R ISULTATI DELL ’ ATTIVITÀ

a. Sviluppo dei sistemi di produzione di biocombustibili

Le attività relative a questo obiettivo hanno riguardato in particolare:

 lo sviluppo di software dedicato (Piattaforma Web A.I.D.A.) per valutazioni di prefattibilità economica di impianti di cogenerazione a biogas e, in prospettiva, mediante gassificazione di biomasse lignocellulosiche;  i processi di digestione anaerobica alimentati con diverse miscele di matrici organiche, inclusi substrati ad

elevato contenuto di materiale lignocellulosico e colture algali, anche per incrementarne la produzione in metano e/o idrogeno;

 i processi di produzione di microalghe con il trattamento e il condizionamento della frazione liquida del digestato;

 la produzione di syngas mediante gassificazione di biomasse ad elevato contenuto di umidità con acqua in condizioni supercritiche (SCW).

a.1 Aggiornamento e implementazione della piattaforma Web A.I.D.A.

L’attività iniziata a partire dal trasferimento della piattaforma sul server ENEA della Casaccia, avvenuta a settembre 2012, ha comportato:

 ulteriori verifiche e test di funzionalità della piattaforma;

 verifica e controllo dei risultati di calcolo tramite simulazioni diversificate;

 raccolta di indicazioni e suggerimenti da utenti selezionati per modifiche e/o integrazioni;  risoluzione di errori di visualizzazione e calcolo;

 inserimento di nuove funzionalità ed informazioni per l’utenza.

Dopo trasferimento della piattaforma Web A.I.D.A. presso sul server ENEA è iniziata una fase di test e di collaudo tecnico a cura dell’ENEA e del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Napoli Federico II al fine di monitorare la funzionalità della stessa [rapporto RdS/2013/280].

Nel dicembre 2012 è stato organizzato un seminario “A.I.D.A. uno strumento web per l’analisi di fattibilità di impianti a biomasse” presso ENEA Casaccia per diffondere ai tecnici e ricercatori ENEA esperti del settore i risultati ottenuti e le prestazioni del sistema implementato ed i partecipanti sono stati invitati a far pervenire osservazioni e consigli per migliorare il servizio offerto.

Dai riscontri pervenuti e dalle simulazioni numeriche eseguite per testare la piattaforma online è stato individuato un elenco di aggiornamenti da effettuare distinti per 3 tipologie di categorie cui è stato associato un diverso grado di priorità:

 verifica del calcolo e dei risultati numerici a video;  verifica delle funzionalità del software;

 verifica di usabilità. Queste ultime hanno comportato:

 inserimento di nuove voci di glossario;

 inserimento sezione “contatti” e sezione “aggiornamenti”;

 inserimento sezione “Visualizzazione” con informazioni su compatibilità, ottimizzazione, software con il quale è stato realizzato.

Successivamente, lo strumento software è stato ulteriormente implementato mediante:

1. modifiche e controlli sul calcolo della producibilità di biogas da FORSU in associazione ad altre biomasse; 2. modifiche di alcune variabili di calcolo e semplificazione di alcuni passaggi;

3. valutazione della possibilità di apportare modifiche più ampie al fine di consentire di salvare i dati di input inseriti dall’utente;

4. aggiornamento ed ampliamento database matrici fermentescibili.

In Figura 83 è mostrata la schermata Web della piattaforma (http://aida.casaccia.enea.it/ida/default.asp). Sono evidenziate alcune voci nuove della finestra “info” recentemente ampliate. Per alcune delle attività sopra elencate (2, 3) è stato valutato e pianificato il lavoro da svolgere in termini di entità di impegno in quanto alcune richiedono, se saranno ritenute necessarie e desiderate dall’utenza, una modifica profonda di alcuni parti dell’architettura del software che necessita di una riscrittura di parti consistenti del codice software della piattaforma.

E’ stato avviato e realizzato l’aggiornamento del calcolo del potenziale territoriale di alcune biomasse residuali lignocellulosiche al fine di fornire agli utenti informazioni circa l’evoluzione del potenziale lordo e disponibile di biomasse. L’analisi è stata realizzata per le biomasse residuali agricole erbacee ed arboree ed i risultati sono stati prodotti e resi disponibili sul sito di AIDA come mappe e set di tabelle di dati regionali basati sui dati statistici ISTAT 2011. Il calcolo è stato realizzato tramite la medesima metodologia di calcolo esplicitata nel progetto “Atlante nazionale delle biomasse”. Tale

aggiornamento in un’ottica di servizio all’utenza dovrebbe essere reso continuo e realizzato, per tutte le biomasse comprese originariamente in Atlante, con un maggior dettaglio a scala territoriale.

