di controllo; Mixer interno efficace; Alimentazione dei “maprov” direttamente nel digestore; Disponibilità di sufficiente stoccaggio del biogas; Sono comunque solo un prerequisito...
  • LA > O < PRODUZIONE DI BIOGAS E’ FUNZIONE DELLA CORRETTA ALIMENTAZIONE DEI MICRORGANISMI... …come per le bovine... - un passaggio rapido a dieta ricca in carboidrati e povera in fibra, si ha > quantità di acidi grassi con riduzione pH. (variare la dieta con fibra,diluire con acqua tiepida). - eccesso proteico, si ha > produzione di NH3 con aumento del pH (e dell’H2S…) (variare la dieta con una riduzione del tenore proteico, ricircolare il digestato). - formazione di schiume: sembrano dovute ad alimentazione discontinua e ad una inadatta formulazione della razione. (variare la dieta, utilizzare prodotti antischiuma,…)
  • I problemi legati ai più comuni errori alimentari possono comportare: - peggioramento della composizione del biogas, con diminuzione del Potere Calorifico ed aumento dell’azione corrosiva per la maggiore presenza di H2S - incompleta combustione della miscela gassosa nel motore del cogeneratore con riduzione del rendimento sino al suo fermo nei casi di maggiore gravità -formazione e diffusione di odori nauseabondi dalla borlanda a causa della eccessiva formazione di acidi grassi volatili, quali prodotti intermedi della fermentazione - possibile formazione di schiuma nel digestore - possibile collasso del processo con blocco della produzione di biogas
  • E’ INOLTRE IMPORTANTE: - evitare la presenza di sostanze inibitrici (esterne o endogene): ammoniaca, acido propionico, ioni nitrito e nitrato, sulfuri, solventi derivati del petrolio, cianuri, gli azotoidrati, i tensioattivi in genere, salinità eccessiva (> 30 g/l), metalli pesanti, ecc... - controllare i parametri analitici - nel digestore: pH, NH3, determinazione degli ac. grassi. - del gas: CH4, CO2, H2S
  • Il trattamento del biogas - essiccazione: nella condensa si concentrano pure NH3, H2S, polveri ed altre impurità. - desolforazione: • biologica (sulfobacter oxidans): - interna al digestore - esterna al digestore • chimica (+ FeCl3 o FeCl2): - interna al digestore - esterna al digestore - filtrazione finale su carboni attivi... e finalmente…
  • …alla cogenerazione - motori a gas rendimenti in Energia Elettrica 35 – 40 % circa - motori a diesel-gas (iniezione pilota) rendimenti in Energia Elettrica 39 – 44 % circa - turbine a gas rendimenti in Energia Elettrica 30 % circa …utilizzo Energia Termica!
  • Alcuni esempi: - Impianto per 100 vacche da latte e rimonta, potenza installata 35 KWel - Impianto per 300 vacche da latte, potenza installata 100 KWel - Impianto per 5.000 suini + biomassa, potenza installata 250 KWel - Impianto per 10.000 suini + biomassa, potenza installata 625 KWel - Impianto da 1 MWel (100 vacche da latte + biomassa)
  • All.to 5.000 capi da 100 vacche 300 vacche da TABELLA RIASSUNTIVA ingrasso + 3.000 t/y con rimonta latte maprov 250KWel Potenza elettrica installata (Kwel) 35 100 250 E.el netta prodotta (KWh/y) 240.000 720.000 1.805.000 Digestori (n°/m³) 1 x 350 m³ 1 x 1.200 m³ 1 x 2.450 m³ Costo impianto (€) 300.000,00 700.000,00 1.400.000,00 Costo impianto (€/KW) 8.600,00 7.000,00 5.600,00 Amm.to 15 anni - i=5% (€/y) 29.000,00 67.500,00 135.000,00 COSTI DI GESTIONE Lavoro+manutenzioni+ autoconsumi 20.250,00 41.700,00 209.000,00 RICAVI Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 22 52.800,00 158.400,00 397.100,00 Risultato di gestione 3.550,00 49.200,00 53.100,00 pbt (y) 9,2 6,0 7,4 Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 28 67.200,00 201.600,00 505.400,00 Risultato di gestione 17.950,00 92.400,00 161.400,00 pbt (y) 6,4 4,4 4,7
  • All.to 10.000 capi da All.to 100 vacche da latte + TABELLA RIASSUNTIVA ingrasso + 8.500 t/y 18.250 t/y maprov 1000 maprov 625 KWel KWel Potenza elettrica installata (Kwel) 625 1000 E.el netta prodotta (KWh/y) 4.512.500 7.720.000 Digestori (n°/m³) 2 x 2.500 m³ 2 x 2.300 m³ / 1 x 2.600 Costo impianto (€) 3.000.000,00 4.050.000,00 Costo impianto (€/KW) 4.800,00 4.050,00 Amm.to 15 anni - i=5% (€/y) 289.000,00 400.000,00 COSTI DI GESTIONE Lavoro+manutenzioni+ autoconsumi 538.000,00 925.000,00 RICAVI Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 22 992.750,00 1.698.400,00 Risultato di gestione 165.750,00 373.400,00 pbt (y) 6,6 5,2 Tariffa unica omnicomprensiva €cent/KWh 28 1.263.500,00 2.161.600,00 Risultato di gestione 436.500,00 836.600,00 pbt (y) 4,1 3,3 Tipologia impiantistica e gestione Ma attenzione!! rivestono un ruolo fondamentale
  • Vanno inoltre considerati: - il miglioramento dell’impatto ambientale: - controllo degli odori; - fluidificazione del liquame con miglioramento della distribuzione; - riduzione delle emissioni di gas serra ( ~ 13 kg di CO2 / m3 biogas utilizzato); - energia disponibile a costo ridotto per eseguire i trattamenti di riduzione del carico azotato dei liquami zootecnici.
  • I POSSIBILI SVILUPPI DEL SETTORE - la destinazione “energetica” della SAU richiede grandi superfici. (1 ha 3,5 – 5 kW di potenza elettrica) - la distanza SAU-impianto deve essere limitata - competizione con la destinazione alimentare - utilizzo dei sottoprodotti = vera risorsa economica-ambientale
  • Conclusioni … molto diverse da quelle di 22 anni fa! è infatti prevedibile una notevole diffusione di tali impianti se: - sarà mantenuta negli anni la incentivazione per la produzione di E. el. da fonte rinnovabile - saranno meglio coordinati i vari Enti coinvolti nelle procedure autorizzative - sarà più chiaramente regolamentato e semplificato l’utilizzo dei sottoprodotti agricoli e dell’agroindustria
  • Conclusioni - se si svilupperanno tipologie integrate di trattamento in grado di contribuire al recupero del corretto rapporto Azoto/SAU - auspicabile per uno sviluppo di tecnologie italiane una diversificazione della normativa che premi l’innovazione tecnologica
  • Grazie per l’attenzione! e-mail: pierluigi.navarotto@unimi.it