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Thematic MeetingOpportunità di innovazione nel
campo dell’efficienza energetica
Sistemi di controllo degli Sistemi di controllo degli impianti di digestione impianti di digestione
anaerobica, peranaerobica, perottimizzarne leottimizzarne le
rese energeticherese energetiche
VERONA, BIOENERGY EXPO5 FEBBRAIO 2010
Soluzioni per il monitoraggio automatico Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori dei parametri funzionali dei digestori anaerobici individuate dal Progetto anaerobici individuate dal Progetto
EUAGROBIOGASEUAGROBIOGAS
Paolo Balsari, Fabrizio Gioelli, Phil HobbsPaolo Balsari, Fabrizio Gioelli, Phil HobbsDEIAFA – Università di TorinoDEIAFA – Università di TorinoIGER – North Wyke ResearchIGER – North Wyke Research
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
Iniziativa Europea per incrementare la produzione degli Iniziativa Europea per incrementare la produzione degli impianti di biogas di tipo „agricolo“impianti di biogas di tipo „agricolo“
Progetto finanziato nell’ambito del VI Programma Quadro – Priorità 6Sistemi Energetici Sostenibili
Inizio Progetto: 15 Gennaio 2007Fine Progetto: 15 Gennaio 2010
Coordinatore:Coordinatore: Prof.Prof. Thomas Amon Thomas Amon University of Natural Resources and Applied Life Sciences, ViennaUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
EU-AGRO-BIOGAS
BOKUKoordinator
A RNW
EC BREC
UNIT
VUZTCZ
KTBLD
Vogelsang
ATBD
GEJJenbacher
AHUDK
RTDServices
A
ASG & PRI
14 Enti 8 Nazioni100 Ricercatori
DEIAFADEIAFASez. MeccanicaSez. MeccanicaFacoltà AgrariaFacoltà Agraria
vTi
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Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
Obbiettivi Obbiettivi GeneraliGenerali del Progetto EU AGRO BIOGAS del Progetto EU AGRO BIOGAS
Sviluppo e ottimizzazione dell’intero sistema di produzione del biogas: produzione delle biomasse, produzione e trattamento del biogas, utilizzazione dell’energia elettrica e termica
Diffusione e dimostrazione delle soluzioni tecniche migliorative individuate nell’ambito del Progetto
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
1 Ottenere un uso efficiente delle biomasse
Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS
Definire le caratteristiche fisico-chimiche e le
potenzialità produttive delle biomasse
Valutare in termini energetici ed economici le diverse
biomasse
Ottimizzare l’impiego delle biomasse anche attraverso il
loro pre-trattamento
Database On-line
Modelli previsionali produttivi
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
2 Valutare la funzionalità, i problemi gestionali, la sostenibilità ambientale ed economica degli impianti di biogas
attualmente in funzione in Europa
13 IMPIANTI MONITORATI A PARTIRE DA GENNAIO 2008
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
3 Incremento della produzione di biogas, della sua conversione e utilizzazione
Pre-trattamenti biomasse ligno-
cellulosicheFISICI – TERMICI -
CHIMICI
Implementazione del sistema di
alimentazione e miscelazione
Sviluppo di un sistema di allarme precoce del non funzionamento dell’impianto di
D.A.
Incremento dell’efficienza del
processo di trasformazione del biogas in energia
termica ed elettrica
EARLY WARNING SYSTEM
- IGER (UK) -
QUICK MIX- VOGELSANG -
- JENBACHER -
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4 Incremento dell’utilizzazione dell’energia termica prodotta dal co-generatore attraverso una sua gestione
ottimizzata
Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
• Collegamento con sistemi di teleriscaldamento (quando esistenti)• Utilizzo dell’energia termica a livello aziendale• Essiccazione cereali – cippato e trattamenti termici biomasse• Miglioramento della gestione dell’energia termica prodotta
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Obiettivi Specifici del Progetto EU AGRO BIOGAS
Il progetto EU-Agro biogasIl progetto EU-Agro biogas
5 Dimostrazione dei vantaggi economici e ambientali delle soluzioni messe a punto dal Progetto
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early warning systemL’Early warning system
Sviluppo di un sistema di allerta precoce sul non corretto funzionamento del processo di D.A.