a.2 Sperimentazione su impianto pilota di processi di codigestione di differenti miscele di matrici organiche

Sperimentazione della produzione di biogas con l’impianto pilota DMM6000

Nel corso della presente annualità è stato completata la realizzazione della linea sperimentale per l’alimentazione del digestore modulare mobile da 6 m3 (DMM6000), collocato presso il Centro Ricerche ENEA della Casaccia nel corso dell’annualità precedente, la misurazione dei volumi di biogas prodotto e l’analisi della sua composizione. Il sistema è stato realizzato con un elevato grado di automazione per permettere la gestione dell’impianto pilota 24 h su 24 h.

Di conseguenza, è stato possibile mettere in funzione l’impianto, alimentandolo con rifiuti organici provenienti dalla mensa del Centro, ed avviare il processo di digestione anaerobica della biomassa, ricavandone i primi dati sperimentali [rapporto RdS 2013/277].

Il DMM6000, in grado di produrre fino a 500 litri/ora di biogas, è stato sviluppato con l’obiettivo di effettuare sperimentazioni con mix innovativi di biomasse e/o di batteri e provare, testandone l’efficacia con una alimentazione costituita da biogas reale, diversi processi e tecnologie di clean-up e di upgrading, in modo da ottenere un biocombustibile gassoso “pulito”, utilizzabile per la generazione di energia elettrica o per alimentare sistemi per la produzione di biometano.

Per la realizzazione e messa in funzione dell’impianto pilota di digestione anaerobica, sono state definite alcune sezioni di impianto che svolgono operazioni specifiche sul materiale di alimentazione o in uscita dal processo. In particolare, sono state individuate:

1. una sezione di lavorazione del materiale grezzo (preliminarmente costituito dagli scarti alimentari della mensa del Centro ENEA della Casaccia) che deve produrre una miscela acquosa, con solidi sospesi e finemente triturati;

2. una sezione di accumulo, termostatazione ed omogeneizzazione della soluzione organica acquosa prodotta; 3. una sezione di carico automatizzata dell’alimentazione organica;

4. il digestore DMM6000, completo della relativa guardia idraulica;

5. il sistema di misura del biogas prodotto (temperatura, portata, composizione); 6. il sistema di trattamento del biogas (deumidificazione, desolforazione, up-grading).

L’attività svolta ha riguardato l’installazione della linea di alimentazione e la messa in esercizio del digestore, e quindi le sezioni progettate e realizzate sono quelle che vanno dalla 1 alla 5.

La biomassa grezza viene caricata in una tramoggia realizzata in acciaio inox, con una bocca di carico di 70 x 60 cm ed un foro di uscita in basso del diametro di 40 mm, cui è stato collegato un trituratore di tipo domestico. Le prove preliminari hanno dimostrato che per produrre quantitativi rilevanti (dai 100 litri/giorno in su) di una miscela di carica omogenea sarà necessario pretrattare in loco la biomassa con un trituratore industriale, così da alimentare il trituratore già installato con del materiale già parzialmente sminuzzato in modo da evitare di sottoporlo ad uno sforzo eccessivo. Durante la triturazione viene aggiunta una quantità di acqua tale da ottenere la concentrazione di materiale solido richiesta.

Il materiale, che si accumula in un serbatoio di alimentazione, costituito da un cubo di 1 m di lato (capacità utile circa 1.000 litri) realizzato in materiale plastico rinforzato con nervature metalliche per permetterne la movimentazione coi mezzi specializzati, è mantenuto ad una temperatura prefissata, così da rallentare la

fermentazione aerobica esterna al digestore. Una pompa ad immersione è posta nel serbatoio per movimentare la miscela e renderla quanto più omogenea possibile ed evitare la stratificazione del materiale.

Per il caricamento al digestore è sufficiente azionate la pompa di carico, che aspira la soluzione attraverso una valvola a tre vie e la fa passare attraverso una valvola di non ritorno, posta sulla linea di alimentazione allo scopo di impedire che la pressione all’interno del digestori provochi ritorni di liquido al serbatoio.

Il trituratore è attivabile mediante un apposito interruttore, mentre dal quadro elettrico fornito con il digestore, opportunamente modificato, è possibile attivare, oltre ai sistemi di gestione del digestore, anche la pompa ad immersione e quella di carico.

