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This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Digestione anaerobicaAspetti tecnici e gestionali
Claudio Fabbri – CRPA spa
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Digestione Anaerobica: take at home!• La digestione anaerobica è un processo microbiologico giàesistente in natura,molto antico dal punto di vistaevolutivo
• Innovazione e ricerca biotecnologica ne hanno esteso laflessibilità e l’affidabilità: oggi è possibile recuperare metanoda ogni scarto organico (effluenti zootecnici e sottoprodottiagro-industriali)
• E’ il cuore di un ciclo eco-sostenibile che si integra nelterritorio: riduzione delle emissioni in atmosfera,valorizzazione energetica (biometano, energia elettrica,energia termica) e fertilizzazionedei terreni.
• Esistono potenzialità ancora inesplorate (chimica verde,bioraffinerie, biocarburanti)
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Ricerca Industriale
E’ un laboratorio dedicato alla Ricerca IndustrialeRete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna
Sezione AMBIENTE ed ENERGIA
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La digestione anaerobica e la digestione del bovino
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Le fasi del processo
carboidrati, grassi e proteine sono ridotti a molecole mono-disaccaridi, acidi grassi e aminoacidi ad opera di eso enzimi
Idrolisi
Acidogenesi
Acetogenesi
Metanogenesi
Monomeri sono convertiti ad H2, CO2, acidi grassi volatili e alcoli per fermentazione
H2, CO2, acidi grassi volatili sono parzialmente trasformati ad acido acetico
H2, CO2, acido acetico sono convertiti a CH4 e CO2
Elevata sensibilità a pH, T, VFAVera fase limitante!!
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Parametri di controllo FISICO-CHIMICI
Crescita batterica
Conducibilità
Temperatura
Ione ammonio
MicronutrientipH
Acidi volatili
Acidità/alcalinità
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Equilibrio acidità/alcalinità
L'alcalinità è necessaria per equilibrare l'acidità e mantenere il pH nel range ottimale (7-7,7).Rapporti ottimali fra acidità/alcalinità:0,3 (range normale fra 0,2 e 0,4)
Attenzione però che l'alcalinità da bicarbonati si consuma!
Ione Bicarbonato: HCO3- Acido carbonico: H2CO3 H2O + CO2
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Potenziale RedOx
E' una misura della ossidabilità/riducibilità della sostanza organica. Al diminuire del potenziale RedOx diminuisce il pH e viceversa La digestione anaerobica avviene in ambiente riducente, ovvero <-300 mV (range normale fra -250 e -450 mV)
I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di RedOx
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Ione ammonio/ammoniaca
E' un composto inibente molto importante. Si produce per deamminazione degli aminoacidi.
NH4+ ↔ NH3 + H+
E' importante soprattutto la concentrazione di ammoniaca (NH3): valori significatvi di inibizione intorno a 40-50 ppm. L'equilibrio dipende dal pH!
I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di ammoniaca
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Micronutrienti
E' un insieme di composti necessari in minima parte per diverse reazioni chimiche cellulari. La loro assenza può determinare crisi anche gravi (acidosi): ferro, solfuri, rame, manganese, cobalto, selenio .....I liquami contengono micronutrienti necessari al buon funzionamento!
I batteri METANOGENI sono i più sensibili alle variazioni di micronutrienti
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Digestione soli insilati: oligoelementi
La LEGGE DEL MINIMO:“Se una pianta ha bisogno di dodicielementi per la sua crescita, e sesolo uno di essi viene a mancare,essa non potrà mai svilupparsi. Seuna di queste sostanze non è infattidisponibile nella quantitànecessaria richiesta dalla natura, lapianta crescerà sempreincompleta” (Journal fur technischeund okonomische Chemie, Bd. 3,S.93, P.Pc Sprengel, 1828)
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La digestione anaerobica può esserecondotta in condizione mesofile (35-40°C) o termofile (50-55°C).
Con impianti semplificati è possibileoperare anche in psicrofilia (10-25 °C).
