GASFARM

Reattore innovativo modulare e ad alta efficienza ABR (Anaerobic Buffled Reactor) per impianti di Digestione Anaerobica (DA) di piccola scala

Il progetto proposto GASFARM prevede la realizzazione di un impianto pilota con applicazione di una soluzione tecnologica innovativa che riguarda la reattoristica di digestione anaerobica (AD) con la finalità di promuovere la conversione della sostanza organica di scarto alto-entropica ed inquinante prodotta dagli allevamenti zootecnici in biogas e biometano in entità aziendali di PICCOLA SCALA (SSAD, Smal-Scale Anaerobic Digestion o MMAD Mini/Micro Anaerobic Digestion). Tale bioreattore innovativo è della tipologia c.d. ABR (Anaerobic Buffled Reactor), tecnologia questa già in uso da molto tempo per applicazioni depuratoristiche ma che non è stata mai implementata per finalità di recupero energetico, ovvero per massimizzare la produzione di biogas. Sereco ha sperimentato in scala di laboratorio e brevettato [ANTONIO POLETTI, ROBERTO POLETTI, LUCA POLETTI European Patent Application No. PCT/IB2013/000551 “Apparatus for the production of biogas and related method” (registered 29/03/2013) concesso il 28/10/2020 con No. 28311 003 B1, depositato in Germania con No. 13720015.0/2831003 e in Italia con No.1410640] un particolare reattore ABR opportunamente modificato nella circuitistica idraulica, nelle modalità di gestione dei carichi organici e dei tempi di residenza. Tale tipologia di reattore, in contrapposizione a quella tradizionale CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) i cui reattori sono tipicamente a piante circolare, spesso sormontati da una cupola gasometrica.
La digestione anaerobica su microscala è destinate a piccolo-medie di aziende agricole (SMF, Small-medium farms). Le unità di produzione MAD sono inferiori agli 80 kWe spingendosi fino ad un minimo di 10-20 Kwe compatibilmente con la potenza dei cogeneratori disponibili sul mercato.
La novità del progetto risiede nel fatto che la tecnologia DA, equipaggiata con un reattore ABR, si rivolge alle aziende in cui la gasificazione anaerobica derivante esclusivamente dal trattamento dei residui prodotti nel ciclo produttivo caratteristico (quindi senza apporti esogeni di altre biomasse, anche da colture dedicate) produce, quali output energetici, una potenza elettrica installata e/o una portata oraria di biogas inferiore, rispettivamente a 100 Kwe e 50 Nm3/h. Il reattore ABR può essere un’opzione di grande interesse per il settore industriale del biogas perché, oltre ad essere low-cost, è efficiente, di facile trasporto ed installazione e funzionale ad una produzione seriale, tipicamente manifatturiera.
Reattori così piccoli possono essere consegnati facilmente direttamente dall’officina meccanica di realizzazione al sito di produzione, con un trasporto stradale ordinario, evitando così le complesse e costose operazioni cantieristiche che connotano l’installazione degli impianti di DA basati sui reattori CSTR.
Il raggiungimento di economie di scala che la produzione in serie dei reattori ABR garantirebbe andrebbe a contrarre ulteriormente i costi di produzione accrescendone la competitività di mercato e, specularmente, la facilità di accesso alla tecnologia di una platea di allevatori sempre più ampia. Da tutto questo deriverebbero enormi benefici ambientali con riduzione di: gas-serra, rischio infettivo, rischio osmogenico, inquinamento suoli e comparti idrici (lentico, lotico e sotterraneo).
La bontà della proposta tecnologica è testimoniata dal brevetto presentato da Sereco approvato a livello europeo [ANTONIO POLETTI, ROBERTO POLETTI, LUCA POLETTI European Patent Application No. PCT/IB2013/000551 “Apparatus for the production of biogas and related method” (registered 29/03/2013) concesso il 28/10/2020 con No. 28311 003 B1, depositato in Germania con No. 13720015.0/2831003 e in Italia con No.1410640].
L’idea progettuale è stata presentata da Sereco Biotest nell’ambito del programma Horizon 2020’s SME instrument phase 2 call H2020-SMEInst-2016-2017 (H2020-SMEINST-2-2016-2017) of 18 January 2017 per l’area “stimulating the innovation potential of SMEs for a low carbon and efficient energy system”.Il progetto, per non essendo stato finanziato, ha ottenuto il “Seal of Excellence” della CE, una menzione di elogio particolare che ricevono i progetti di alto valore qualitativo che hanno superato tutte le soglie critiche più stringenti di Horizon 2020 per i 3 criteri premiali richiesti (eccellenza, impatto, qualità ed efficienza di implementazione) da parte di un panel internazionale di valutatori esperti. Il SOE contiene la raccomandazione a supportare il finanziamento della proposta con altre forme alternative ad Horizon 2020, quindi di derivazione regionale o nazionale.