Di fatto, il sistema di gestione della soluzione di carico e dell’acqua a valle del serbatoio di alimentazione è un po’ più complesso per permettere varie operazioni utili all’esercizio del sistema (riciclo della miscela con la pompa esterna, invio di acqua nel serbatoio, utilizzo diretto dell’acqua, lavaggio della pompa, scarico esterno della miscela dal serbatoio). In particolare, a valle della pompa è stata inserita una valvola di sovrappressione, per proteggere la pompa stessa nel caso che la valvola di ingresso del digestore fosse tenuta inavvertitamente chiusa. La miscela di alimentazione è caricata nel

digestore DMM6000 (Figura 84), dove avviene la fermentazione anaerobica con produzione di biogas e digestato.

Il digestore consiste di un serbatoio coibentato, riscaldato elettricamente con un circuito ausiliario ad acqua, e nel cui interno la biomassa è movimentata da un agitatore. Oltre alla valvola di ingresso è predisposta una valvola di scarico nella parte più bassa, per permettere il completo svuotamento del serbatoio. Sul fianco sono installati tre misuratori di temperatura e tre valvole per il prelievo di biomassa.

Il biogas, raccolto nella parte alta del digestore, è convogliato mediante tubazione nella sottostante guardia idraulica, utile a mantenere stabile la pressione nel serbatoio. La guardia idraulica è

costituita da un cilindro di acciaio inossidabile avente diametro 27 cm ed altezza complessiva pari a 60 cm. La quota utile di controllo del livello del liquido all’interno del serbatoio è di 50 cm. La guardia idraulica è dotata di indicatore di livello a vista tramite tubicino di vetro comunicante con l’interno dell’apparecchiatura, di bocchelli laterali per ingresso e uscita acqua e di bocchelli per entrata e uscita del gas proveniente dal digestore, posizionati sulla flangia superiore.

Sulla linea di ingresso ed uscita dalla guardia idraulica sono state inseriti alcuni strumenti utili alla caratterizzazione del gas prodotto (misurazione di pressione, temperatura, concentrazione e portata del gas uscente dal digestore), che costituiscono la sezione 5 dell’impianto. A valle della sezione di misura il gas è al momento scaricato direttamente in atmosfera. La sezione di trattamento del biogas (sezione 6) sarà progettata e realizzata in una fase successiva del progetto.

La messa in esercizio del digestore DMM6000 è stata effettuata ponendosi nelle condizioni operative indicate dal costruttore al fine di individuare una condizione di lavoro stabile e di riferimento per le prove successive. In particolare, la temperatura del riscaldamento del digestore, la cui misura è rilevata da una termocoppia posta nella parte inferiore del serbatoio, è stata fissata al valore di 37 °C, tipica della digestione anaerobica mesofilica. L’altro parametro della gestione del DMM6000 è la frequenza e durata dell’attivazione del miscelatore che è stata fissata, mediante il timer interno presente nel quadro di controllo, per una movimentazione della biomassa della durata di 2 min ogni 5 min.

Per quanto riguarda la gestione dell’alimentazione della biomassa nel digestore, i tempi e la frequenza di alimentazione sono stati fissati con la logica di alimentare in maniera continua una quantità limitata di biomassa (al fine di ridurre i tempi della lavorazione, attualmente manuale, dei residui alimentari forniti dalla mensa della Casaccia). Si è così stabilito di alimentare il digestore ogni 6 ore per 15 secondi, così da avere un quantitativo giornaliero di 26 litri (portata nominale della pompa).

Infine l’azione di rimescolamento nel serbatoio di carico, dopo alcune prove tese ad individuare il numero minimo di azionamenti (così da ridurre l’effetto negativo dell’aereazione della biomassa, ma cercando di mantenere una

miscela quanto più omogenea possibile), ha portato ad alimentare la pompa ad immersione per 5 min ogni 90 min.

In Tabella 21 sono riportati i parametri di regolazione del processo di digestione, eventualmente da modificare nel corso di successive sperimentazioni per studiarne l’effetto sul processo fermentativo.

Tabella 21. Parametri di regolazione del processo di DA nel digestore DMM6000

Parametro valore

Temperatura del riscaldamento del digestore 37 °C

Miscelatore: durata e frequenza 2 min ogni 5 min

Alimentazione della biomassa (26 l/min): durata e frequenza 15 s ogni 6 h Rimescolamento nel serbatoio di carico: durata e frequenza 5 min ogni 90 min

Il biogas prodotto dal digestore, attualmente analizzato prelevandone periodicamente campioni mediante gas bag e sottoponendoli ad analisi strumentali in laboratorio, sarà in futuro inviato, dopo essere stato opportunamente condizionato, ad uno strumento analitico “on line” per determinarne la composizione e studiare come questa vari al variare della qualità di alimentazione del digestore e delle condizioni di processo.

