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.

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.

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.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.

Pretrattamenti enzimatici su FORSU per la produzione di biogas

Questo lavoro di tesi intende approfondire gli aspetti relativi alla valorizzazione della frazione organica da rifiuti solidi urbani (FORSU) per la produzione di biogas mediante fermentazione anaerobica. In particolare sono stati studiati pretrattamenti di tipo enzimatico al fine di agevolare la fase di idrolisi della sostanza organica che costituisce uno degli stadi limitanti la resa del processo di produzione di biogas. A tal fine sono stati caratterizzati e selezionati alcuni preparati enzimatici commerciali indicati per il trattamento di matrici ligno-cellulosiche per le loro attività carboidrasiche come quella amilasica, xilanasica e pectinasica. Gli esperimenti hanno comportato la necessità di fare un’approfondita analisi merceologica della FORSU al fine di poter sviluppare un sistema modello da utilizzare per le prove di laboratorio. L’azione enzimatica è stata verificata sulla FORSU modello sottoposta a vari pre-trattamenti termici e meccanici in cui l’azione idrolitica è stata maggiormente osservata per quelle frazioni tipicamente di origine amidacea. I risultati di laboratorio sono stati poi utilizzati per valutare un’estrapolazione industriale del pre-trattamento su un impianto che tratta FORSU per produrre biogas attraverso un processo di fermentazione industriale dry in biocella.

Impianti per la generazione distribuita di biometano e per l'immissione nelle reti di distribuzione del gas naturale.

Studio dell'avvento di nuove realtà produttive energetiche da fonti rinnovabili nel settore del gas naturale. Il settore analizzato risulta quello relativo all'allacciamento di impianti di produzione di biometano alla rete del gas naturale. La finalità è la valutazione degli effetti della generazione distribuita di biometano nel futuro sistema del gas naturale (Smart Grid Gas) in termini di progettazione e conduzione del sistema nel suo complesso.

Utilizzazione di biogas per la produzione di energia elettrica: aspetti di processo e ambientali

