Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Allestimenti di reattori multistadio per la digestione anaerobica dei reflui agro-industriali e confronto con processo convenzionale

This study fits into the context of activities aim at waste bioremediation and valorization through the production of energy according to principles of environmental sustainability. The experimental work was carried out at the laboratories of the Department of Civil Engineering, Environmental and Materials (DICAM) of the Faculty of Engineering. The main objective was to enhance the treatment of high organic loading waste, such as manure and cheese whey, through advanced anaerobic digestion systems in order to obtain biogas rich in methane. On the basis of the premise that the environmental conditions pertaining in most anaerobic wastewater digesters are not optimal for both fermentative and methanogenic microorganisms, the research was particularly focused on the implementation of two-phase anaerobic digesters. In fact a two-phase process permits selection and enrichment of different bacteria in each digester by independently controlling the digester operating conditions. Thus, the first phase (acidogenesis) can be operated to optimize acidogenic growth and the second phase (methanogenesis) to optimize methanogenic growth. (Ince O. , 1998). Before reactors’ set up, , some lab scale experiments were carried out to identify the best manure and whey ratio and the best conditions of temperature, pH, hydraulic retention time of acidogenesis an methanogenic phases.

Valutazione dell'eco-sostenibilità di un impianto di digestione anaerobica cogenerativo e ipotesi di conversione impiantistica per la produzione di biometano

Considerando l'elevato grado di inquinamento del pianeta e la forte dipendenza delle attività antropiche dai combustibili fossili, stanno avendo notevole sviluppo e incentivazione gli impianti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. In particolare, la digestione anaerobica è in grande diffusione in Italia. Lo studio in oggetto si prefigge l'obiettivo di determinare, mediante analisi di Life Cycle Assessment (LCA), i carichi ambientali di un impianto di digestione anaerobica, e della sua filiera, per valutarne l'effettiva ecosostenibilità. L'analisi considera anche gli impatti evitati grazie all'immissione in rete dell'energia elettrica prodotta e all'utilizzo del digestato in sostituzione dell'urea. Lo studio analizza sei categorie d'impatto: Global warming potential (GWP), Abiotic depletion potential (ADP), Acidification potential (AP), Eutrophication potential (EP), Ozone layer depletion potential (ODP) e Photochemical oxidant formation potential (POFP). I valori assoluti degli impatti sono stati oggetto anche di normalizzazione per stabilire la loro magnitudo. Inoltre, è stata effettuata un'analisi di sensitività per investigare le variazioni degli impatti ambientali in base alla sostituzione di differenti tecnologie per la produzione di energia elettrica: mix elettrico italiano, carbone e idroelettrico. Infine, sono stati analizzati due scenari alternativi all'impianto in esame che ipotizzano la sua conversione ad impianto per l'upgrading del biogas a biometano. I risultati mostrano, per lo scenario di riferimento (produzione di biogas), un guadagno, in termini ambientali, per il GWP, l'ADP e il POFP a causa dei notevoli impatti causati dalla produzione di energia elettrica da mix italiano che la filiera esaminata va a sostituire. I risultati evidenziano anche quanto gli impatti ambientali varino in base alla tipologia di alimentazione del digestore anaerobica: colture dedicate o biomasse di scarto. I due scenari alternativi, invece, mostrano un aumento degli impatti, rispetto allo scenario di riferimento, causati soprattutto dagli ulteriori consumi energetici di cui necessitano sia i processi di purificazione del biogas in biometano sia i processi legati alla digestione anaerobica che, nel caso dello scenario di riferimento, sono autoalimentati. L'eventuale conversione dell'attuale funzione dell'impianto deve essere fatta tenendo anche in considerazione i benefici funzionali ed economici apportati dalla produzione del biometano rispetto a quella del biogas.

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Dal biogas al biometano, analisi tecnico-economica di un'applicazione su scala reale e prospettive di sviluppo. Studio di fattibilita per l'impianto di digestione anaerobica di Etra S.P.A.

L’emanazione del Decreto 5 dicembre 2013, ha inaugurato una nuova stagione per il settore energetico italiano, dando vita anche in Italia, in linea con gli altri paesi europei, alla possibilità di valorizzare il biogas, prodotto a seguito di un processo di digestione anaerobica, come biometano, un gas con maggiore contenuto energetico che a seguito di opportuni trattamenti, può essere paragonabile al gas naturale. Il lavoro svolto pertanto si pone come obiettivo quello di individuare gli elementi peculiari che potrebbero favorire lo sviluppo e la crescita del biometano nel contesto italiano.

Analisi dell' upgrading di un impianto di digestione anaerobica: da biogas a biometano.

L'opera preliminarmente in una accurata analisi della configurazione e delle interrelazioni dei sistemi energetici presenti nello stabilimento produttivo Caviro Enomondo. Successivamente è svolto un approfondimento del quadro normativo relativo all’incentivazione delle fonti energetiche rinnovabili non fotovoltaiche e delle sue recenti evoluzioni, andando ad identificare tutte le possibili vie di sviluppo per impianti di produzione di biogas promosse a livello nazionale e che possono potenzialmente trovare applicazione nell’impianto in esame; questo studio è effettuato con particolare attenzione alla opportunità di effettuare un upgrading di tale impianto per realizzare ad una raffinazione totale o parziale del biogas a biometano. A seguito dell’identificazione della tipologia di prodotto e/o di processo che offre le migliori prospettive per una implementazione industriale e delle caratteristiche chimico-fisiche che questo deve rispecchiare, si prosegue quindi individuando lo schema impiantistico ottimale per adeguare l’attuale sistema di produzione al nuovo target. A seguire, approfondendo lo studio delle varie tecnologie disponibili ad oggi allo stato dell’arte, si identificano quelle maggiormente promettenti, mettendone in evidenza peculiarità positive e negative di ciascuna e giungendo alla identificazione della combinazione ottimale in termini di economicità, capacità produttiva, sicurezza ed impatto ambientale. Una volta individuate le caratteristiche di massima dell’impianto si procede ad un dimensionamento più accurato dello stesso andandone a valutare anche entità dei costi di investimento e di gestione. Attraverso l’instaurazione di contatti con ditte specializzate operanti nel settore industriale di riferimento, si giunge all’individuazione specifica dei modelli dei macchinari ed impianti richiesti. Il progetto si sviluppa successivamente andando a valutare le possibili modalità di utilizzo del prodotto finale che offrono maggiori prospettive di valorizzazione per l’azienda, identificando le varie soluzioni e gli interventi necessari per ciascuna di essa. La parte successiva dell’elaborato consiste in un confronto, in termini di valutazioni economiche, sull’opportunità di ognuna delle soluzioni prospettate, tenendo in considerazione i costi di investimento, di esercizio, i ricavi, e la componente incentivante. Si va infine a concludere il progetto proponendo una road-map per la realizzazione della soluzione che si evidenzia come la più promettente, con crono-programma degli interventi da eseguire, e aspettative di sviluppo a medio-lungo termine dell’investimento.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.