Studio della fattibilità tecnica, economica e ambientale di impianti per il recupero di biomasse agroforestali per la produzione di energia elettrica e calore
Author(s)
Carnevale, Monica
Date Issued
June 14, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Il Progetto di Dottorato è incentrato sulla valutazione della fattibilità di impianti di trasformazione energetica delle biomasse mediante processi termochimici e biochimici. Lo studio si inserisce nel settore delle agro-energie e ha come obiettivo generale la valutazione della gestione della filiera delle biomasse tramite l’impiego di sistemi e soluzioni per la produzione di energia, al fine di valutarne i vantaggi e gli svantaggi sia in ambito tecnico-economico, sia in relazione all’impatto ambientale. Le attività svolte sono pertanto basate sullo studio di impianti di piccola taglia, nel rispetto del bilancio energetico delle singole aziende sfruttando anche combustibili meno nobili, di tipo rinnovabile, quali le biomasse residuali provenienti dalle operazioni agronomiche, agroalimentari e gli scarti di lavorazione industriale. Partendo da una raccolta dati sulle normative vigenti in merito alla gestione degli impianti, e un censimento a livello nazionale sulla presenza degli stessi, le attività sono proseguite con la scelta e l’approvvigionamento delle matrici da testare (biomasse provenienti da colture arboree ed erbacee, residui agroforestali, residui agroindustriali e deiezioni animali). Durante il corso di Dottorato è stata sviluppata prevalentemente l’attività sperimentale, condotta presso il laboratorio LASER-B del CREA-IT di Monterotondo che ha riguardato la caratterizzazione chimico-fisica ed energetica delle matrici oggetto di studio. A tale proposito sono state effettuate analisi di laboratorio volte alla determinazione dei parametri di maggiore interesse (contenuto di umidità, contenuto in cenere, potere calorifico superiore PCS ed inferiore PCI, e analisi elementare). In seguito alla caratterizzazione, le biomasse individuate sono state impiegate in test di laboratorio per stimarne il valore energetico nei processi termochimici, e il potere metanigeno per quelli biochimici. I test sui processi sono stati validati mediante prove con prototipi realizzati e testati in collaborazione con l’Università degli studi della Tuscia, mentre lo studio dei processi biochimici (digestione anaerobica), è stato condotto in collaborazione con l’Istituto di Inquinamento atmosferico del CNR (CNR-IIA) attraverso campagne di monitoraggio presso un impianto sperimentale di produzione di biogas e biometano da fanghi di depurazione. Le analisi sulle matrici di partenza e sui prodotti ottenuti dai processi di conversione (biochar, syngas, biogas e biometano), hanno consentito inoltre di valutare l’efficienza degli impianti e la possibilità di riutilizzo di tali prodotti energetici. Al fine di valutare la fattibilità economica sono stati determinati gli indici finanziari, mettendo a confronto gli scenari di realizzazione e rewamping in base alle diverse tipologie di incentivi. Tale valutazione ha mostrato che la realizzazione di nuovi impianti di piccola taglia, è fortemente sconsigliata poiché non economicamente vantaggiosa. La valutazione della fattibilità tecnica e ambientale degli impianti citati è stata condotta mediante lo studio di Life Cycle Assesment, con lo scopo di determinare le categorie di impatto che risentono maggiormente delle fasi di realizzazione e gestione delle filiere dotate di impianti di trasformazione energetica.
The PhD Project is focused on the evaluation of the feasibility of biomass energy transformation plants through thermochemical and biochemical processes. The study is applied in the agro-energy sector and has as a general objective, the evaluation of the management of the biomass supply chain through the use of systems and solutions for the production of energy, in order to evaluate the advantages and disadvantages in the technical and economic field, and also in relation to the environmental impact. The activities carried out are therefore based on the study of small-scale plants, in compliance with the energy balance of the individual companies exploited even less noble, of a renewable sources, such as residual biomass from agri-food and industrial processing waste. Starting from a data collection on the regulations in force regarding the management of the plants, and a national census on the presence of the same, the activities continued with the choice and procurement of the matrices to be tested (biomass from arboreal and herbaceous crops, agro-forestry residues, agro-industrial residues and animal waste). During the PhD course, the experimental activity was mainly developed, carried out at the LASER-B laboratory of CREA-IT in Monterotondo, which concerned the chemical-physical and energetic characterization of the matrices studied. In this regard, laboratory analyzes were carried out aimed at determining the parameters of greatest interest (moisture content, calorific value, and elemental analysis). Following the characterization, the biomasses identified were used in laboratory tests to estimate the energy power in the thermochemical processes, and the methane production potential for the biochemical ones. The tests on the processes were validated through tests with prototypes made and tested in collaboration with the University of Tuscia, while the study of biochemical processes (anaerobic digestion) was conducted in collaboration with the CNR Institute of Atmospheric Pollution (CNR-IIA) through monitoring campaigns at an experimental plant for the production of biogas and biomethane from sewage sludge. The analyzes on the starting matrices and on the products, obtained from the conversion processes (biochar, syngas, biogas and biomethane), also made it possible to evaluate the efficiency of the plants and the possibility of reusing these energy carriers. In order to assess the economic feasibility, the financial ratios were determined, comparing the implementation and rewamping scenarios based on the different types of incentives. This evaluation showed that the realization of new small plants is strongly discouraged because it is not economically advantageous. The assessment of the technical and environmental feasibility of the aforementioned plants was carried out through the Life Cycle Assessment study, with the aim of determining the impact categories that are most affected by the construction and management phases of the supply chains equipped with energy transformation plants.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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Name
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Size
4.32 MB
Format
Adobe PDF
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