Fig. 3 Tipologia di reattore classica

è capace di garantire rese di conversione in biogas nettamente superiori, poichè l’ ABR necessita di volumi di reazione significativamente inferiori con conseguenti minori costi di investimento e ridotti ingombri. L’ABR è una sequenza di camere di reazione biochimica separate da setti che isolano parzialmente i compartimenti permettendo comunque il passaggio della biomassa liquida. L’idrodinamica che si instaura permette la deposizione del solido metanigeno sul fondo dei vari comparti che, in sequenza, ospitano le classi specifiche di microrganismi responsabili della conversione della biomassa a biometano (Fig.4).

Il key challenge del progetto GASFARM è il lancio del sistema AD ABR-based sul mercato per la cui realizzazione è indispensabile testare un impianto AD pilota con reattore ABR in un sito dimostrativo. Il sito individuato è quello dell’azienda Checcarini di Marsciano che alleva in media 5.900 capi a ciclo per 1,8 cicli/anno. Nello specifico, il progetto ha la finalità di installare presso l’azienda Checcarini un ABR-reactor dimostrativo che funga da pilota per i) dimostrare l’efficienza della produzione di biogas ii) fungere da parametrizzatore in scala superiore a quella finora ottenuta di laboratorio (bench-scale) iii) ottenere risultati utili per poter dimensionare un pilota dimostrativo full-scale prodromico al lancio sul mercato.
Da calcoli simulativi progettuali si ritiene che un reattore ABR full-scale capace di supportare una potenza elettrica di 60-70 Kw debba avere un volume di ca. 110 m3. Come ipotesi sperimentale di progetto si assume che il prototipo sperimentale da utilizzare sarà in scala a 1:180 rispetto a quello reale, quindi con un volume idraulico di ca. 600 l.

Il piano di lavoro per l’estrinsecazione del progetto consiste nelle seguenti attività:
1) DIMENSIONAMENTO, PROGETTAZIONE, REALIZZAZIONE E INSTALLAZIONE IMPIANTO PILOTA GASFARM
1.1) Analisi dello stato dell’arte e dei fabbisogni. Sopralluogo nelle aziende
Verrà visionato il sito in cui sarà ospitato l’impianto sperimentale per definire la miglior collocazione in relazione all’ottimizzazione della rete di alimentazione del liquame.
Gli output dell’attività 1 saranno utilizzati come input progettuali nella successiva attività 2

1.2) Definizione dei parametri sperimentali e progettuali
1.2.1) Analisi delle biomasse e loro disponibilità
Nell’attività 2a verrà caratterizzato l’influente attraverso l’esecuzione di analisi chimiche e chimico-fisiche di laboratorio su più campioni secondo un opportuno disegno sperimentale. Risultato: elementi utili alla definizione delle leggi di carico e diluizione (attività 2b). Previsione delle rese attese di biogasificazione

1.2.2) Definizione delle portate e delle leggi di carico
Sulla base degli output dell’attività 2a verranno stabiliti i volumi di carico per i vari testing trials, la scelta tra processi in batch e continui, la definizione dei tempi di residenza dei solidi all’interno del reattore, le modalità di ricircolazione tra i diversi comparti del reattore. Verrà inoltre abbozzata un’ipotesi di cinetica attesa di reazione da testare sperimentalmente

