Biogas da effluenti: parametri progettuali e
gestionaliReggio Emilia – 15 Dicembre 2011Claudio Fabbri, Sergio Piccinini
Centro Ricerche Produzioni Animali
Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile
La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.
Composizione delle matrici per biogas
Tal q
uale
(tq)
Acqua(10-98% tq)
Ceneri(2-50% ST)
Solidi volatili (50-98% ST)
Solidi totali(2-90% tq)
+ Indegradabile(10-70% SV)
Degradabile(30-90% SV)
Solidi totali (ST) = sostanza seccaSolidi volatili (SV) = sostanza organicaCeneri = ST- SV
Si misurano come: g/kg o %p/p
Cosa succede agli SV in DA?
Ceneri 25 kg
SVtot
75 kg
SV/ST iniziale75%
SV/ST iniziale75%
Solid
i tot
ali i
nizi
ali
100
kg
SVind
SV Degradabile(50% SV)
Ceneri 25 kg
Biogas37,5 kg
SVind37,5 kgCeneri 25 kg
SV/ST finale60%
SV/ST finale60%
Efficienza DA50%
Efficienza DA50%
Valori tipici per effluenti zootecnici
Ingestato DigestatoDigestore
Rapporto SV/ST iniziale e finale
Principale parametro per valutare l'efficienza di digestione!L'efficienza di digestione dipende dalla riduzione del rapporto
SV/ST con funzione più che proporzionale
SV/STi=80%
SV/STi=70%
Procedura di quantificazione effluenti e Solidi Volatili
Perdite SVr nel ricovero
Dipendono da tecniche di rimozione
LiquameQliq e STliq
Mungitura
Acque di processo:- lavaggio sala attesa- lavaggio impianti
LetameQlet e STlet
Acque meteoriche
QuantificazioneSV escreti = f(pv)Paddock
Paglia (Qp)
Pluviometria
SVAD= Qliq*STliq*SV/STliq + Qlet*STlet*SV/STlet-SVr
ADSVliq SVlet
LetameLiquame
Pascolo?
Disponibilità di biomassa in allevamento
La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da:
- - stadio di accrescimentostadio di accrescimento
- coefficiente di trasformazione dell’alimento- coefficiente di trasformazione dell’alimento
- soluzione stabulativa- soluzione stabulativa
- controllo idrico e raccolta acque meteoriche- controllo idrico e raccolta acque meteoriche
Effluenti bovini: stabulazioni
LiberaFissa
Effluenti suini: stabulazioni
Sostanza secca escreta: bovini da latte
7,2
7,4
7,6
7,8
8
8,2
8,4
8,6
8,8
20 22 24 26 28 30 32 34
Produzione latte [kg/giorno]
Escr
ezio
ne d
i sos
tanz
a se
cca
[kg/
gior
no]
Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte
Sostanza secca escreta: bovini da latteesempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi
Categoriaanimale Capi
Sostanza seccaescreta
PagliaSostanza
secca disponibile
[n°] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg]
Vacche in lattazione 85 8,0 683 1,5 115 798
Vacche in asciutta 15 4,5 68 1,5 20 88
Manze 15 1,9 29 4,5 61 90
Manzette 21 1,8 38 2,0 38 75
Vitelli 13 0,8 11 1,5 18 28
Totale 828 251 1079
23%
Sostanza secca escreta: suini ingrasso
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Peso vivo [kg]
Escr
ezio
ne (k
g/tp
v/a) Peso medio:
100 kg
Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche
(1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA).
(2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'Allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali
Caratteristiche indicative (1) Liquami LetamiMedio Intervallo Medio Intervallo
Sostanza secca - ST(%) 8,2 5,7-10,7 22 16-28Sostanza organica – SV (%) 73 64-82 82 70-85
Azoto totale – NTK (%) 4,7 2,8-6,6 2,8 1,8-3,8
Produzione effluenti (t/tpv/anno) (2)
Con lettiera 10 4-15 24 22-26Con cuccette 25 13-33 9 0-22
Resa in biogasBiogas (di cui 54-56% CH4) 300-350 350-400
Effluenti suini: caratteristiche chimiche
LIQUAMI SUINI CARATTERISTICHE INDICATIVE (1) Valore medio Intervallo
Sostanza secca - ST (%) 4,4 2,8 - 6,0 Sostanza organica - SV (%) 70 63 - 77 Azoto totale - NTK (% ST) 8,0 6,3 - 9,7
CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE (2) Quantità Soluzione stabulativa
A. (m3/anno * t p.v.) 37 - 44 Pavimento totalmente o parzialmente fessurato
B. (m3/anno * t p.v.) 55 - 73 Rimozione con acqua
(pavimento pieno, gabbie, ecc.)
PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) 0,45 - 0,55 (di cui il 60-65% metano)
(1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA).