Temperatura di processo
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Indipendentemente dal regime di temperatura scelto, EVITARE VARIAZIONI DI TEMPERATURA maggiori di +/- 1-2°C
I batteri METANIGENI sono i più sensibili alle variazioni di temperatura
Temperatura di processo
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0 10 20 30 40 50 60 70 80
Temperature
Rat
e of
the
AD
pro
cess
Psichrophilic MesophilicThermophilic
35 550 10 20 30 40 50 60 70 80
Temperature
Rat
e of
the
AD
pro
cess
Psichrophilic MesophilicThermophilic
35 55
Temperatura di processo
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Il potenziale metanigeno delle biomasse
Claudio Fabbri – CRPA spa
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Metodi di valutazione: BMP statico
A norma UNI EN ISO 11734:2004
Sistema manometrico
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Kmax: intervallo di tempo per raggiungerela massima velocità di produzione (giorni)
F50%: intervallo di tempo per raggiungereil 50% della produzione (giorni)
F90%: intervallo di tempo per raggiungereil 90% della produzione (giorni)
Resa produttiva biogas: Nm3/t SV o Nm3/t tqResa produttiva metano: Nm3/t SV o Nm3/t tqPercentuale metano: %Degradabilità dei solidi volatili: %Digestato producibile: t digestato/t biomassaAzoto equivalente: kgN/Nm3CH4
BMP: informazioni ottenibili
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Rese produttive (BMP): Nm3CH4/tSVFonte: archivio CRPA, circa 3000 BMP
336 300
447386
276227
390338
89
0100200300400500600700
Nm
3 C
H4/
t SV
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Valori medi di resa in metano (m3/tSV) per effluenti zootecnici
Media Dev.st CV
Liquame suino 293,8 69,4 23,6%
Suino (solido separato) 174,8 67,3 38,5%
Liquame bovino 218,9 29,1 13,3%
Bovino (Solido separato) 153,1 69,1 45,1%
Letame bovino 186,9 59,8 32,0%
Lettiera avicola 265,5 58,7 22,1%
Pollina 306,1 74,0 24,2%
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Esempio applicazione BMPProduzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche
SS [%]
NDF [%SS]
ADF [%SS]
ADL [%SS]
ADL/NDF[%]
dNDF[%NDF]
Amido [%SS]
Epoca 1 18,91 51,74 32,49 2,95 5,70 60,47 0,23
Epoca 2 26,14 55,44 34,80 3,26 5,88 48,70 0,00
Epoca 3 29,43 58,20 39,11 5,40 9,28 36,52 1,37
Epoca 4 36,95 49,31 32,59 4,78 9,69 33,09 12,65
Correlazione molto alta con fibra degradabile!
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Esempio applicazione BMPProduzione biogas da insilato di frumento raccolto in diverse epoche fenologiche
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Sansa di oliva 2 fasi
Solidi totali
Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabilità SV
(g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV)
(%) (%)
256 237 92,2 4300 1,7% 201 69% 32,1%
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Sansa di oliva 3 fasi
Solidi totali
Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabilità SV
(g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV)
(%) (%)
360 334 92,9 5700 1,6% 192 66% 32,8%
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Sansa di oliva denocciolata
Solidi totali
Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabilità SV
(g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV)
(%) (%)
278 260 93,6 3800 1,4% 312 64% 56%
BMP21 [Nm3/tSV]: 264BMP [Nm3/tSV]: 313
0.0
7.9
19.722.922.6
20.420.418.5
11.99.7
7.75.5 4.1 3.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.33.3
Kmax (giorno): 2.9
0
10
20
30
0
100
200
300
400
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Vel
ocità
pro
duzi
one
[Nm
3 C
H4/
tSV
/gio
rno]
Pro
duzi
one
CH
4 [N
m3/
t SV
]
GiorniProduzione cumulativa di metano [Nm3/tSV]
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Sansa di oliva denocciolata e defibrata