Nel presente elaborato si è affrontato il tema dell’utilizzo di biogas per la produzione di energia elettrica e termica; in primo luogo è stata fatta una panoramica sulla diffusione degli impianti di digestione anaerobica in Europa e in Italia, con particolare attenzione alla logica degli incentivi volti alla promozione delle fonti rinnovabili. Il biogas presenta infatti il duplice vantaggio di inserirsi sia nell’ottica del “Pacchetto Clima-Energia” volto alla riduzione di consumi energetici da fonti fossili, sia nella migliore gestione dei rifiuti organici volta alla riduzione del conferimento in discarica. L’allineamento degli incentivi italiani con quelli europei, prevista dal Decreto Ministeriale 6 luglio 2012, presuppone un’espansione del settore biogas più oculata e meno speculativa di quella degli ultimi anni: inoltre la maggiore incentivazione all’utilizzo di rifiuti come materia prima per la produzione di biogas, comporta l’ulteriore vantaggio di utilizzare, per la produzione di energia e compost di qualità, materia organica che nel peggiore dei casi sarebbe inviata in discarica. Il progetto oggetto di studio nasce dalla necessità di trattare una quantità superiore di Frazione Organica di Rifiuti Solidi Urbani da R.D, a fronte di una riduzione drastica delle quantità di rifiuti indifferenziati conferiti ai siti integrati di trattamento di rifiuti non pericolosi. La modifica nella gestione integrata dei rifiuti prevista dal progetto comporta un aumento di efficienza del sito, con una drastica riduzione dei sovvalli conferiti a discariche terze, inoltre si ha una produzione di energia elettrica e termica annua in grado di soddisfare gli autoconsumi del sito e di generare un surplus di elettricità da cedere in rete. Nel contesto attuale è perciò conveniente predisporre nei siti integrati impianti per il trattamento della FORSU utilizzando le Migliori Tecniche Disponibili proposte dalle Linee Guida Italiane ed Europee, in modo tale da ottimizzare gli aspetti ambientali ed economici dell’impianto. Nell’elaborato sono stati affrontati poi gli iter autorizzativi necessari per le autorizzazioni all’esercizio ed alla costruzione degli impianti biogas: a seguito di una dettagliata disamina delle procedure necessarie, si è approfondito il tema del procedimento di Valutazione di Impatto Ambientale, con particolare attenzione alla fase di Studio di Impatto Ambientale. Inserendosi il digestore in progetto in un sito già esistente, era necessario che il volume del reattore fosse compatibile con l’area disponibile nel sito stesso; il dimensionamento di larga massima, che è stato svolto nel Quadro Progettuale, è stato necessario anche per confrontare le tipologie di digestori dry e wet. A parità di rifiuto trattato il processo wet richiede una maggiore quantità di fluidi di diluizione, che dovranno essere in seguito trattati, e di un volume del digestore superiore, che comporterà un maggiore dispendio energetico per il riscaldamento della biomassa all’interno. È risultata perciò motivata la scelta del digestore dry sia grazie al minore spazio occupato dal reattore, sia dal minor consumo energetico e minor volume di reflui da trattare. Nella parte finale dell’elaborato sono stati affrontati i temi ambientali,confrontando la configurazione del sito ante operam e post operam. È evidente che la netta riduzione di frazione indifferenziata di rifiuti, non totalmente bilanciata dall’aumento di FORSU, ha consentito una riduzione di traffico veicolare indotto molto elevato, dell’ordine di circa 15 mezzi pesanti al giorno, ciò ha comportato una riduzione di inquinanti emessi sul percorso più rilevante per l’anidride carbonica che per gli altri inquinanti. Successivamente è stata valutata, in modo molto conservativo, l’entità delle emissioni ai camini dell’impianto di cogenerazione. Essendo queste l’unico fattore di pressione sull’ambiente circostante, è stato valutato tramite un modello semplificato di dispersione gaussiana, che il loro contributo alla qualità dell’aria è generalmente una frazione modesta del valore degli SQA. Per gli ossidi di azoto è necessario un livello di attenzione superiore rispetto ad altri inquinanti, come il monossido di carbonio e le polveri sottili, in quanto i picchi di concentrazione sottovento possono raggiungere frazioni elevate (fino al 60%) del valore limite orario della qualità dell’aria, fissato dal D.Lgs 155/2010. Infine, con riferimento all’ energia elettrica producibile sono state valutate le emissioni che sarebbero generate sulla base delle prestazioni del parco elettrico nazionale: tali emissioni sono da considerare evitate in quanto l’energia prodotta nel sito in esame deriva da fonti rinnovabili e non da fonti convenzionali. In conclusione, completando il quadro di emissioni evitate e indotte dalla modifica dell’impianto, si deduce che l’impatto sull’ambiente non modificherà in maniera significativa le condizioni dell’aria nella zona, determinando una variazione percentuale rispetto agli inquinanti emessi a livello regionale inferiore all’1% per tutti gli inquinanti considerati (CO, PM10, NOX, NMCOV). Il vantaggio più significativo riguarda una riduzione di emissioni di CO2 dell’ordine delle migliaia di tonnellate all’anno; questo risultato è importante per la riduzione di emissione dei gas serra in atmosfera e risulta in accordo con la logica dell’utilizzo di biomasse per la produzione di energia. Dal presente elaborato si evince infine come l’utilizzo del biogas prodotto dalla digestione anaerobica della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani non comporti solo un vantaggio dal punto di vista economico, grazie alla presenza degli incentivi nazionali, ma soprattutto dal punto di vista ambientale, grazie alla riduzione notevole dei gas serra in atmosfera, in accordo con gli obiettivi europei e mondiali, e grazie al recupero di rifiuti organici per la produzione di energia e compost di qualità.