(2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'Allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali
Perdite di sostanza organica in allevamento
Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente)nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti
Sistema di rimozione: - Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%);- Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%)- Raschiatore: massima efficienza (5-10%)
Alcuni esempi di BMP da effluenti
Liquame bovino: 293 m3 biogas/tSV (CH4 55%)Liquame bovino: 293 m3 biogas/tSV (CH4 55%)
Alcuni esempi di BMP da effluenti
Letame bovino: 540 m3 biogas/tSV (CH4 57%)Letame bovino: 540 m3 biogas/tSV (CH4 57%)
Alcuni esempi di BMP da effluenti
Flottato suino: 394 m3 biogas/tSV (CH4 70,6%)Flottato suino: 394 m3 biogas/tSV (CH4 70,6%)
Freschezza del liquame suinicolo
Reattore Resa in biogas[Nm3/t SV]
Percentuale CH4
nel biogas[%]
Resa in metano [Nm3/t SV]
Liquame da tracimazione 392 68,5 269Liquame da vacuum system 557 67,2 375
Un buon insilato di cereali produce 350 Nm3 CH4/tSV !Un buon insilato di cereali produce 350 Nm3 CH4/tSV !
Qualità della sostanza organica:
Rapporto SV/ST e biodegradabilità media
Fonte: Malpei F.- 2009
65-75%
90%
80-85%
75-80%
Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo
Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti
Indici di analisi produttiva
Carico organico volumetrico (kgSV
/m3/gg): quantità di sostanza organica caricata
giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno
Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all’interno del digestore
Rendimento elettrico CHP (%): permette di definire la potenza elettrica installabile
Produzione volumetrica (m3CH4/m3digestore
/giorno): produzione giornaliera
di metano per unità di volume utile di digestore per giorno
Produzione biometano (Nm3/kgSV): produzione specifica di metano in riferimentoalla sostanza organica caricata
Carico organico volumetrico (COV)
[kg SV/m [kg SV/m33/d]/d]
COV=Q⋅ST⋅SV
V
Q=carico giornaliero (t/d)Corg = carico organico (kg/d)ST = solidi totali (% tq)SV = percentuale di SV (%ST)V = volume digestore (m3)
[ ]33digestoredigestore
SVorg
digestore
SV
mVdkgC
dmkgCOV
=
×
Oppure:
Se è troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei metanigeniSe è troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogas.
Se è troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei metanigeniSe è troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogas.
Tempo di ritenzione idraulica (HRT)
[giorni] [giorni]
All'aumentare della quantità di prodotto caricata diminuisce il tempo di ritenzione idraulica
HRT troppo bassi comportano una degradazione incompleta: efficienza di conversione bassa
HRT troppo alti: degradazione completa ma impianto è sovradimensionato
All'aumentare della quantità di prodotto caricata diminuisce il tempo di ritenzione idraulica
HRT troppo bassi comportano una degradazione incompleta: efficienza di conversione bassa
HRT troppo alti: degradazione completa ma impianto è sovradimensionato
[ ] [ ]
=
dm
Q
mVdHRT 3
digestore al alimentatidigestore
3digestoredigestore
2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 40 giorni: effluenti zootecnici> 50 giorni: matrici ligno-celluosiche
2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 40 giorni: effluenti zootecnici> 50 giorni: matrici ligno-celluosiche
Tempo di ritenzione idraulica (HRT)
Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT
Q = 40 t/g letameST = 20%SV = 78%STCH4 = 200 m3/tSV
HRT = 50 ggCOV = 3,1 kgSV/m3/gCH4 = 1.250 m3/g
Q1 = 15 t/g letame ST = 20%SV = 78%STCH4 = 200 m3/tSV
Q2 = 25 t/g liquameST = 8%SV = 80%STCH4 = 180 m3/tSV
Q = Q1 + Q2 = 40 t/gHRT = 50 ggCOV = 1,8 kgSV/m3/gCH4 = 724 m3/g
Pe = 100 kWePe = 100 kWePe = 180 kWePe = 180 kWe
V = 2000 m3
Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche)
Ceneri
SVtot
40 kg
H2O946 kg
1000 kg
Da 5°C A 38°C
Servono circa 38 kWht
Per riscaldare 1000 kg
Si producono: 40 kgSV x 0,3 m3CH4 x 9,88 kWh/m3 =118 kWh/t
Con rendimento termico 40% sono disponibili118 kWh x 40% = 47 kWh/t
80% delle risorse energetiche servono per
scaldare il liquame
al carico!
80% delle risorse energetiche servono per
scaldare il liquame
al carico!