BMP21 [Nm3/tSV]: 368
BMP [Nm3/tSV]: 432
0.0
8.9
25.627.424.625.3
31.335.337.4
26.8
14.29.9 8.2 6.5 4.9 4.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.14.1
Kmax (giorno): 8.1
0
10
20
30
40
0
100
200
300
400
500
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Vel
ocità
pro
duzi
one
[Nm
3 C
H4/
tSV
/gio
rno]
Pro
duzi
one
CH
4 [N
m3/
t S
V]
GiorniProduzione cumulativa di metano [Nm3/tSV]
Solidi totali
Solidi volatili Azoto BMP Metano Degradabilità SV
(g/kg) (g/kg) (%ST) (mg/kg) (%ST) (m3 CH4/tSV)
(%) (%)
199 164 82,2 4000 2% 431 64% 79%
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
RBP - potenziale metanigeno residuo nel digestato
RBP (valore medio, n. 96 ) = 89 ± 35,4 Nm3 CH4/t s.v.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0-25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 150-175 175-200
Freq
uenz
a (%
)
Resa metano (Nm3/tSV)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Schemi tecnologici
Claudio Fabbri – CRPA spa
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Schemi impiantistici: DA monostadioe monofase
Digestato
Primario
pH=6,7-8,2FOS=2,5-4.000 mg HAeq/l TAC=10-13.000 mg CaCO3/l
FOS/TAC = 0,2-0,4ST= 5-8%
CH4 = 52-56%, H2 = 50-70 ppm
IdrolisiAcidogenesi + acetogenesi
Metanogenesi
Biomassesolide
Biomasse pompabili
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse
(500 capi da carne)
Bovini
F1 2.950 m3
CHP
380 kW
Dosatore
Stoccaggio3000 m3
Solido separato
Matrice Quantità tal quale COV Produzione metano
[t/giorno] [kg/m3/giorno] [%] [m3/giorno] [%]
Liquame bovino 19,1 0,3 11,6 181 8
Insilato di mais 16,3 2,29 87,2 2.043 90,6
Pastone integrale 0,15 0,03 1,2 31 1,4
Totale/media 35,6 2,63 100 2.254 100
HRT 75-80 ggCOV 2,6-2,7 kgSV/m3/gg
Colture dedicate 16,45 t/g
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Esempio monotadio+monofase a effluenti zootecnici + biomasse
(500 capi da carne)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1-set 1-ott 1-nov 1-dic 1-gen 1-feb Car
ico
orga
nico
vol
umet
rico
(kgS
V/m
3.gi
orno
)
Pote
nza
elet
tric
a (k
W)
Potenza elettrica Carico organico volumetrico
341 kWPotenza elettrica media
341 kW
Produzione biogas/metano630-650 m3/tSV al 50% CH4
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Schemi impiantistici: DA bistadio e monofase
F1Biomassesolide DigestatoF2
Biomasse pompabili
Primario Secondario
pH=6,7-7,6 pH=7,4-8,2
FOS=3-4.000 mg HAeq/l TAC=10-12.000 mg CaCO3/l
FOS/TAC = 0,3-0,4
FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.000 mg CaCO3/l
FOS/TAC = 0,2-0,3
ST= 7-8% ST= 5-7%
CH4 = 50-52%, H2 = 50-100 ppm CH4 = 52-55%, H2 = 30-50 ppm
IdrolisiAcidogenesi + acetogenesi
Metanogenesi
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici (890 capi produttivi da latte)
AntonioIvano
F22280 m3
F1 2280 m3
Letame
14,5 t/gg
70 t/gg Trasporto (2 km)
Pompa trituratrice
Ric
ircol
o pe
r dilu
izio
ne
caric
o
CHP
330 kW
Dosatore
HRT 30-35 ggCOV 2,3-2,5 kgSV/m3/gg
30,5 t/gg
115 t/gg
Stoccaggio3000 m3
Solido separato
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Potenza elettrica media272 kW
0,3 kW/capo produttivo
Produzione biogas/metano380-400 m3/tSV al 54,5% CH4
16,8-19,3 m3 CH4/t effluente
Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecniciEsempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate
(280 capi produttivi da latte)
Bovini
F22280 m3
F1 2280 m3
Liquame 26,7 t/gg
CHP
2 x 250 kW
Dosatore
HRT 85-90 ggCOV 2,2-2,5 kgSV/m3/gg
Letame 5,9 t/gg
StoccaggioSolido separato
Colture dedicate 19,5 t/g
Produzione biogas/metano560-580 m3/tSV al 54% CH4
Potenza elettrica media
475 kW
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Digestato in uscita dai due digestori
Efficienza di degradaz. = 74,2%
cioè solo il 25,8% dei solidi volatili non è stato convertito in biogas.
