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.

Produzione di biogas dagli scarti della lavorazione dell’alga ulva lactuca coltivata in mare aperto

Il presente lavoro si pone tre obiettivi: studio dei possibili utilizzi del sottoprodotto algale di Ulva L., a valle di un processo di estrazione dell’azienda South Agro srl che produce biofertilizzanti da alghe; digestione anaerobica del sottoprodotto, presso i laboratori dell’Università di Bologna, per determinarne il BMP; analisi costi-benefici per tre scenari diversi per un impianto a biogas di piccola taglia. Il primo obiettivo, è stato conseguito tramite una panoramica bibliografica delle vie di biovalorizzazione della biomassa Ulva L. Emerge che Ulva L. presenta numerose potenzialità dall’ambito alimentare ai chemicals, dall’ambito energetico a quello dei fertilizzanti. In questo lavoro esploreremo la conversione per valorizzazione energetica. Per il secondo obiettivo, è stato effettuato lo studio del potenziale biochimico del metano del residuo dell’azienda: ha prodotto una quantità di metano inferiore alla quota minima emersa dalle ricerche, che incrociano valutazioni del BMP alle fattibilità economiche di transformazione per la produzione di biometano. Questo suggerisce una possibile digestione anaerobica con un feed costituito da diversi residui algali a disposizione della stessa azienda, dato che tratta tre macroalghe. Considerando un valore di BMP di 180 Nmq / t SV, corrispondente a un feed di 3,3 t/g proveniente da tre alghe diverse, emerge una potenzialità di biometano prodotto economicamente possibile per un impianto a biogas di piccola taglia. Per il terzo obiettivo, è stata effettuata un’analisi costi-benefici tramite MATLAB e fogli Excel, basate su ricerche di impianti a biogas di piccola taglia e applicazione degli incentivi vigenti dalle normative. Il tutto è servito per creare tre scenari diversi (100, 200 e 300 kWel) che avvierebbero diversi benefici a livello territoriale, oltre che per l’azienda in questione: efficientamento energetico, economici, ambientali, simbiosi industriale e anche di avviamento di processi d’economia circolare.

Valutazione degli impatti ambientali relativi alla valorizzazione delle sanse di oliva in una prospettiva di ciclo di vita

Nel presente elaborato di tesi la metodologia Life Cycle Assessment (che in accordo con le norme ISO 14040-44 permette di quantificare i potenziali impatti sull’ambiente associati ad un bene o servizio lungo tutto il suo ciclo di vita) è applicata a processi appartenenti al settore agro-industriale, con particolare riguardo alla valorizzazione dei coprodotti della filiera olivicola olearia. Nello specifico vengono descritti i risultati di un’analisi del ciclo di vita condotta sul processo di valorizzazione delle sanse di oliva operata dalla Società Agricola A.R.T.E, che ha sede in Puglia. In questo processo, la sansa di olive è trattata mediante digestione anaerobica che permette la produzione di energia elettrica e di un digestato, stabilizzato e utilizzato come ammendante. Il processo analizzato si pone in alternativa sia al metodo di produzione che dà origine a sanse trifasiche, sia allo spandimento delle sanse su suolo agricolo, confrontati in termini di impronta di carbonio. Inoltre nello studio sono state confrontate diverse tecnologie di upgrading di biogas a biometano per valutare quale risulta essere ambientalmente preferibile e potenzialmente installabile nell’azienda A.R.T.E. Il sistema analizzato risulta un'alternativa complessivamente preferibile, da un punto di vista ambientale, sia al metodo di produzione che dà origine a sanse trifasiche, sia allo spandimento delle sanse su suolo agricolo. Il credito ambientale conseguibile mediante il recupero energetico dal biogas prodotto dalla digestione anaerobica delle sanse bifasiche e la produzione di un digestato stabile permettono un beneficio ambientale che controbilancia l’emissione di CO2 attribuibile all’intero sistema. Inoltre lo studio ha permesso una stima di quale tecnologia di raffinazione del biogas a biometano sia potenzialmente installabile nell’azienda A.R.T.E. I risultati mostrano che la tecnologia separazione a membrana risulta meno impattante rispetto alle altre tecnologie di upgrading.