Liquami molto diluiti dovrebbero essere addensati o integrati con letami
Liquami molto diluiti dovrebbero essere addensati o integrati con letami
Criticità della progettazione: miscelazione
●Tipologia: occorrono miscelatori ad elevata velocità che limitino la sedimentazione (liquami suini) o la flottazione (liquami/letami bovini), con molta paglia meglio rompicrosta superficiale e/o triturazione al carico
●Orientamento: i mixer devono poter essere orientabili e spostabili sull'asse verticale (la movimentazione dei miscelatori deve essere una operazione periodica e regolare per evitare di mettere in soluzione grandi quantità di SV improvvise)
●Temporizzazione: importante per limitare i consumi
Ispezionare visivamente e giornalmente l'interno del digestore e lo stato della superficie
del digestato!
Esempio: impianto liquami suinicoli (Az. Fontana, PC)
Capi presenti: 11.000 in ingrassoLiquame: 110-140 m3/gDigestori: 2 x 1370 m3
HRT: 21 giorniTemperatura: 35-40 °CCHP: 2 x 90 kW + 125 kWCOV: 1 kgSV/m3/gg
Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli
La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!
600
800
1000
1200
1400
1600
1/12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/12
Peso
viv
o m
ediam
ente
pres
ente
[t]
60708090
100110120130140150
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Peso vivo mediamente presente [t]
Poten
za el
ettric
a pro
dotta
[kW
]
Performances produttive
0
20
40
60
80
100
120
140
160
dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08
Pote
nza
elet
trica
med
iapr
odot
ta [k
W]
Potenza elettrica media116 kW
0,105 kW/t pv
Potenza elettrica media116 kW
0,105 kW/t pv
Performances produttive
Numero totale di animali n° 11.000Carico organico da liquame t
SV/mese 85,5
Potenza elettrica effettiva kW 116kW/t
pv presente 0,105
Autoconsumi ausiliari % della produzione 4,3Autoconsumi digestore % della produzione 15,4Contenuto metano % 67Resa specifica Nm3
biogas/kg
SV0,423
Impianto biogas a liquami bovini: az. Pedrotti (RE)
Consistenza zootecnica
• capi in lattazione (700): per il 70% circa dei capi su cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30% restante su cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato;• capi in asciutta (190): lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore;• Manze (310): Cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore• Manzette (300): lettiera integrale
Schema impiantistico
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
CHP330 kW
Dosatore
HRT 30-35 ggCOV 2,3-2,5 kgSV/m3/gg
HRT 30-35 ggCOV 2,3-2,5 kgSV/m3/gg
30,5 t/gg
115 t/gg
Stoccaggio3000 m3
Solido separato
Caratteristiche liquami
Tipologia di effluente ST SV NTK
[g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST]
Liquame con acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6% 4,6
Liquame senza acque lavaggio sala mungitura 80,4 63,4 78,8% 4,3
Letame 163,9 137,3 83,7% 2,9
Disponibilità totale SV: 9,7 kg/capo produttivo/giornoDisponibilità totale SV: 9,7 kg/capo produttivo/giorno
Caratteristiche liquami/digestato
Tipologia di effluente ST SV NTK
[g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST]
Miscela media al carico 97 81,3 83,98 3.236 3,34
Digestato tal quale (n=19) 56,36 40,86 72,23 3.400 5,6
Digestato chiarificato (n=2) 45,9 29,18 63,52 3.419 7,47
Digestato solido separato (n=1) 259 231 89,2 5.111 1,97
Efficienza di digestione: 50,4%Efficienza di digestione: 50,4%
Caratteristiche liquami: variabilità gestionale
Tipologia di effluente ST SV NTK
[g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST]
Liquame con raffrescamento evaporativo
73,1 56,7 77,8 4,3
Liquame senza raffrescamento evaporativo
84,1 66,7 79,2 4,3
A parità di ST, incremento di volume del 15%OVVERO
A parità di HRT 15% in meno di COV
A parità di ST, incremento di volume del 15%OVVERO
A parità di HRT 15% in meno di COV
Performances produttive
Potenza elettrica media272 kW
0,3 kW/capo produttivo
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
Produzione biogas/metano380-400 m3/tSV al 54,5% CH4
16,8-19,3 m3 CH4/t effluente
Bilancio elettrico
Parametro KWh/giorno% della
produzione lorda
Produzione lorda 6.500 -
Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1%
Autoconsumi digestore 445 6,8%Ausiliari CHP 160 2,5%
Produzione netta 5.560 85,5%Trattamento separazione solido-liquido 122 1,9%
Produzione annua stimata2.030 MWh
Produzione annua stimata2.030 MWh
Fatturato annuo previsto560.000 €
Fatturato annuo previsto560.000 €
14,4%
Conclusioni
La variabilità della disponibilità degli effluenti è un elemento di valutazione fondamentale
Il monitoraggio degli impianti è importante per ricostruire le cause di “failure”
Sottoprodotti ed effluenti garantiscono buone performances a bassi costi ma attenzione alla corretta formulazione delle “diete”
Corrette volumetrie garantiscono buona un buona efficienza