Appunti Agroenrgie

Agroenergie 28.09.2020

Utilizzo biochimico della biomassa

La biomassa per produrre energia deve essere prima trasformata. Essa deve essere valutata in base ad acqua e sostanza organica (in termini di ceneri e solidi volatili). Le diverse tipologie di biomassa possono produrre biogas in quantità differenti con contenuto variabile di metano.

Biomasse di origine animale

Generalmente si parla di deiezioni, ovvero l'insieme di escrezioni animali. Refluo zootecnico: miscela di deiezioni, acqua, residui di lettiera e residui vari. Possono essere liquami con il 10% di sostanza secca, semi-solidi dal 12 al 16% di ss, letame >18% ss. Fino a che i reflui sono intorno al 18% si dice che sono pompabili e si possono trasportare con delle pompe. Questo tipo di movimentazione è molto comoda perché possiamo anche movimentare senza vedere il liquame. Nel caso in cui i reflui sono solidi, essi vengono definiti palabili, ovvero vengono spostati quantità discrete di materiale. La condizione di pompabilità è molto utile perché evitiamo anche gli inquinamenti odorosi, cosa che non è possibile nel caso delle palabili.

Caratteristiche di reflui zootecnici: ss, solidi volatili, azoto, resa in biogas, metano in biogas, metano (metro cubo su tonnellata di tal quale). Questi valori dipendono da modalità di allevamento e specie. Vedendo la tabella di biomasse di origine animale, ad esempio abbiamo 15 kg di ss e avremo (15 : 100 = x : 65%) poi 9,75 kg di solidi volatili. Con questi 9,75 kg di volatili cerchiamo la resa in biogas (m³/t di s volatile): arrotondando a 10 kg, 10 kg sono 0,01 tonnellate di s volatile 0,01 x 450 = 4,5 m³ di biogas di cui il 60% è metano. Il 60% di 4,5 è 3 m³ più o meno di metano (1 m³ di metano contiene poi 15 kilowatt ora di energia che è molto poco). Stessa cosa può essere fatta con i letami.

Biomasse di origine vegetale

Mais: ha molte esigenze di irrigazione da fare in pianura, nelle Marche non sono presenti pianure e quelle poche che ci sono non sono destinate al mais per biogas.

Sorgo: rispetto al mais riesce a produrre anche in condizioni di non irrigazione, esso è un’ottima alternativa collinare al mais. Dal punto di vista normativo, l’insilato di sorgo è stato tollerato come coltura dedicata per cofermentazione, quello di mais non è inserito.

Rifiuti solidi urbani (forsu): può produrre molto biogas, il problema è avere sempre una forsu di prima qualità.

Biomasse per la produzione di oli e grassi

Residui animali che presentano molti grassi possono essere usati per il biodiesel. Essi non devono presentare possibili pericoli per la problematica, per esempio della mucca pazza. Tutto il materiale di origine nervosa non può essere usato per la produzione di biogas. Per legge, possiamo incenerirli oppure può trasformarsi in biodiesel (non porta rischi perché poi il biodiesel viene bruciato).

Biomasse per la produzione di oli

Ci sono due tipi di oli grassi: gli oli vegetali esausti e i grassi animali esausti più le produzioni vegetali dedicate in cui devo destinare dei territori al fine di farli crescere.

Produzione di grassi a partire dalle alghe

Produzione alghe: da 10 a 100 tonnellate ettaro.

• Vantaggi: Non si vanno ad utilizzare le superfici agricole, il numero di microalghe che ha interesse nel produrre biogas è molto numeroso, molta produzione grazie ai bioreattori orientati in modo da avere la luce del sole per far crescere le alghe oppure utilizziamo delle serre, contribuisce alla riduzione di CO₂, possono crescere in acque reflue.
• Svantaggi: Molte produzioni ma si riferiscono alla sostanza secca e le alghe sono costituite per lo più da acqua quindi ne serve una grande quantità.

Coltura oleaginosa

Questi semi hanno delle produzioni che si aggirano mediamente dalle 2 ai 3,5 tonnellate ettaro. La produzione regionale di girasole è di 2.5 tonnellate ettaro di semi, esso ha percentuale di sostanza oleosa di circa 50%. La resa media è di una tonnellata ettaro di olio puro di girasole. In Italia la coltivazione si colloca nella fascia centrale.

Mentre l’olio di girasole è un olio che costituisce il prodotto principale della nostra coltura, quando si parla di soia l’olio è il prodotto residuale, un sottoprodotto. Il prodotto principale è infatti la farina di soglia per gli allevamenti.

