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da miscele di residui

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Academic year: 2021

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Testo completo

(1)

Produzione biologica di idrogeno da miscele di residui

G. De Gioannis, A. Muntoni Università degli Studi di Cagliari,

Dipartimento di Geoingegneria e Tecnologie Ambientali Aldo Muntoni, amuntoni@unica.it

(2)

Secondo stime del 2006 fatte dall'agenzia americana EIA (United States Department of Energy), l’energia totale consumata nel 2004 è stata prodotta per l’86% da combustibili fossili

Ciò contribuisce al depauperamento delle risorse e all’emissione di CO2

BACKGROUND

Nucleare Rinnovabili 6%

13%

Carbone 25%

Gas Naturale

21%

Petrolio 35%

L’IPCC ha dichiarato che

“ l’aumento globale della temperatura nel 20esimo secolo è molto

probabilmente legato

all’aumento delle emissioni di gas serra ”

(3)

L’idrogeno è considerato un vettore energetico pulito E’ necessario produrre idrogeno in forma “libera”

BACKGROUND

Nonostante l’intrinseca natura

“verde” dell’utilizzo dell’H2, attualmente la maggior parte dei

processi di produzione sono basati su fonti non rinnovabili

(4)

I metodi convenzionali di produzione dell’H2 sono basati su processi chimico-fisici (elettrolisi dell’acqua, cracking di idrocarburi, ecc.)

In determinati contesti la produzione per via biologica può rappresentare un’opzione interessante

BACKGROUND

(5)

Gruppi microbici in grado di produrre bio-idrogeno:

1) cianobatteri che scompongono H2O in H2 and O2 per fotosintesi in presenza di energia luminosa

2) batteri fotosintetici, microrganismi eterotrofi che producono H2 in condizioni anaerobiche ed in presenza di luce

3) batteri fermentativi, in primo luogo Clostridia, che producono H2 mediante dark fermentation

BACKGROUND

(6)

La dark fermentation rappresenta un’opzione interessante perché:

velocità elevata di produzione di H2

H2 può essere prodotto costantemente, a prescindere dalla disponibilità di luce, da un’ampia gamma di substrati

modesto apporto energetico esterno

Da un punto di vista ingegneristico-ambientale il processo

“energetico” si integra perfettamente con quello di gestione dei rifiuti e quest’ultimo si caratterizza per la possibilità di integrare i cicli

relativi ai rifiuti solidi ed ai reflui liquidi In definitiva vengono raggiunti 2 obiettivi:

produrre un vettore energetico pulito H2 (H2O come unica

emissione, no CO2, NOx, composti dello zolfo o particolato)

contribuire a gestire in modo ambientalmente compatibile i rifiuti biodegradabili

BACKGROUND

(7)

ANIDRIDE

CARBONICA IDROGENO

METANO

Sostanza organica particolata

Sostanza organica disciolta IDROLISI

Acidi grassi + Alcoli

+ Chetoni ACETOGENESI Acido acetico

METANOGENESI Acetofila METANOGENESI

Idrogenofila

ACIDOGENESI

INIBIZIONE SEPARAZIONE

(8)

Valutare la possibilità di utilizzare alcuni residui come substrati per la produzione significativa di idrogeno

Verificare la possibilità di ottenere produzioni

significative e stabili di idrogeno senza il ricorso a condizionamenti chimici (es. sulfonati)

o fisici (es. condizionamento termico)

Sviluppare un processo che porti alla produzione di idrogeno + metano ed al recupero di materiali (compost): processo HyMeC®

OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

(9)

Caratterizzazione preliminare dei substrati

Test in batch

Test in semi-continuo su scala di laboratorio

Messa in opera ed esercizio di un impianto pilota

Implementazione del processo su piattaforma reale

MODALITA’ OPERATIVE

(10)

Finora sono stati considerati 3 diversi substrati:

liquami suinicoli (PW)

frazione organica dei rifiuti urbani (MSWOF),

da selezione meccanica o da raccolta differenziata

acque di vegetazione (OMW)

I SUBSTRATI

(11)

Fanghi attivi (AS) sono stati utilizzati sia come apporto di biomassa facoltativa

sia come fase liquida per effettuare una digestione ad umido (TS < 10%)

(De Gioannis G., Diaz L., Muntoni A., Pisanu A., 2008. Two-phase anaerobic digestion within a solid waste/wastewater integrated management system. J. Waste Management (Elsevier), 28, 1801-1808, doi:10.1016/j.wasman.2007.11.005)

COMPONENTI DI SUPPORTO

(12)

RISULTATI –

Test in batch: S1

La produzione specifica di H2 è aumentata all’aumentare del contenuto di acque di vegetazione