1.2.3) Definizione della geometria e volume del reattore
I parametri geometrici e volumetrici sono fissi ed a prescindere rispetto agli output di 2a e 2b, in quanto il criterio progettuale adottato è quello di un reattore in scala 1:180 in volume rispetto ad un reattore containerizzabile da 110 mc. Tuttavia qualche indicazione per l’ottimizzazione (es. livello di solidi sospesi) può essere tenuto in considerazione (ad es. per la eventuale realizzazione di rompicrosta superficiali)

1.3) Progettazione preliminare, definitiva ed esecutiva del reattore
La progettazione si articolerà nelle seguenti fasi:
Design brief: definizione di una short-list di requisiti essenziali
Progettazione preliminare (preliminary drawings): prima versione del reattore che verrà soggetto a revisioni ed emendamenti da parte degli specialisti del team di progettazione fino alla produzione della progettazione definitiva
Progettazione esecutiva (working drawings) utile per la fase di produzione in officina
La progettazione esecutiva potrà essere a sua volta soggetta a revisioni.
1.4) Realizzazione bioreattore ABR in officina
Risultato: costruzione del reattore ABR previsto dal progetto e rispondente alle esigenze progettuali

1.5) Trasporto ed installazione
Il reattore insieme ad altre componenti ancillari (vasca di omogeneizzazione e di carico), sensori termici, eventuali rompicrosta, torcia di sicurezza verrà trasferito al sito di prova c/o l’Azienda Checcarini con le linee idrauliche a bordo macchina. Il fornitore provvederà con la propria squadra tecnica ad effettuale le connessioni idrauliche e ad installare le utenze elettriche.

2) SPERIMENTAZIONE

2.1) Si prevede un periodo di pre-testing volto a verificare le tenute aerauliche e il corretto funzionamento dei sistemi di trasferimento (pompe, valvole di intercettazione, ecc…) [7gg]

Un’altra fase consiste nell’induzione della reazione anaerobica (AD starting) attraverso l’inserimento di un inoculo anaerobico proveniente da un reattore AD già in esercizio.[15 gg]

Esecuzione di almeno 6 cicli di gasificazione (se in batch) della durata presumibile di 50 gg ciascuno o di un ciclo in continuo di almeno 10 mesi [10 mesi]

2.2) Valutazione risultati
Verranno valutate le cinetiche di produzione del biogas con opportuna curve e stabilite le rese produttivi in termini di:
• Resa specifica di biogas per SV (Solidi Volatili)
• Resa specifica di biogas TQ (tal quale)
• Energia elettrica producibile (con ipotesi di utilizzo del biogas in CHP con rendimento elettrico pari al 40%)
• Giorno massimo produzione CH4
• Raggiungimento 50% resa massima
• Raggiungimento 90% resa massima
• Contenuto metano nel biogas (valore medio)
• Contenuto H2S nel biogas (valore medio)

3) SPERIMENTAZIONE AGRONOMICA
3.1) Analisi chimico-fisica del digestato prodotto;
3.2) Sperimentazione agronomica in orticoltura biologica presso COOP ARIEL in due specie orticole a ciclo primaverile-estivo (concimazione con digestato, concimazione con fertlizzante riconosciuto in AB, testimone non trattato);
3.3) Analisi fogliari e bilancio nutrienti
3.4) Analisi statistica dei risultati e interpretazione dei dati.

4) Disseminazione

5) Eventuale dismissing

L’obiettivo che ci si prefigge è di ottenere allo stato stazionario almeno il 90% della resa specifica di biogas tipica per le biomasse in questione, che per i reflui zootecnici è di 650-750 Nmc/t SV con un contenuto di biogas di almeno il 60-65% con il raggiungimento del 50% della resa massima intorno ai 10-25 gg dallo start del processo e il 90% intorno ai 20-30 gg.
Il SRT (Sludge Retention Time) atteso dovrà essere > 20gg.
L’ottenimento di tali risultati, confermato in almeno 3 cicli distinti di prova, permetterà di sostenere l’ipotesi secondo cui il processo sia coerente con gli obiettivi del progetto, ovvero che sia possibile passare ad un prototipo full-scale pre-industriale da 60-70 Kwe. Queste evidenze potrebbero portare al coinvolgimento di investitori industriali o finanziari e all’interessamento di allevatori ed altri stakeholders produttiv