Piante arboree che producono olio

Palma da olio: è un olio molto prodotto a livello mondiale perché hanno una resa elevata, si va da 1 una tonnellata fino a 7 tonnellata ad ettaro. Più produttiva di una coltura erbacea e poi la pianta arborea mi dura negli anni perciò ho anche meno spese. Inoltre ho molta meno stagionalità perché questi alberi producono frutti tutto l’anno.

Jatrofa: gli animali non sfruttano questa pianta perciò viene utilizzata con l’unico scopo di produrre energia. La resa in olio va da 0.04 t/ha in modo spontaneo fino a 3,5 t/ha se coltivata con i caratteri necessari. Questa coltura produce olio vegetale puro che ha quasi la stessa quantità di energia di un gasolio.

L’olio esausto viene recuperato dalle cooperative specifiche.

Processo di rigenerazione di oli vegetali esausti

Una volta raccolto l’olio deve essere sottoposto ad una serie di operazioni.

• L’olio viene prodotto
• Deve esserci uno stoccaggio e un trasporto
• Una volta stoccati entrano in gioco le aziende che depurano e trasformano l’olio. Si passa da olio esausto a olio che può essere poi immesso in più settori compreso quello energetico. Può essere anche trasformato in biodiesel.

Biogas

Come posso usarlo?

• Per produrre calore
• In un motore endotermico per la produzione di energia meccanica
• Se lo inserisco in un generatore elettrico io produco energia elettrica ed energia termica

Vantaggi ambientali

Se lasciassi il liquame in un vascone, il metano se ne andrebbe in atmosfera con l’anidride carbonica. Questi impianti sono nati proprio per stabilizzare i liquami. 1 molecola di metano vale 25 molecole di CO₂. Se riesco a ridurre il metano prodotto è come se io riducessi la CO₂ di 25 volte.

Agroenergie 29.09.2020

Filiera biogas-energia

Schema di stalla sociale: abbiamo residui zootecnici e biomassa vegetale da inserire nel digestore (funziona ad una temperatura elevata prestabilita) che è un miscelatore per amalgamare solidi di diversa natura. Ci sono 2 fermentatori, nel primo avviene soprattutto la fase di produzione e la prima fase di distruzione delle macromolecole, nel secondo continua la fermentazione e vi è un recupero di gas. Il biogas finisce in un motore che lo trasforma in energia elettrica ed energia termica.

Produzione di bio-metano

C’è poi un’altra visione del biogas, non si usa per produrre energia ma biometano (butto via tutte le componenti e tengo il metano puro al 90% circa). Per poter usare bene il biometano ho bisogno di un altro impianto, un impianto di up-grading che funziona con tecnologie diverse. Queste strutture hanno bisogno di impianti di produzioni di biogas molto molto grandi. Gli impianti di biogas stanno crescendo in Italia, sono circa 1000 con 750 mega watt installati, la potenza media installata sarà di meno di un megawatt elettrico. Un impianto agricolo da biogas quindi va da 50 a 999 kilowatt elettrici (999 perché fino ad un 1 megawatt è riconosciuto all’interno di finanziamenti governativi).

Marche: abbiamo 14 impianti che hanno una potenza media di 739 kilowatt elettrici ad impianto (non tutti da 739 ovviamente alcuni da 100 alcuni da 999, 739 è una media).

Schema gruppi batterici attivi nei processi di digestione anaerobica

Una volta che le macromolecole entrano nel digestore ci sono delle comunità microbiche che le trasformano in elementi più semplici. Carboidrati trasformati in zuccheri, grassi in glicerolo, proteine in gruppi subproteici. Si produce ammoniaca e acido solfidrico che sono residui delle proteine, poi abbiamo indolo e scatolo che sono molecole cicliche e danno il classico odore fecale. La maggior parte della sostanza organica viene trasformata in metano e CO₂, metano per il 50-80%, CO₂ 50-20%. Fondamentale è aumentare la percentuale del metano al posto della CO₂ che fa solo volume e non interviene nella produzione di energia. Si forma da tutto ciò il digestato che sarà usato per utilizzo agricolo.

Cosa succede in un digestore?

