BIOGA -DONE-RIGHT Novembre Pretrattamento biomasse e casi di studio reali. Il biogas fatto bene CORSO DI FORMAZIONE

CORSO DI FORMAZIONE

27 Settembre 2020 Reggio Emilia

Pretrattamento biomasse e casi di studio reali

BIOGA“-DONE-RIGHT

Il biogas fatto bene

10-11-12-17-18

Novembre 2020 Corso on-line Formazione a

Distanza

Contenuti

• Tecnologie di pretrattamento delle biomasse

• Valutazio e dell’a da e to di u i pia to di iogas

• Interpretazione dei parametri chimico-fisici del digestato e delle biomasse

• Interpretazione dei parametri operativi

• Misure di correzione del processo biologico

Obiettivi

• Comprendere gli aspetti tecnologici dei pretrattamenti delle biomasse

• Interpretare correttamente i parametri biologici per la gestione di un impianto di biogas

• Sape valuta e l’a da e to di u i pia to di iogas

Obiettivi

• Comprendere gli aspetti tecnologici dei pretrattamenti delle biomasse

• Interpretare correttamente i parametri biologici per la gestione di un impianto di biogas

• Sape valuta e l’a da e to di u i pia to di iogas

Obiettivi

• Comprendere gli aspetti tecnologici dei pretrattamenti delle biomasse

• Interpretare correttamente i parametri biologici per la gestione di un impianto di biogas

• “aper valutare l’a da e to di u i pia to di iogas

Perché il pretrattamento delle biomasse?

a) substrato senza pretrattamento b) incremento nella velocità di

produzione di biogas

c) aumento nella quantità di biogas prodotto

d) incremento della velocità di produzione e della quantità di biogas

e) Migliorare miscelazione ed

evitare strati galleggianti

Tipologie di pretrattamento

Fisico / Meccanico

•Mulino a coltelli

•Mulino a martelli

•Estrusione

•Cavitazione

Fisico / Termico

•Steam Explosion

•Pastorizzazione

Biologico

•Enzimi

•Micronutrienti

•Bioaugmentation

Chimico

•Idrolisi acida / basica

Attività di studio per pretrattamenti meccanici

Campionamento su 4 diversi impianti di biogas (999 kWe)

o 4 diversi pretrattamenti meccanici con 4 differenti tipologie di biomasse o Pretrattamento già ottimizzato con approccio «trial-and-error»

o Le tecnologie sono funzionali e utili

✓ Valutare effetti produzione di biogas e disgregazione fisica

✓ Correlazione con il consumo energetico

✓ Identificare indici di efficienza applicabili ad altre casistiche

Pretrattamenti e biomasse

Pretrattamento Biomasse Solidi Totali (%) Solidi Volatili (%ST)

Mulino a coltelli Semi misti 88,2% 83,6%

Mulino a martelli mix: lettiera di broiler, letame bovino,

silomais, farina di mais 43,2% 89,1%

Estrusione mix: silomais, pastone di mais, bucce di patate,

lettiera di broiler, solido separato da liquame bovino 37,9% 87,0%

Triturazione +

cavitazione Digestato da fermentatore primario 10,8% 76,9%

Biomasse al carico

Matrice già digerita

Produzione di metano (test BMP)

SM=Sensore manometrico

Effetto sulla produzione di metano

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35

ProduzioneCH4 (Nm3CH4/tSV) Mulino a coltelli

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35

Mulino a martelli

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35

ProduzioneCH4 [Nm3CH4/tSV] Estrusione

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35

Cavitazione +13% produzione CH₄

10,8 kWh/kWh consumato

+11% produzione CH₄ 7,4 kWh/kWh consumato

+3% produzione CH₄ 2,7 kWh/kWh consumato

+1% produzione CH₄ 0,1 kWh/kWh consumato

Disgregazione fisica (granulometria)

BIOMASSA

SOLIDI TOTALI

SETACCIATURA AD UMIDO

5-0,1 mm

D

R

A

ELETTRONICO

Riduzione solidi con D ≥ 5 mm

Pretrattamento Solidi con diametro

≥ 5 %“T

Mulino a coltelli - 5,5% ± 2,1%

Trattato 0,02% ± 0,02%

Mulino a martelli - 11,5% ± 3,5%

Trattato 7,7% ± 3,4%

Estrusione - 17,2% ± 3,6%

Trattato 10,3% ± 1,6%

Triturazione + cavitazione

- 8,4% ± 0,3%

Trattato 4,2% ± 0,1%

-100%

-33%

-40%

-50%

Monitoraggio di un impianto di biogas

La validazione di una tecnologia (es.: pretrattamento, additivi) prevede il monitoraggio di un periodo di riferimento seguito da

un periodo di utilizzo della tecnologia anche se le biomasse

possono essere variabili.