Purple bacteria for the biotechnological valorisation of agro-industrial streams

Waste management worldwide has received increasing attention from global policies in recent years. In particular, agro-industrial streams represent a global concern due to the huge volumes generated and a high number of residues, which produce an environmental and economic impact on the ecosystem. The use of biotechnological approaches to treat these streams could allow the production of desirable by-products to be reinjected into the production cycle through sustainable processes. Purple phototrophic bacteria (PPB) are targeted as microorganisms capable to reduce the pressure of agro-industrial streams on environmental issues, due to their metabolic versatility (autotrophic and/or heterotrophic growth under different conditions). This Ph.D. research project aims to assess the effectiveness of PPB cultivation for industrial streams valorisation in the applications of biogas desulfurization and microbial protein production. For these purposes, the first part of the present work is dedicated to the cultivation of purple sulfur bacteria (PSB) for biogas streams upgrading, cleaning biogas from sulfur compounds (H2S), and producing elemental sulfur (S0), potentially suitable as a slow-release fertilizer. The second part of the thesis, instead, sees the application of purple non-sulfur bacteria (PNSB) on streams rich in organics, such as molasses, generating biomass with high content of proteins and pigments, useful as supplements in animal feed. The assessment of the main metabolic mechanisms involved in the two processes is evaluated at a laboratory scale using flasks and a photobioreactor, to define the consumption of substrates and the accumulation of products both in the autotrophic (on biogas) and in heterotrophic grow (on molasses). In conclusion, the effectiveness of processes employing PPB for a sustainable valorisation of several agro-industrial streams has been proved promising, using actual residues, and coupling their treatments with the production of added-value by-products.

Development of mixed matrix membranes with metal - organic framework and ionic liquids for biogas upgrading

Dissertation presented to Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa for obtaining the master degree in Membrane Engineering

Towards novel biogas upgrading processes

Biogas production has considerable development possibilities not only in Finland but all over the world since it is the easiest way of creating value out of various waste fractions and represents an alternative source of renewable energy. Development of efficient biogas upgrading technology has become an important issue since it improves the quality of biogas and for example facilitating its injection into the natural gas pipelines. Moreover, such upgrading contributes to resolving the issue of increasing CO2 emissions and addresses the increasing climate change concerns. Together with traditional CO2 capturing technologies a new class of recently emerged sorbents such as ionic liquids is claimed as promising media for gas separations. In this thesis, an extensive comparison of the performance of different solvents in terms of CO2 capture has been performed. The focus of the present study was on aqueous amine solutions and their mixtures, traditional ionic liquids, ‘switchable’ ionic liquids and poly(ionic liquid)s in order to reveal the best option for biogas upgrading. The CO2 capturing efficiency for the most promising solvents achieved values around 50 - 60 L CO2 / L absorbent. These values are superior to currently widely applied water wash biogas upgrading system. Regeneration of the solvent mixtures appeared to be challenging since the loss of initial efficiency upon CO2 release was in excess of 20 - 40 vol %, especially in the case of aqueous amine solutions. In contrast, some of the ionic liquids displayed reversible behavior. Thus, for selected “switchable” ionic and poly(ionic liquid)s the CO2 absorption/regeneration cycles were performed 3 - 4 times without any notable efficiency decrease. The viscosity issue, typical for ionic liquids upon CO2 saturation, was addressed and the information obtained was evaluated and related to the ionic interactions. The occurrence of volatile organic compounds (VOCs) before and after biogas upgrading was studied for biogas produced through anaerobic digestion of waste waters sludge. The ionic liquid [C4mim][OAc] demonstrated its feasibility as a promising scrubbing media and exhibited high efficiency in terms of the removal of VOCs. Upon application of this ionic liquid, the amount of identified VOCs was diminished by around 65 wt %, while the samples treated with the aqueous mixture of 15 wt % N-methyldiethanolamine with addition of 5 wt % piperazine resulted in 32 wt % reduction in the amounts of volatile organic compounds only.

Analisi del ciclo di vita di un processo industriale innovativo per la produzione di syngas da biogas