Freccia che parte dal tempo zero e tempo 1: tempo in cui tutto il fenomeno evolve, non possiamo avere tempi precisi però se voglio fare evolvere tutta la biomassa generalmente mi serve molto tempo. Appena la biomassa raggiunge il digestore c’è la fase di idrolisi a carico di funghi (che hanno bisogno di ossigeno contenuto nella biomassa) e batteri idrolitici. I funghi prendono le macromolecole e le trasformano in molecole più semplici. La seconda fase è quella di fermentazione dove sono presenti batteri acidofili che trasformano gli zuccheri in acidi organici a catena corta. Una volta che ho questi acidi organici arrivano i batteri acetogeni che li trasformano in CO₂ e acetato. Intervengono poi gli omoacetogeni che usano CO₂ e H₂ per produrre acetato. Si passa poi alla fase di metanogenesi con batteri metanigeni che sono anaerobi obbligati e si dividono in:

• Idrogenotrofi
• Acetoclastici (vedi slide)

Non posso usare l’impianto a biogas come se fosse una discarica a cielo aperto perché se butto degli elementi non adeguati nell’impianto si rovina tutto l’equilibrio.

Schema biogas

Esso è composto da molto metano, CO₂, azoto, idrogeno, idrogeno solforato. Dove va tutto l’azoto che compone le proteine? Lo ritrovo tutto nel digestato che ha proprio il compito di spostarlo. PCI del metano = 9.97 kwattora/m³.

Schema semplificato digestore

Il cuore dell’impianto biogas è il digestore. Ha una base cilindrica con un’emisfera che si sovrappone a questa base. Dentro questo cilindro abbiamo la biomassa che verrà trasformata in biogas. All’interno posso modificare la temperatura condizionando la biomassa. Queste temperature vanno dai 30 ai 60 gradi a seconda di cosa ho deciso di fare. La temperatura si modifica grazie a degli scambiatori di calore. Questi scambiatori funzionano come dei termosifoni, sono presenti dei tubi in cui scorre acqua calda.

Principali caratteristiche di funzionamento degli impianti

• Non si va mai oltre del 20% di ss perché viene utilizzato sempre materiali liquidi o semi-liquidi. Gli impianti a secco sono usati per il residuo urbano.
• La temperatura mi definisce impianti che agiscono in psicrofilia <20, 30 e 40 meso, 45-55 termofilia.
• Spesso questi impianti sono divisi da un punto di vista delle fasi biologiche (prima abbiamo visto 3 fasi biologiche). C’è la possibilità di favorire la divisione delle fasi biologiche: distinguiamo impianti monostadio (con un unico digestore dove avvengono tutte le fasi) e bistadio (impianto dove nel primo digestore avviene soprattutto l’idrolisi e comincia un po' delle altre 2 fasi, poi la biomassa accede al secondo digestore in cui avvengono completamente le altre 2 fasi).
• 3 tipi di miscelazione: impianti senza miscelazione (non riguarda l’aspetto agricolo), impianti con miscelazione del substrato (tutti gli impianti del settore agricolo), impianti con substrato sospinto (primo fermentatore con sostanza secca più elevata, la seconda fase con sostanza più liquida).
• Funzionamento continuo (agricolo), discontinuo (discarica).

Tenore in ss

Abbiamo impianti che funzionano ad umido (ss <10%) e qui troviamo quasi tutti gli impianti zootecnici, a semi secco (10-20%) e qui troviamo impianti agricoli che hanno come base di produzione di biogas le colture dedicate o colture vegetali residuali, a secco (20-35%) e qui troviamo la discarica e l’insilato di mais.

Temperatura di processo

I microrganismi sono delicati e risentono molto dell’ambiente, in particolare della temperatura di funzionamento. Quando si lavora in psicrofilia, per esempio, chi fa questo processo sono sempre funghi e lieviti ma cambiano i ceppi che si adattano a quelle temperature. A seconda della temperatura di funzionamento, io ho dei tempi di emissione del biogas diversi, dei tempi in cui la biomassa riesce ad arrivare all’accumulo massimo di biogas.

Curva a 20 gradi: inizia l’evoluzione di biogas, la quantità accumulata continua e diventa massima e costante dopo 100 giorni. La biomassa per evolvere tutta la % di biogas possibile impiega 100 giorni.

Temperatura di 30 gradi: l’andamento è sempre lo stesso ma il massimo si ha dopo 50 giorni.

Temperatura di 50 gradi: 40 giorni significa che man mano che alzo le temperature la velocità di emissione di biogas è maggiore. Le temperature sono alte, meno il volume del mio impianto deve essere elevato.

I limiti di temperatura vanno da 5 a 65, in entrambi i casi i microrganismi smettono di lavorare.

Tempo di ritenzione

Il volume del digestore è in rapporto con il tempo di ritenzione (tempo in cui il biogas rimane nel digestore).