Uno strumento di analisi biogas è composto da diverse celle di misura, una per ogni componente del biogas, quindi essenzialmente una per CH4, una per CO2, una per O2 ed una per H2S. Opzionali sono quella per la misura di H2, CO ed NH3. Le due celle per la misura di CH4 e CO2 sono celle dotate di rivelatori ad infrarossi (NDIR), mentre quelle per la lettura di O2 e H2S sono celle elettrochimiche (EC).

Prima di arrivare alle celle di misura, il biogas deve essere condizionato per eliminare l’umidità tramite filtri o, in caso di gas saturo, tramite un chiller a cella peltier. Completano lo strumento due pompe, una per il campionamento e una per la rimozione della condensa. Sono opzionali diversi sensori per determinare le condizioni operative del gas, un sensore (ed eventualmente regolatore) di pressione, un sensore di temperatura e di portata. Lo strumento deve essere calibrato per i diversi gas di interesse. Il sistema di analisi del biogas è stato acquisito.

La prima campagna sperimentale con il DMM6000 è stata avviata utilizzando un inoculo misto proveniente da due diversi impianti di fermentazione anaerobica: una parte, circa 2 m3, da un altro impianto sperimentale della stessa tipologia utilizzato, dalla fine del 2012 e durante i primi mesi del 2013, per la sperimentazione su scala pilota della produzione di biogas da colture di topinambur (attività descritta in dettaglio nelle pagine seguenti), ed altri 2 m3 dal primo stadio di un impianto di biogas alimentato a deiezioni animali e scarti vegetali in funzione presso un’azienda agricola di Nepi (VT).

La biomassa per l’alimentazione utilizzata in questa prima fase di avvio è costituita da scarti organici (FORSU) provenienti dalla mensa del Centro Casaccia. Il materiale prima di ogni carico viene pesato, sottoposto a macinazione, con contemporanea aggiunta di

una quantità equivalente di acqua di rete, e stoccato in un contenitore. La quantità della sostanza secca nella biomassa iniziale variava tra il 16 e il 25% in peso.

La sostanza secca presente nel serbatoio di alimentazione oscilla tra il 4,1 e l’8,9%, come mostrato nel grafico in Figura 85. La deter- minazione della sostanza secca viene fatta per perdita di peso, riscaldando un campione di biomassa a 105 °C per 24 ore.

In questa prima fase di avvio, per consentire un’adeguata acclimatazione della biomassa microbica, si è alimentato il DMM6000 con una

quantità minima di substrato, tale da determinare un tempo di ritenzione molto lungo. Periodicamente è stato misurato il rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC) nel digestato per verificare il regolare andamento del processo di fermentazione. L’acidità è misurata in mg di acido acetico equivalente e l’alcalinità in mg di carbonato di calcio per litro. Valori di 0,3-0,5 indicano un buon processo fermentativo in corso, valori inferiori a 0,2 indicano un carico

Figura 85. Contenuto di sostanza secca nell’alimentazione dell’impianto

organico troppo basso. I valori misurati sono stati costantemente minori di 0,15, confermando le condizioni di sottoalimentazione del digestore. La produzione di biogas è stata costantemente monitorata. In Figura 86 è riportata la velocità di produzione del biogas espressa in litri/minuto. Sono state effettuate analisi del biogas, che hanno confermato la presenza di metano ed anidride carbonica. Nel grafico riportato in Figura 87 sono riportate le concentrazioni di metano e CO2 espresse in percentuale in volume del gas. Le elevate percentuali di metano indicano

chiaramente che il processo è nella fase di start-up. A regime, la quantità di metano nel biogas dovrebbe attestarsi tra il 55 e il 65% in volume.

Figura 87. Composizione del biogas prodotto

Il lavoro svolto nell’ambito della presente linea di attività nel corso nell’annualità è consistito principalmente nella progettazione, realizzazione e allestimento dell’apparato sperimentale necessario alla messa in esercizio dell’impianto pilota DMM6000, con l’obiettivo di realizzare una piattaforma sperimentale integrata caratterizzata da un elevato grado di automazione, in grado di assicurare il funzionamento del sistema 24 ore su 24.