Una delle metodologie che negli ultimi tempi viene utilizzata più frequentemente per la valutazione ambientale di prodotti, processi e servizi è detta LCA, Life Cycle Assessment: essa valuta l’impatto ambientale associato ad un processo o ad un prodotto considerando tutto il suo ciclo di vita. Nel presente elaborato di tesi la metodologia è applicata ad un processo chimico industriale in fase di studio su scala di laboratorio presso il Dipartimento di Chimica Industriale dell’Università di Bologna, che prevede la sintesi di syngas a partire da biogas tramite le reazioni di dry reformng (DR) e steam refroming (SR). Tale processo è stato studiato poiché a livello teorico presenta i seguenti vantaggi: l’utilizzo di biogas come materia prima (derivante dalla digestione anaerobica dei rifiuti), lo sfruttamento dell’anidride carbonica presente nel biogas e l’utilizzo di un solo reattore anziché due. Il processo viene analizzato attraverso due diversi confronti: in primo luogo è comparato con processi con tecnologie differenti che producono il medesimo prodotto (syngas); in secondo luogo è paragonato a processi che impiegano la stessa materia prima (biogas), ottenendo prodotti differenti. Nel primo confronto i processi confrontati sono uno scenario di Autothermal reforming (ATR) e uno scenario che prevede DR e SR in due reattori separati; nel secondo confronto i prodotti che si ottengono sono: energia termica ed elettrica attraverso un sistema CHP, biometano con un sistema di upgrading del biogas, energia e biometano (CHP + upgrading) ed infine metanolo prodotto da syngas (generato dal processo studiato). Per il primo confronto è risultato che lo scenario che porta ad un minore impatto ambientale è il processo studiato dall'università di Bologna, seguito dallo Scenario con DR e SR in reattori separati ed infine dal processo di ATR. Per quanto concerne il secondo confronto lo scenario migliore è quello che produce biometano, mentre quello che produce metanolo è al terzo posto.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.

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.

An Investigation On The Use Of Microalgae For Biogas Enrichment

There is a need for biomethane capture and carbon dioxide sequestration to mitigate evident global climate change. This research work investigated the potential for microalgae to remove CO2 from biogas as a biotechnical method for upgrading the thermal value for subsequent compression, liquification, or introduction to natural gas pipelines. Because biogas is largely methane, the effect of high methane environments on mixed microalgae was explored and found that specific carbon utilization rates were not statistically different when microalgae were exposed to biogas environments (70% v/v CH4) , relative to high CO2 environment. The uses of conventional bubbled column photobioreactors (PBR) were assessed for CO2 removal and subsequent CH4 enrichment. A continuously-bubbled biogas PBR (cB-PBR5) and intermittently-bubbled biogas PBR (iB-PBR) experienced CO2 loading rates of about 1664 and 832 mg C/L*day and showed 30.0 and 60.1 % carbon removal, respectively. However, a lack of biogas enrichment and issues associated growth inhibition due to high CO2 environments as well as stripping the dissolved gases, namely oxygen and nitrogen, from the bulk liquid and introduction to the outlet gas prompted the consideration for gas/liquid separation using nonporous hollow-fiber (HF) membranes for CO2 transfer. The potential for two non-porous HF membrane materials [polydimethylsiloxane (PDMS) and composite polyurethane (PU)] were modeled along fiber length using a mechanistic model based on polymeric material transport properties (Gilmore et al., 2009). Based on a high CO2:CH4 permeability selectivity for PU of 76.2 the model predicted gas enrichment along an 8.5 cm fiber length. Because PDMS permeability selectivity is low (3.5), evident gas transfer was not predicated along a 34.3 cm length. Both of these HF materials were implemented in hollow-fiber membrane-carbonated biofilm (HFMcB) PBRs for microalgal-mediated biogas enrichment. Phototrophic biofilm colonization occurred on the membrane, where CO2 concentration was greatest. The presence of a biofilm demonstrated greater resiliency to high CO2 environments, compared to the conventional PBRs. However, as the PDMS model predicted, the PDMS HFMcBs did not demonstrate gas enrichment. These reactors received CO2 loading rates of 200 mg C/L*day based on PDMS permeability flux and showed approximately 65% removal of the total C transferred across the membrane. Thus, the HFMcBs demonstrated controlled carbonation of the bulk liquid via a nonporous HF membrane. Likewise, the experimental PU HFMcB did not show gas enrichment yet this result should be further explored due to the high permeability selectivity of the polymeric material. Chemical stratifications, namely pH and dissolved O2, present in a PDMS membrane-carbonated biofilm were analyzed using electrochemical microsensors. Results indicated that high DO (20 mg L-1) exists at surface of the biofilm where light availability is greatest and low pH microenvironments (pH=5.40) exist deep in the biofilm where the diffusive flux of CO2 drives transfer through the biofilm. The presence of a 400-600 ¿m liquid phase boundary layer was evident from microsensor profiles. Cryosectioning of the biofilm samples showed the biofilm to be approximately 1.17 ± 0.07 mm thick, suggesting that the high localized concentration of biomass associated with the phototrophic biofilm aided in overcoming inhibition in a microenvironment dominated by CO2(aq). Challenges of biofilm detachment and PBR fouling as well as microalgal growth inhibition in the presence of high CO2 content remain for applications of microalgae for biogas enrichment.

Avaliação do potencial e impacto do biometano em Portugal: Sumário executivo

Estudo técnico-científico