0 20 40 60 80 100 120

0 1 2 3 4 5

Time (d)

H2 production (Nl/kg TVSrem)

0 20 40 60

0 1 2 3 4 5

Time (d)

H2 production (Nl/kg TVS0)

S1-1 S1-2 S1-3 S1-4

(13)

L’ambiente acido promuove le reazioni di idrolisi (il substrato risulta essere più prontamente degradabile)

il pH influenza l’attività dell’idrogenasi ed i relativi percorsi metabolici

il pH influenza la dissociazione degli acidi organici

RISULTATI –

Test in batch: S2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 5 10 15 20 25 30 35

Time (h)

H2 volume (Nl/kg COD0)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 102 H vo

lume (Nl/kg TVS0 )

pH 4.5 pH 5.5 pH 7 pH 8

(meas.) (calc.) (meas.) (calc.) (meas.) (calc.) (meas.) (calc.)

(14)

TEST IN SEMI-CONTINUO

-

T 39 °C

- HRT 4 giorni 2 giorni

-

T 39 °C

- HRT 15 giorni

(15)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Durata Test [giorni]

H2 [%v/v]

HRT = 4 d HRT = 2 d

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 DurataTest [giorni]

Rimozione SV [%]

HRT = 4 d HRT = 2 d

33,2% ± 7,5%

35,9% ± 5,9%

36,5% ± 10,3%

40,9% ± 2,6%

RISULTATI –

Test in semi-continuo: H2

(16)

0 25 50 75 100 125 150

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Durata Test [giorni]

Nl H2/kgSV alimentati HRT = 4 d HRT = 2 d48,5 ± 20,4

73,7 ± 10,6

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Durata Test [giorni]

Nl H2/kgSV rimossi

HRT = 4 d 141,9 ± 75,9 HRT = 2 d

219,5 ± 61,6

RISULTATI –

Test in semi-continuo: H2

(17)

HRT Valore medio ± Dev. Std. Valore massimo

Nl H2 / (m3reatt*d) 4 giorni 600,9 ± 283,5 1338,8

Nl H2 / (m3reatt*d) 2 giorni 2109,5 ± 303,9 2802,4

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Durata Test [giorni]

Nl H2/(m3 reatt*d)

HRT = 4 d

HRT = 2 d

RISULTATI –

Test in semi-continuo: H2

(18)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Durata Test [giorni]

CH4 [%v/v]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Durata Test [giorni]

Rimozione TOT. SV [%]

68,4% ± 4,2% 70,0% ± 2,6%

76,8% ± 2,5% 78,9% ± 0,8%

RISULTATI –

Test in semi-continuo: CH4

(19)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Durata Test [giorni]

NlCH4/kgSV alimentati

703,2 ± 97,3 738,0 ± 46,9

RISULTATI –

Test in semi-continuo: CH4

(20)

ULTIMA FASE SVILUPPATA

Compostaggio

Produzione di metano

39 °C

15 - 10 giorni

700 Nl CH4/kg solidi volatili alimentati

Produzione di idrogeno

39 °C

4 – 2 giorni

70 Nl H2/kg solidi volatili alimentati

FORSU da raccolta differenziata

®

(21)

ALIMENTAZIONE EFFLUENTE

H2 + CO2

RESIDUO

CH4 + CO2

COMPOSTAGGIO

Utilizzo in celle a combustibile Compressione e

stoccaggio

H2 PErotonxchange

Membrane

Fuel

Cell

CH4 MCarbonateolten

Fuel

Cell

(22)

VOLUMETRIE REATTORI

• ~ 400 l per celle da 1 kW  abitazioni mezzi

• ~ 2000 l per celle da 5 kW  abitazioni, mezzi,

piccole attività produttive

Autobusgruppi di celle per circa 120-160 kW Autogruppi di celle per circa 60-80 kW

(23)

Valutazione energetica

Gettito FORSU 70 kg/ab anno

Gettito FORSU 130 kg/ab anno

Popolazione bacino [ab] 500.000 500.000

Volume 1° Stadio [m3] 800 1440

Volume 2° Stadio [m3] 6000 10800

Potenza elettrica sviluppata [kWE] 2181 3921 Energia elettrica prodotta

[MWhE / anno] 19106 34351

Fabbisogno soddisfatto [ab] 3424 6156

Energia termica recuperata

[MWhT / anno] 4180 7442

(24)

CONCLUSIONI

• Le prove in semi-continuo hanno dimostrato che è

possibile ottenere una produzione apprezzabile e costante di metano senza il ricorso a

condizionamenti chimici o fisici

bensì scegliendo opportunamente i substrati e calibrando opportunamente I rapporti di miscelazione tra gli stessi

(25)
(26)
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