Dr. Phil HobbsIGER - North Wyke Research, Okehampton
Devon, EX20 2SB - [email protected]
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Il monitoraggio della digestione anaerobicaIl monitoraggio della digestione anaerobica processo difficoltoso e complesso, ma necessario processo difficoltoso e complesso, ma necessario
• L’instabilità del processo spesso è legata all’inibizione dei batteri metanigeni dovuta ad un eccesso di acidi grassi
• Pochi sensori affidabili per il monitoraggio on-line di parametri funzionali importanti
• La misura dei parametri può essere realizzata:
Fase liquida: Fase gassosa:
• produzione biogas• contenuto in CH4
• acidi grassi volatili, • pH• Alcalinità• COD• H dissolto
L’Early warning systemL’Early warning system
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L’Early warning systemL’Early warning system
Obbiettivi della realizzazione dell’Early Warning SystemObbiettivi della realizzazione dell’Early Warning System
Poter disporre di uno strumento in grado di:
• rilevare anticipatamente eventuali variazioni di parametri che fungono da indicatori del corretto andamento della digestione anaerobica
• calibrare automaticamente il carico organico del digestore in funzione della variazione di tali parametri, del tipo di alimentazione dell’impianto e di eventuali pretrattamenti delle biomasse
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early warning systemL’Early warning system
Fasi operative dello sviluppo dell’Early Warning SystemFasi operative dello sviluppo dell’Early Warning System
• Definizione dei principali parametri in grado di controllare l’andamento del processo di DA (attraverso il benchmarking degli impianti selezionati per il progetto e l’analisi dello stato dell’arte sulle tecnologie di monitoraggio disponibili)
• Verifica di sistemi per la misura dei parametri di controllo individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto
• Sviluppo del sistema di controllo
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L’Early Warning SystemL’Early Warning System
Tipologia di sensoreTipologia di sensore % di impianti impianti% di impianti impianti
Sensori di pHSensori di pH 100100
Sensori di potenziale redoxSensori di potenziale redox 1414
Sensori di conducibilitàSensori di conducibilità 1414
Sensori di CODSensori di COD 2929
Sensori di torbiditàSensori di torbidità 00
Sensori per acidi grassi Sensori per acidi grassi volatilivolatili
4343
Sensori per solidi volatiliSensori per solidi volatili 5757
Sensori di alcalinitàSensori di alcalinità 00
Sensori di temperaturaSensori di temperatura 100100
Sensori di volume Sensori di volume 7171
Tipologie di sensore impiegate presso gli impianti
Definizione dei principali parametri di controllo dell’andamento del Definizione dei principali parametri di controllo dell’andamento del processo di DA processo di DA (risultati del periodo di benchmarking)(risultati del periodo di benchmarking)
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Parametri ritenuti necessari per il controllo dell’andamento del Parametri ritenuti necessari per il controllo dell’andamento del processo di DAprocesso di DA
• Composizione del biogas: (%CH4, CO2..)
• Potenziale redox• pH : parametro fondamentale per la definizione del corretto andamento della digestione anaerobica MA quando si verifica una variazione, il processo è già compromesso!• Alcalinità: definisce il potere tampone della biomassa la sua variazione consente
di conoscere anticipatamente eventuali instabilità del processo parametro più affidabile del pH
• Acidi grassi volatili: riconosciuti come importanti prodotti intermedi della digestione anaerobica il loro accumulo è indice di instabilità di processo
L’Early warning systemL’Early warning system
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Strumenti di monitoraggio utilizzabiliStrumenti di monitoraggio utilizzabili
L’Early warning systemL’Early warning system
(pH, redox, conducibilità)
Analizzatore TOC
Spettrometro UV
Spettr. FTIR-IR
Sensori online per acidi grassi
volatili
Gascromat. spazio di testa
Alcalinità parziale
X
Alcalinità totale
X
Bicarbonato X X
CO2 dissolta X X
Carbonio organico totale
(TOC)
X X X
COD solubile X X
Acidi grassi volatili totali
X X X X
Acetato
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning System
Misura dell’alcalinità: indiretta tramite lo sviluppo di algoritmidiretta tramite NIRS
Misura diretta del contenuto in acidi grassi volatili:
tramite NIRStramite naso elettronico
Modalità di misura messe a punto e monitorate nell’ambito del progetto