5.10.2020

Principali caratteristiche di funzionamento degli impianti

Divisione delle fasi biologiche

Tanta biomassa immetto, tanto digestato deve uscire, input e output dal punto di vista quantitativo sono uguali. È presente anche emissione di biogas. Se abbiamo due digestori avremo: un digestore primario in cui prevale l’idrolisi perché immettiamo biomassa fresca (perché in esso immetto la maggior parte delle biomasse) avviene anche acetogenesi perché arriva biomassa ridotta e avendo una grande quantità di zuccheri, i batteri che li degradano sviluppano in grande quantità acido acetico. Da queste degradazioni otteniamo gli output che sono minori rispetto al sistema precedente con un digestore perché i batteri producono acido acetico che evapora. Un po’ di metano si sviluppa. Il metano viene captato e la biomassa così trasformata si sposta nel digestore secondario che presenta una copertura in cemento in modo che i gas non vengano persi.

Miscelazione

È una delle condizioni più importanti per determinati impianti. La miscelazione può essere idraulica (la biomassa in ingresso con un tenore di ss basso, può essere immessa attraverso dei sistemi idraulici ovvero una pompa. Questo provoca che la biomassa provochi dei movimenti di massa all'interno della biomassa ottenuta e questo fa sì che ci sia miscelazione) o meccanica (ho degli elementi che grazie alla loro rotazione mi permettono la rotazione della biomassa. Si trovano ai lati del digestore e sono delle eliche che messe in azione, ruotano e creano dei vortici. Altri tipi di miscelatori meccanici sono costituiti da pale molto più grandi che ruotano intorno ad un asse). I rimescolatori funzionano ad intermittenza e funzionano in associazione all’immissione di sostanza organica. Asse orizzontale: abbiamo un serbatoio, la biomassa entra con un tenore di ss che può essere tra 18 e 20%, essa è quindi solida. Il rimescolamento sarà dato da una serie di pale che continuano lungo tutto l’asse orizzontale del digestore che rimescolano la biomassa e permettono di far procedere la biomassa dal punto iniziale del digestore a quello finale. Una volta arrivata alla fine, viene immessa in un digestore ad asse verticale che viene arricchito di biomassa liquida portandola % di ss ad un livello poco superiore al 10%. Tutto il processo è continuo, cioè ho continuamente immissione di sostanza organica ed emissione di digestato. Se tutto va bene non ci si ferma mai tranne per i fermi tecnici.

Impianti senza miscelazione

Nel caso in cui non ci siano dei sistemi di miscelazione, io ho delle strutture che vengono riempite completamente, chiuse, si lascia che il processo evolva e dopo un certo tempo di ritenzione, la struttura viene aperta e scaricato tutto il digestato senza miscelazione. In questo caso si ripesca il percolato comprimendo la biomassa. Questi sistemi sono adottati nei sistemi per il trattamento della frazione organica del rifiuto urbano. Il percolato non è da eliminare: esso viene passato dentro uno scambiatore di calore. Il percolato viene scaldato e reimmesso sopra la biomassa che sta evolvendo. Non si effettua il rimescolamento ma si prende il percolato in modo che penetri nella biomassa e aumentare i microbi che stanno lavorando.

Il percolato può essere anche messo in sacchetti plastici, non si ha la ripresa del percolato ma si cerca di attivare il processo scaldando il pavimento su cui questi sacchi vengono posizionati, qui abbiamo sistemi di recupero di biogas. Questi sistemi sono discontinui.

Tipologie di impianto semplificato monostadio non riscaldato per liquami

Si separa la poca frazione solida da quella liquida perché non ci interessa la frazione solida. Essa si presenta come un compost leggero e ha il vantaggio di avere azoto organico che se distribuito in campo ha un rilascio più lento e più efficace. Il resto che rimane lo metto nel lagone, se lo lasciassi scoperto si formerebbe ammoniaca. Si copre il lagone con del materiale plastico particolare collegato a sistemi di raccolta del biogas. È una soluzione molto economica che però non ha miscelazione e quindi strati non omogenei che o galleggiano formando una crosta oppure si accumula sul fondo.

Vantaggi: non si perde ammoniaca, la frazione solida distribuita in campo.

Semplificato monostadio riscaldato non miscelato per soli liquami

La frazione solida e liquida vengono separate, viene immesso il liquido dentro la struttura coperta con telo. Questa struttura è molto meno grande e può appoggiare su una soletta in cemento e al di sopra può essere presente un sistema di riscaldamento. Il riscaldamento porta ad una velocizzazione del processo e permette alla biomassa in uscita di essere più elaborata di quanto non fosse in precedenza senza riscaldamento. Il calore deriva da un generatore di piccola potenza 50 kilowatt elettrici. Ho una biomassa più stabilizzata.

Monostadio riscaldato miscelato

Ho un solo fermentatore (monostadio). In questi impianti è stato fatto un ingente investimento di denaro.