Le analisi del biogas e della biomassa in fermentazione evidenziano che, alle condizioni operative date, il processo si sta consolidando. Una volta raggiunto, con incrementi programmati della sostanza secca alimentante, lo stato stazionario, il sistema sarà pienamente funzionante e utilizzabile per future attività di ricerca e sviluppo di innovazione tecnologica sulla produzione e l’upgrading del biogas.

Produzione di biogas da colture di topinambur

Fra le attività da svolgere nell’ambito del PAR 2012 sui sistemi di produzione di biocombustibili, era prevista la sperimentazione sull’impianto pilota DMM6000 di processi di codigestione anaerobica di differenti miscele di matrici organiche fra cui, per il notevole interesse nell’ottica del recupero e riqualificazione produttiva di terreni agricoli abbandonati e, più in generale, terreni marginali e/o degradati, biomasse prodotte da colture dedicate no-food, con particolare riferimento al topinambur (Heliantus tuberosus L.).

Di conseguenza, l’attività proposta prevedeva l’uso della biomassa proveniente da prove colturali realizzate dall’ENEA nell’ambito di altri programmi di ricerca sulla coltivazione e conservazione del topinambur (parte aerea, sottoposta ad essiccazione naturale o insilata, previa triturazione, in modo analogo a quanto comunemente fatto con il mais) al fine di verificarne l’idoneità all’impiego per l’alimentazione di un impianto pilota di taglia significativa per la produzione di biogas, evidenziando e superando i problemi posti da un simile passaggio di scala rispetto alle prove di biometanazione e fermentazione in reattori di laboratorio, che avevano peraltro dato risultati molto positivi.

L’indisponibilità dell’impianto pilota DMM6000 per la realizzazione di una campagna sperimentale di durata significativa, hanno portato alla decisione di utilizzare per le suddette prove un altro impianto, denominato DMM2000, più piccolo di quello collocato presso il Centro ENEA della Casaccia, ma del tutto analogo a questo per tipologia e modalità di funzionamento, che era stato precedentemente collocato dall’ENEA presso la discarica di Cupinoro (Bracciano, Roma) per la realizzazione di prove sperimentali di produzione di biogas da FORSU.

L’impianto in oggetto, realizzato precedentemente al DMM6000 e utilizzato a suo tempo come modello per la progettazione e realizzazione di quest’ultimo, ha un volume utile di 2 m3 ed opera con un processo “ad umido” (come la maggior parte dei digestori anaerobici attualmente in funzione in

Italia e in Europa), cioè con un contenuto di sostanza secca nell’alimentazione inferiore al 10% in peso, ed è in grado di produrre oltre 150 litri/ora di biogas. Essendo dotato, come il DMM6000, di un circuito esterno autonomo di termostatazione, è in grado di operare sia in mesofilia che in temofilia. Una foto dell’impianto è riportata in Figura 88. La biomassa in alimentazione deve essere preventivamente triturata ed omogeneizzata con acqua prima di procedere all’immissione nell’impianto. Il corpo del digestore è dotato di 3 termocoppie per il controllo della temperatura, poste a varie altezze rispetto al livello del contenuto, di cui una è collegata tramite PLC al sistema di termostatazione a camicia di fluido riscaldato. Sono presenti inoltre tre punti di prelievo del campione in corrispondenza delle termocoppie. Nel fondo del digestore sono posizionati il motore dell’albero dell’agitatore interno e due valvole a saracinesca utilizzate per l’immissione dell’alimentazione e per lo svuotamento del DMM2000. Il biogas fuoriesce da una bocchetta posta nella parte superiore del digestore e, dopo essere convogliato in un sistema di guardia idraulica per garantire l’assenza di contatto con l’atmosfera, passa in un contatore volumetrico per la misura.

La campagna sperimentale [rapporto RdS/2013/123] avviata nel mese di novembre 2012, è stata realizzata utilizzando come biomassa fusti di topinambur provenienti da prove colturali realizzate dall’ENEA presso lo stesso sito di Cupinoro. Una miscela della parte aerea di 8 diverse varietà di topinambur, raccolta nella fase di maggiore accumulo di zuccheri (e lasciando i tuberi in campo per la produzione dell’anno successivo) è stata triturata con un trituratore in grado di ridurre il materiale secco alle dimensioni di circa 1 cm, dimensione ritenuta sufficiente per l’impiego diretto, o, tramite passaggi successivi, in frammenti di dimensioni più ridotte.

La laboriosità della fase di preparazione della razione ha fatto sì che il digestore venisse alimentato a giorni alterni, e ogni 3 4 giorni in occasione dei fine settimana e/o di festività. Questo regime di alimentazione, unito ad alcuni