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Dott. Agr. Antonio Primante
Biogas da sottoprodotti: matrici alternative e
ottimizzazione del processo
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Impianti a biogas: la situazione in Italia
Assistenza tecnica e controllo del processo biologico
Analisi di casi studio
Pollina negli impianti a silomais: presentazione del brevetto
La gestione dell’impiantodi digestione anaerobica
alimentato con sottoprodotti
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Impianti a biogas: la situazione in
Italia
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In Italia vi sono circa 1’360 impianti biogas agro-zootecnici, lamaggior parte dei quali in esercizio nel Nord Italia ecaratterizzati da un’alimentazione basata su silomais o altrebiomasse dedicate.
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Fonte dati: Terna
85%
IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA
Censimento degli impianti: numeri e ubicazione
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Fonte dati: Terna
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IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA
Censimento degli impianti: potenza installata
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Disponibilità di biomasse residuali in Italia
• Effluenti zootecnici: 129’000’000 t/a
• Scarti agro-industriali: 5’000’000 t/a
• Residui colturali cellulosici: 6’400’000 tST/a• Scarti macellazione: 2’000’000 t/a• Fanghi depurazione: 3’500’000 t/a• FORSU: 10’000’000 t/a• Colture energetiche da set-aside: 400’000 ha
Fonte dati: CRPA
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In Italia, la produzione potenziale stimata di biogas da residuiorganici equivale a circa 8 miliardi m3 CH4 all’anno che èdell’ordine di grandezza della produzione nazionale di gasfossile.
IMPIANTI A BIOGAS: LA SITUAZIONE IN ITALIA
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Assistenza Tecnica e Controllo del
Processo Biologico
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Malfunzionamento impianti biogas
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Problematiche alla cogenerazioneASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Biogas ≠ Gasolio ≠ Metano
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I depositi che si formano nella scambiatori di calore abbassano la conducibilità termica ed incrementano la resistenza al flusso dei gas di scarico. La riduzione della conducibilità diminuisce il rendimento termico del motore, l’aumento della contropressione dei gas di scarico riduce la potenza meccanica e conseguentemente quella elettrica del cogeneratore
ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Il carico dei materiali solidi rappresenta una grossa problematica a causa della variazione nel contenuto di acqua, fibre, pezzatura ecc.
Malfunzionamento sistemi di carico
Un’altra causa frequente di problemi è determinata dalla presenza di corpi estranei nella biomassa.
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Sistemi di miscelazione
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Finalizzato ad individuare gli di interventi necessari a mantenere in efficienza l’impianto ed a ridurre in maniera drastica i tempi di fermata dello stesso. Inoltre ha il compito di adeguare e, se possibile, migliorare costantemente componenti di impianto per perseguire risparmi di carattere energetico ed economico.
La manutenzione può essere articolata in tre distinte attività:
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PIANO DI MANUTENZIONE
STRAORDINARIAORDINARIAPROGRAMMATA
ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Malfunzionamento impianti biogas
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
La ricerca condotta in Germania nel 2008 su un campione di 31 impianti ha dimostrato che il controllo del processo risulta la
quinta causa principale di malfunzionamento
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Ipotizzando una problema al processo biologico che porta ad una riduzione della potenza prodotta del 50 % per 1 mese:
perdita per mancata produzione EE:
999 * 22 * 30 * 0.28 * 50% = 92’307 €
risparmio per minor alimentazione all’impianto:
55 * 30 * 30 * 50% = 24’750 €
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Problemi nel processo biologicoA differenza dei problemi tecnici, che in genere possono essere risolti abbastanza velocemente, i problemi di processo possono causare perdite di produzione di notevole entità e lunga durata.
65’000€/meseperdita netta
ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Problemi nel processo biologico
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In questo impianto, nel corso di una attività di monitoraggio prevista per un progetto di ricerca, si è verificato un repentino calo della produzione elettrica che si è protratto per circa 2÷3 mesi. La riduzione è stata causata da un eccesso di carico organico (rosso verde invertiti).
ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Processo biologico
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Senza la conoscenza relativa alle caratteristiche dei substrati utilizzati e dei parametri di processo, il digestore rimane una
“BLACK BOX“
Trattare sottoprodotti in un digestore normalmente alimentato con colture cerealicole significa necessariamente dover disporre di sistemi di gestione più avanzati e di nuove competenze.
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La determinazione dei parametri di processo è una condizione necessaria ma non sufficiente al controllo ed all’ottimizzazione del processo.
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BiomassaS.O.S.!
3. ACCUMULO DI PRODOTTI DI
DEGRADAZIONE
1. CONDIZIONI DI PROCESSO NON OTTIMALI DOVUTE A PROBLEMI TECNICI
CONTAMINANTI(antibiotici, disinfettanti, muffe)
COMPOSTI NATURALI SECONDARI(es. oli essenziali, composti dello zolfo)
2. SUBSTRATI CONTENENTI SOSTANZE INIBENTI Biomassa
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Possibili problematiche di processoASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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L’H2S contenuto nel biogas determina la produzione di acido solforico (H2SO4) nel cogeneratore.
Se i gas di scarico vengono raffreddati al di sotto del punto di rugiada avviene l’acido condensa corrodendo gli scambiatori di calore ed il piping dei gas di scarico.
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Limitare la concentrazione H2S nel biogas
Corrosione da acido solforicoPunto di rugiada dell’acido solforico
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Limitare la concentrazione NH3 nel biogas
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NH3 (ppm)
INIZIO FASE 1 INIZIO FASE 2
Dati da analisi composizione biogas (progetto PREA) - Fonte: RES
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PIANO DI MONITORAGGIO
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I principali parametri da analizzare sono:
Caratterizzazione delle matrici in ingresso, dei fanghi in digestione e del digestato
ST, SV, micro e macro nutrienti, inibenti
Carico organico e capacità di trattamento
carico organico giornaliero, OLR, DML
Efficienza degradativa
produzione residuale, riduzione dei SV, bilancio di massa
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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PIANO DI MONITORAGGIOBilancio di massa
SVIn ≈ SVBiogas + SVDig
Matriciin ingresso
Digestato in uscita
Biogas
Portata gas Composizione gas
SVIn
SVBiogas
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
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Produzione quali-quantitativa di biogas
portata, composizione (CH4, CO2, O2, H2S, NH3)
Stabilità del processo
temperatura, pH, FOS/TAC
Valorizzazione del biogas
quantità di gas utilizzata, produzione di EE netta, ore di funzionamento, EE immessa in rete.
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ASSISTENZA TECNICA E CONTROLLO DEL PROCESSO BIOLOGICO
PIANO DI MONITORAGGIO
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Analisi di casi studio
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Matrici in ingresso Digestato
Biogas
Reattore completamente miscelato (CSTR)
Biogas da industria agrumariaANALISI DI CASI STUDIO
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Implementazione e messa a regime di un Piano di Monitoraggio
Sopralluogo periodico per verifica funzionalità componenti, campionamento matrici, coordinamento attività di gestione interna
Gestione del riscaldamento con lance di vapore e aggiunta scambiatore esterno su ricircolo dei fanghi
Fornitura analizzatore biogas portatile
Gestione giornaliera dell’alimentazione ai due reattori e dei ricircoli
Coordinamento con processi di flottazione e ossidazione aerobica
Ricerca, validazione e dosaggio di un materiale finalizzato a limitare gli effetti inibenti degli oli essenziali
ANALISI DI CASI STUDIO
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Interventi di AT e CPB
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ANALISI DI CASI STUDIO
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Revamping depuratore liquami suinicoli
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Reattore plug-flow semplificato
ANALISI DI CASI STUDIO
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Revamping depuratore liquami suinicoli
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Pollina negli impianti a silomais:
presentazione del brevetto