Monitoraggio di un impianto di biogas

Il confronto tra la produzione di metano attesa dalle biomasse e la

produzione di metano effettiva è un primo indicatore degli effetti

della tecnologia applicata

Monitoraggio di un impianto di biogas

CENERI

SV_in

CENERI

SV_out BIOGAS

EFFLUENTI ZOOTECNICI

% CH₄residuo =

SOTTOPRODOTTI AGROINDUSTRIALI BIOMASSE

VEGETALI

Caratterizzazione biomasse,

registrazione quantità immesse Stima quantità

digestato in uscita

INDICATORE PER VALUTARE L’EFFICIEN)A DEL PROCE““O

(Nm³CH₄/tSV) (Nm³CH₄/tSV)

Il test RBP consente di valutare l’effi ie za dell’i pia to el suo complesso tenendo conto sia delle molteplici dinamiche che caratterizzano

l’e uili io i o iologi o e hi i o- fisico nel digestato che

dell’i t oduzio e di u a te ologia da

valutare.

Monitoraggio di un impianto di biogas

L’au e to di effi ie za dell’i pia to a seguito dell’i t oduzio e di u a tecnologia può evidenziare risultati

meno positivi rispetto alle sperimentazioni di laboratorio.

Il beneficio deve comunque essere misurabile e può portare a significativi miglioramenti nel

bilancio economico.

Pretrattamento biomasse - Conclusioni

• L’au e to della p oduzio e di iogas o u p et atta e to è da ricercare principalmente nelle biomasse al carico di tipo

lignocellulosico

• Il beneficio sulla miscelazione del digestato deve essere visibile dall’ope ato e e « isu a ile»

• Ridurre i tempi di ottimizzazione delle tecnologie di

pretrattamento su scala reale valutando le condizioni operative

con prove di laboratorio

Il processo biologico

✓ Tipologia delle biomasse

✓ Miscelazione / Sistema di carico

✓ Geometria dei fermentatori

✓ Tempo di ritenzione idraulica

✓ Carico organico volumetrico

✓ Temperatura

✓ Rapporto acidità / alcalinità

✓ Acidi Grassi Volatili

✓ Ammoniaca

✓ Conducibilità elettrica

✓ Macro e microelementi

✓ Schiume

Parametri di processo

• Solidi Totali, Solidi Volatili

• Acidi Grassi Volatili (Ac. acetico, Ac. Propionico, ecc.)

• pH, Rapporto acidità / alcalinità (Es. FOS/TAC)

• Conducibilità elettrica ( salinità, si misura in mS/cm)

• Azoto Ammoniacale N-NH ₄ ⁺ ( concentrazione di NH ₃ )

• Concentrazione di macro e micronutrienti

pH e FOS/TAC

pH

È determinato dal contributo della fermentazione acidificante (produzione di acidi) e della metanogenesi (consumo di acidi) e dall’effetto tampone degli equilibri chimici

Acidità / alcalinità (FOS/TAC)

A idità è dete i ata dall’a u ulo di a idi o ga i i g A ido

Acetico eq / kg . L’al ali ità è dete i ata dal siste a ta po e

all’i te o del digesto e g CaCO

eq / kg).

Interpretazione FOS/TAC

FOS/TAC Indicazione Azione da intraprendere

>0,6 Acidosi in corso Analisi, sospendere alimentazione, rimuovere inibizione

0,45-0,60 Carico organico eccessivo Analisi, diminuire alimentazione

0,29-0,45 Carico organico elevato Analisi, mantenere alimentazione stabile o diminuire

0,20-0,28 Biologia in equilibrio Mantenere condizioni stabili

<0,20 Carico organico basso Alimentare se necessario

Il rapporto FOS/TAC è un parametro semplice, economico e rapido da determinare, ma è indicativo:

va interpretato secondo un trend e in associazione ad altre analisi

Inibizione da ammoniaca

Si produce per deaminazione degli aminoacidi.