Esempio bistadio+monofase a effluenti zootecnici + colture dedicate (280 capi produttivi da latte)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Schemi impiantistici: DA bistadio e bifase
Biomassesolide DigestatoF2
Biomasse pompabili
Primario Secondario
pH=5,5-5,8 pH=7,4-8,2
FOS=12-20.000 mg HAeq/l TAC=3-4.000 mg CaCO3/l
FOS/TAC = 4-5
FOS=2-3.000 mg HAeq/l TAC=12-14.000 mg CaCO3/l
FOS/TAC = 0,2-0,3ST= 11-13% ST= 5-7%
CH4 = 10-20%, H2 = 500-1000 ppm CH4 = 55-60%, H2 = 30-50 ppm
IdrolisiAcidogenesi + acetogenesi
Metanogenesi
F1
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Cambiamenti rapporti chimici in bistadio + bifase: acidi e alcali
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag
FOS
(mg
HA
eq/l)
Primario Secondario Secondario
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag
TAC
(mg
CaC
O3/
l)
Primario Secondario Secondario
4
5
6
7
8
9
29-ago 18-ott 7-dic 26-gen 17-mar 6-mag
pH
Primario Secondario Secondario
Nelle fasi iniziali di separazione di fase, ottenuta con modifiche dei ricircoli, il pH cala e FOS aumenta rapidamente. Nel digestore secondario si mantengono valori stabili.
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Ripristino potenza in impianto bistadio + bifase
0
200
400
600
800
1000
1200
25-feb 7-mar 17-mar 27-mar 6-apr 16-apr 26-apr
Pote
nza
elet
tric
a (k
W)
Potenza effettiva Potenza attesa
Rottura alternatore + Manutenzione straordinaria 20.000 h
20 giorni di fermo
COV al 20% per mantenere biologiaattiva
Ripristino piena potenza in 8 giorni
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti
Le linee guida sono disponibili scaricabili informato integrale nella sezione “Pubblicazioni– e-book” sul sito internet www.crpa.it.
Si tratta di uno strumento di lavoro sia pergli allevatori che intendono orientarsi allacostruzione e gestione di un impianto dibiogas che per i professionisti che devonoprogettare.Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di “Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico”(CIG E45J10000060001)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
BiogasDoneRight
Claudio Fabbri
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Perché le bioenergie?
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 69187543
FONTI RINNOVABILI INTERMITTENTI vs FONTI RINNOVABILI PROGRAMMABILI…….
1. Valore del biogas come fonte programmabile al ridursi delle fonti programmabili fossili post 2030
2. Valore della rete gas come sistema di stoccaggio, raccolta energie rinnovabili e utilizzo in tutti gli usi finali
3. Valore del gas rinnovabile nella decarbonizzazione dei settori di difficile elettrificazione
4. Valore del bioagsdoneright per una decarbonizzazione del settore agricolo e funzione di carbon sink dei suoli agricoli
COP 21 NON FINISCE AL 2030
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
DECARBONIZZARE L’AGRICOLTURA
I TRE PILASTRI DEL BIOGASDONERIGHT®
- FERTILIZZANTI+ RICICLO NUTRIENTI
+ SOSTANZA ORGANICA
+ ROTAZIONI ED USO DEL SUOLO
EFFICIENTE
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Biogas e carbonio: un binomio efficace?
La digestione anaerobica è un processo naturaleche utilizza carbonio di origine biogenica e loconverte in un flusso energetico ad alto valorelasciando un residuo carbonioso ad elevato valoreaggiunto agronomico
C_CO2
CaHbOcNdSe
C_CO2
Energia
Carbon storage
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Modello BiogasDONERIGHT®
• Rotazioni e colturesequenziali: aumentarel’efficienza di utilizzo del suolo coltivando fino a 2 colture nello stesso suolo e nello stesso anno per ottenere biomasseaddizionali.
• Riciclo dei nutrienti al terreno grazie all’utilizzo del digestato
• Sistemi di agricolturaconservativa e promozionedel sequestro del carbonionel suolo attraverso la sostanza organica.
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 691875
Effetto della digestione anaerobicaLe emissioni di gas serra per la produzione di energia sono molto minori rispetto a quelle delle fonti fossili, addirittura negative se prodotto con soli effluenti zootecnici
Solo liquami