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Pollina in co-digestione con liquame suinicolo in miscela 1:1 (R.E.S.P.A.C. 2003-2004)
Co-digestione di biomasse dedicate (sorgo e medica) con valutazione di diversi sistemi di pretrattamento e test di separazione solido-liquido con relativa caratterizzazioneagronomica (P.R.E.A. 2006-2007)
Co-digestione HSAD di FORSU e fanghi di depurazionedisidratati, pretrattamento tramite estrusione(FOR-BIOGAS 2008-2009)
Test in continuo con paglia pellettata e successiva co-digestione con scarti da lavorazione carciofo (2015)
Attività sperimentali condotte conImpianto Pilota RES
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POLLINA NEGLI IMPIANTI A SILOMAIS
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30/03/2016
Nell’arte nota queste biomasse possono essere valorizzate attraverso la D.A. sfruttando singolarmente o in maniera combinata, diverse strategie per limitare gli effetti batteriostatici dell’ammoniaca:
diluizione con acqua: è stata applicata già dagli anni ’80 e porta a produrre enormi quantitativi di digestato aumentando le problematiche relative allo stoccaggio e spandimento delle deiezioni
acclimatazione dei microrganismi: con il tempo (anni) si sviluppano microrganismi adatti ad operare a concentrazioni di ammoniaca libera molto più elevate rispetto a quelle normalmente ritenute inibenti (1’500÷2’500 mg/l)
co-digestione: le deiezioni avicole possono essere trattate con altre matrici in modo da bilanciare l’elevato carico di azoto presente (aumentare il rapporto C/N)
strippaggio dell’ammoniaca: comporta la produzione di solfato ammonico che può costituire un valido fertilizzante.
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D.A. delle deiezioni avicole
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30/03/2016
Si stima, per ogni MW elettrico installato, un consumo annuo di mais equivalente pari a ca. 20’000 t/anno
Pertanto si è stimato un consumo complessivo di mais pari a ca. 7’500’000 t/anno
Negli impianti a silomais è possibile sostituire almeno il 10 % (-750’000 t) del mais con altre matrici?
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Fonte dati: Terna
Inquadramento attuale
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30/03/2016
Molti impianti hanno già ottenuto l’autorizzazione ad impiegare percentuali variabili tra il 10 ed il 20 % di deiezioni avicole e quotidianamente usano queste matrici ormai da diversi mesi ma emergono i primi dubbi:
• Qual è la concentrazione di ammoniaca nel biogas?
• Riesco a rispettare il limite di 10 ppm di NH3 prescritto dal fornitore del cogeneratore?
• La concentrazione di azoto ammoniacale sta aumentando, la resa in biogas del silomais è rimasta costante?
• Le emissioni di ammoniaca dagli stoccaggi potrebbero provocare problemi di odori?
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Problematiche aperte
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30/03/2016
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Co-digestione con sottoprodotti cellulosici
Paglia trinciata
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Paglia dopo la lisi
Pellet di paglia
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30/03/201635
Valorizzazione di deiezioni avicole e sottoprodotti attraverso un processo industriale articolato in:
disidratazione con recupero di sali di ammonio
miscelazione delle matrici disidratate con sottoprodotti lignocellulosici
pellettizzazione delle miscele formulate.
Formulazione e sviluppo di nuove linee/filiere di prodotto:
1. Pellet per impianti biogas
2. Pellet fertilizzante
3. Agripellet per caldaie a biomassa.
Processo modulare, replicabile e versatile (3 diversimercati di riferimento)
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Elementi chiave del brevetto
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30/03/201636
- Sfruttare i potenziali attuali e futuri del mercato del biogas/biometano
- Sostituire parte del silomais con sottoprodotti anche in impianti molto distanti dagli allevamenti avicoli
- Ridurre spandimento (il pellet genera ca. il 50 % in meno di digestato per ogni t di silomais sostituito)
- Valorizzare matrici ancora disponibili a basso costo e con elevato potenziale metanigeno
- Semplificare procedure autorizzative (no stoccaggio/trasporto pollina grezza)
- Riserva di sicurezza per far fronte a raccolti scarsi
- Evitare inibizione da accumulo di NH3
- Evitare problemi su cogeneratore causati dall’NH3
- Ridurre emissioni di ammoniaca da vasca finale
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Benefici del nuovo approccio
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