Esiste un equilibrio in ambiente acquoso tra le due forme chimiche che dipende dal pH, dalla temperatura di processo e dalla concentrazione di NH

.

NH

(aq.) + H

O (l.)  NH

(aq.) + OH

(aq.)

L’i i izio e atte i a è ausata dalla o e t azio e di a o ia a li e a NH

) ma dal lato p ati o si isu a l’azoto a o ia ale el digestato (N-NH

).

Valori al di sotto di 3000 mg/kg di N-NH ₄ ⁺ non sono inibenti per

la digestione anaerobica in ambito agrozootecnico

Conducibilità elettrica

Per determinare la concentrazione di sali disciolti nel digestato si ricorre alla misura della

conducibilità elettrica (si misura in millisiemens su centimetro, mS/cm)

Macro e microelementi

Macro e microelementi - meccanismo

La limitazione in uno o più elementi è influenzata da molteplici interazioni (Saito et al., 2008) che possono essere raggruppate nelle seguenti quattro:

• l’ele e to è il solo ad essere carente, non è sostituibile da altri metalli e la risposta nella produzione di biogas risponde alla teoria del minimo;

• due elementi risultano essere limitanti ed agiscono a livello di due vie biochimiche molto diverse come duplicazione cellulare e metanogenesi;

la loro carenza può manifestarsi con un effetto sinergico oppure indipendente. (es.: la carenza di azoto e nichel).

• la carenza di un elemento può essere totalmente o parzialmente colmata dalla presenza di un altro elemento che agisce sulla stessa via metabolica (es.: Molibdeno/tungsteno).

• due elementi risultano essere limitanti perché uno di essi è essenziale

per il trasporto dell’alt o all’i te o della cellula (il secondo non è

biodisponibile).

Microelementi – funzione e concentrazione

Indagine CRPA su circa 60 impianti di tipo agrozootecnico

Le carenze maggiormente riscontrate hanno riguardato

cobalto, nichel, selenio,

molibdeno e ferro

Crisi da microelementi: quanto è frequente?

RECUPERO DEL PROCESSO

14,5% dei casi* MANTENIMENTO/ OTTIMIZZAZIONE INDIVIDUA)IONE DELL’ECCE““O E DILUI)IONE

Anche il digestato in uscita ha un valore

La produzione specifica residua di metano mediamente riscontrata

sia pari a

88 ± 37 Nm³CH

/tSV, andando da valori minimi di 8 Nm³CH

/tSV a massimi di

250 Nm³CH

/tSV.

Interpretazione delle analisi

FOS/TAC Indicazione

>0,6 Acidosi in corso 0,45-0,60 Carico organico eccessivo 0,29-0,45 Carico organico elevato 0,20-0,28 Biologia in equilibrio

<0,20 Carico organico basso

Biologia in equilibrio

Parametri

pH 7,87

FOS 3955

TAC 15763

FOS/TAC 0,25

Ac. Acetico 92 Ac. Propionico <50

Ac.Butirrico <50 Ac. Isobutirrico <50 Ac. Valerico <50 Ac. Isovalerico <50 Ac.Caproico <50 Ac. Iso-caproico <50 Ac. Acetico < 300 mg/L ok

Ac. Acet. / Ac. Prop. > 4 ok

Acidosi classica

Parametri

pH 7,21

FOS 12768

TAC 11075

FOS/TAC 1,15

Ac.Acetico 8243 Ac. Propionico 1753 Ac.Butirrico 442 Ac. Isobutirrico 193 Ac. Valerico 207 Ac. Isovalerico 280 Ac.Caproico 116 Ac. Iso-caproico 101 Ac. Acetico > 300 mg/L !

Ac. Acet. / Ac. Prop. > 4 ok

Acidosi con acido propionico

Parametri

pH 7,75

FOS 11282

TAC 11878

FOS/TAC 0,95

Ac. Acetico 575 Ac. Propionico 9469

Ac.Butirrico <10 Ac. Isobutirrico 169 Ac. Valerico 75 Ac. Isovalerico 230

Ac.Caproico <10 Ac. Iso-caproico <10 Ac. Acetico > 300 mg/L !