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early warning systemL’Early warning system
L’impianto pilota• 2 digestori
• Fasi di idrolisi e metanogenesi separate
• Miscelazione discontinua;
• Sensori di: temperatura, pH, pot. Redox, conducibilità
• NIRS: misura di acidi grassi volatili, alcalinità
Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early warning systemL’Early warning system
Software di gestione Labview
• Controllo e automatizzazione delle operazioni di pompaggio e
miscelazione;
• Acquisizione dei valori di pH, potenziale redox e conducibilità;
stima del valore di alcalinità sulla base dei dati acquisiti e di algoritmi
Verifica di sistemi per la misura dei parametri individuati, presso un impianto pilota realizzato nell’ambito del progetto
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
Il sistema Early WarningIl sistema Early Warning
Misura indiretta dell’alcalinità tramite algoritmiMisura indiretta dell’alcalinità tramite algoritmi
Il valore di alcalinità viene desunto da altri parametri misurabili tramite sensori spesso installati presso gli impianti di digestione anaerobica. Gli
algoritmi dipendono dal tipo di alimentazione impiegata
Alcalinità = -8906+(81678 x pH)+(1.998 x redox)+(384.2 x EC)Alcalinità = -8906+(81678 x pH)+(1.998 x redox)+(384.2 x EC)
(EC: conducibilità)(EC: conducibilità)
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning System
Confronto tra i valori di alcalinità misurati tramite NIRS e titolazione
R2=0.87
mg/
l
mg/l
Misura diretta dell’alcalinità tramite NIRSMisura diretta dell’alcalinità tramite NIRS::
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning Systemm
M
Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite NIRSMisura diretta degli acidi grassi volatili tramite NIRS::Confronto tra acidi grassi volatili misurati tramite NIRS e analisi di laboratorio
R2=0.66
mM
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L’Early Warning SystemL’Early Warning System
Misura diretta degli acidi grassi volatili tramite naso elettronicoMisura diretta degli acidi grassi volatili tramite naso elettronico::
Acido propionico
Naso elettronico (g/l)
Gas
crom
atog
rafo
(g/l)
Acido acetico
Naso elettronico (g/l)
Gas
crom
atog
rafo
(g/l)
R2=0.96R2=0.86
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemControllo del processo tramite il parametro alcalinità e
acidi grassi
Valori di alcalinità di all’interno del range di
riferimento
Valori di alcalinità superiori a quelli del range di riferimento
Valori di alcalinità inferiori a quelli del range di riferimento
Sistema di controllo
(Lab view)
Aumento del carico organico
Mantenimento del carico organico
Riduzione del carico organico
Sonde pH, redox, EC
Algoritmo previsionedell’alcalinità
Misura direttadell’alcalinità
(NIRS)
attu
ator
i
Mis
ura
dire
ttaA
cidi
gra
ssi
(NIR
S)
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemUtilizzo dell’early warning system per il controllo del processo di
digestione anaerobica – un caso studioAlimentazione
manualeAlimentazione con
early warning
Acido acetico Produzione media biogas (l/h)
Thematic Meeting - Verona, BIOENERGY EXPO, 5 febbraio 2010Opportunità di innovazione nel campo dell’efficienza energeticaSistemi di controllo degli impianti di digestione anaerobica, per ottimizzarne le rese energetiche
L’Early Warning SystemL’Early Warning SystemCONCLUSIONI
-Il sistema Early warning ha dimostrato di poter essere impiegato utilizzando i sensori normalmente impiegati presso gli impianti di digestione anaerobica per la misura di pH, potenziale redox e conducibilità, ricavando da questi ultimi attraverso opportuni algoritmi il valore di alcalinità
- Il sistema NIRS è in grado di fornire letture affidabili di importanti parametri quali l’alcalinità e il contenuto in acidi grassi volatili. Quest’ultimo, tuttavia, deve essere calibrato a seconda del tipo di alimentazione del digestore
- E’ possibile misurare il contenuto in acido acetico e propionico del biogas tramite naso elettronico, ma il sistema deve essere ulteriormente studiato e calibrato
Thematic MeetingOpportunità di innovazione nel
campo dell’efficienza energetica
Sistemi di controllo degli Sistemi di controllo degli impianti di digestione impianti di digestione
anaerobica, peranaerobica, perottimizzarne leottimizzarne le
rese energeticherese energetiche
VERONA, BIOENERGY EXPO5 FEBBRAIO 2010
Soluzioni per il monitoraggio automatico dei parametri funzionali dei digestori anaerobici
individuate dal Progetto EUAGROBIOGAS
Per informazioni: dr. Phil [email protected]
GRAZIE PER L’ATTENZIONE!GRAZIE PER L’ATTENZIONE!