Ac. Acet. / Ac. Prop. > 4 !

Inibizione dell’idrolisi

Parametri

pH 7,76

FOS 4177

TAC 15842

FOS/TAC 0.26

Ac. Acetico <50 Ac. Propionico <50 Ac.Butirrico <50 Ac. Isobutirrico <50 Ac. Valerico <50 Ac. Isovalerico <50 Ac.Caproico <50 Ac. Iso-caproico <50 Spesso associato ad elevato

potenziale residuo

del digestato

Impianto bistadio monofase

Caso reale: Acidosi per alto COV

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0,40 0,90 1,40 1,90 2,40 2,90 3,40 3,90 4,40 4,90

P er cen tu al e me tano (%)

Caric o Or g anic o V o lume tric o (kg S V /( m

g) )

COV CH4

Caso reale: Acidosi per alto COV

0%

100%

200%

300%

400%

500%

600%

700%

0 200 400 600 800 1000 1200

0 5 10 15 20 25 30 35

P e ff/P a tt

P o tenz a ele ttric a (kW )

Giorni

Caso reale: Acidosi per alto COV

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

0 30 60 90 120

FOS/TAC

FOS (mg HAeq/kg) TAC (mg CaCO3/kg)

FOS TAC FOS/TAC

Digestore primario reazione immediata e

violenta del rapporto FOS/TAC che passa da

0,26 a 1,46 nel giro di pochissimi giorni

Giorni

Caso reale: Acidosi per alto COV

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

0 30 60 90 120

FOS/TAC

FOS (mg HAeq/kg) TAC (mg CaCO3/kg)

Giorni

Digestore secondario reazione lenta del rapporto FOS/TAC che

passa da 0,21 a 0,26

I ricircoli dal digestore secondario sono un buon

buffer di alcalinità da poter usare per gestire

crisi da acidosi

Inibizione da ammoniaca

Si produce per deaminazione degli aminoacidi.

Esiste un equilibrio in ambiente acquoso tra le due forme chimiche che dipende dal pH, dalla temperatura di processo e dalla concentrazione di NH

.

NH

(aq.) + H

O (l.)  NH

(aq.) + OH

(aq.)

L’i i izio e atte i a è ausata dalla o e t azio e di a o ia a li e a NH

) ma dal lato p ati o si isu a l’azoto a o ia ale el digestato (N-NH

).

Valori al di sotto di 3000 mg/kg di N-NH ₄ ⁺ non sono inibenti per

la digestione anaerobica in ambito agrozootecnico

Inibizione da ammoniaca

Inibizione da ammoniaca

Micro e macro elementi

C’è are za di microelementi?

Quali?

Quanto devo aggiungere? Quanto

frequentemente?

Come faccio il

dosaggio?

Microelementi: recupero di processo

COGENERATORE

999 kWe

0,28€/kWh

SUOLO AD1

2145 m

PF 2865 m

VASCA

STOCCAGGIO

Separazione S/L

t/gg tVS/gg

Silomais 30,1 9,0

Silotriticale 0,9 0,3 Lettiera avicola 2,8 0,9 Liquame suino 139,3 3,5 Farina di mais 3,2 2,8

Glicerina 0,5 0,5 AD2

2145 m

Temperatura: 41-42°C

COV (AD1): 7,90 kgSV/ m

gg HRT (AD1): 24 giorni

Periodo di monitoraggio: 2 anni

Take at home!

• L’ope ato e dell’i pia to di iogas assu e aggio e consapevolezza nella gestione

• Un impianto di biogas è un sistema «meccanico-biologico»

• Con le analisi periodiche, la «manutenzione» della biologia

permette di evitare perdite di produzione

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Pretrattamento biomasse e casi di studio reali

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Il biogas fatto bene

10-11-12-17-18

Novembre 2020 Corso on-line Formazione a

Distanza

G RAZIE PER L ’ ^ATTENZIONE

Attività condotta nell’ambito del progetto AGROENER Energia dall’agricoltura, innovazioni sostenibili per la bioeconomia MiPAAF, D.D.

N. 9 del / / , WP Realizzazione impianti sperimentali, dimostrazioni e divulgazione WP leader: Francesco Gallucci .

www.crpa.it

Your partner for R&D

in the biogas sector

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