Recovery and valorization for energy purposes of residual biomasses coming from agro-industrial chains
Author(s)
Bianchini, Leonardo
Date Issued
January 26, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Every year, a large amount of agricultural, agro-industrial, urban and forestry residues are treated as waste, but they could be recovered and used to produce energy. Among the main types of agro-industrial waste, coffee residues account for a significant amount worldwide. Because of their composition, they can be used in biodiesel production, as a source of sugar, or as a sorbent for metal removal. Orchards also generate a lot of pruning waste each year. Currently, prunings of hazelnut and olive trees in the best of cases, are chopped and left on the ground however; they are often burned in the field and this involves the generation of CO2 emissions and wasting a resource that could have been exploited differently.
The purpose of this thesis was to assess the employability of coffee grounds by looking at their energetical features and also to improve the characteristics of pruning residues of hazelnut and olive groves. The research activity has moved through chemical and physical characterizations, pelletizing tests to obtain a commercially viable product, combustion tests to analyse atmospheric emissions, evaluation of the life cycle of supply chains for the recovery and pelletizing of coffee grounds by considering different alternative waste-to-energy scenarios, comparison and modelling with traditional biomass for the development of a predictive model of the higher heating value and evaluation of the impact of mechanical pre-treatment on the quality of pruning residues of hazelnut and olive trees on anaerobic biodegradability.
The results show that spent coffee grounds are excellent as biomass, with excellent values in terms of heating power and low ash content, the production of 98% coffee pellets suggests that they are highly suitable for use in thermal conversion systems. The major environmental impact is given by the pelletizing process with the exception of ozone formation and terrestrial ecotoxicity, which are mainly influenced by the transport process in the stage of coffee grounds collection. The environmental benefits of spent coffee ground pelletizing are the mitigation of climate change, and reduction of freshwater eutrophication. Among the waste-to-energy scenarios, biodiesel is the worst; on the other hand, pellet production and bio-oil demonstrate the most favourable environmental profiles. Through composition and energy analysis of coffee grounds, it was possible to fix linear models that can link elemental composition to biomass energy yield. Spent coffee grounds showed a higher HHV than any other woody and herbaceous plant, manifesting great potential from the perspective of energy.
In the mechanical process, the coarser products that were obtained from the pruning residues, were characterised by a high reduction in ash and nitrogen content. The best products from the processing were subjected to anaerobic digestion. The finest product from hazelnut processing achieved a 70.1% higher methane yield than the untreated substrate, while their analogues from the olive pruning processing, achieved a methane yield of approximately +93.5% compared to the untreated feedstock.
In conclusion, the results indicate that is an excellent candidate for use in energy conversion systems; furthermore, the mechanical process that was studied, could be successfully used to improve the quality of olive and hazelnut prunings and establish new markets.
Ogni anno, una grande quantità di residui agricoli, agro-industriali, urbani e forestali sono trattati come rifiuti, ma possono essere recuperati e utilizzati per produrre energia. Tra i principali tipi di rifiuti agro-industriali, i residui di caffè rappresentano una quantità significativa in tutto il mondo. Grazie alla loro composizione, possono essere utilizzati nella produzione di biodiesel, come fonte di zucchero o come sorbente per la rimozione dei metalli pesanti. Anche nei frutteti si generano molti residui di potatura ogni anno. Attualmente potature di nocciolo ed olivo nel migliore dei casi vengono trinciate e lasciate a terra, ma spesso vengono bruciate in campo comportando emissioni di CO2 e sprecando una risorsa che potrebbe essere valorizzata diversamente. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato valutare la possibilità di valorizzare dal punto di vista energetico i fondi di caffè e migliorare le caratteristiche di residui di potatura di noccioleti ed oliveti. L’attività di ricerca si è mossa attraverso caratterizzazioni chimico-fisiche, prove di pellettizzazione per ottenere un prodotto commercialmente valido, prove di combustione per analizzare le emissioni in atmosfera, valutazione del ciclo di vita di filiere per il recupero e pellettizzazione di fondi caffè secondo differenti scenari alternativi di termovalorizzazione, confronto e modellizzazione con biomasse tradizionali per la valutazione di un modello previsionale del potere calorifico superiore e valutazione di un pretrattamento meccanico sulla qualità di residui di potatura di nocciolo ed olivo sulla biodegradabilità anaerobica. I risultati mostrano che i fondi di caffè sono eccellenti come biomassa, con ottimi valori in termini di potere calorifico e basso contenuto di ceneri, la produzione di pellet di caffè al 98% suggerisce che sono altamente adatti per l'uso in sistemi di conversione termica. L’impatto ambientale maggiore è dato dal processo di pellettizzazione ad eccezione della formazione di ozono e l'ecotossicità terrestre, che è influenzata principalmente dal processo di trasporto nella fase di raccolta dei fondi di caffè. I vantaggi ambientali della pellettizzazione i fondi di caffè sono la mitigazione del cambiamento climatico, e alla riduzione dell'eutrofizzazione dell'acqua dolce. Tra le tipologie di conversione della biomassa, la produzione di biodiesel è risultata la peggiore, mentre la produzione di pellet e il bio-olio dimostrano i profili ambientali più favorevoli. Attraverso l'analisi della composizione ed energetica dei fondi di caffè, è stato possibile fissare modelli lineari in grado di collegare la composizione elementare alla resa energetica della biomassa. I fondi di caffè hanno mostrato un HHV superiore a qualsiasi altra pianta legnosa ed erbacea, manifestando un grande potenziale dal punto di vista energetico. Nel processo meccanico, i prodotti più grossolani ottenuti dai residui di potatura, si distinguono per l'elevata riduzione del contenuto di ceneri e di azoto. I prodotti migliori della lavorazione sono stati sottoposti a digestione anaerobica. Il prodotto più fine dalla lavorazione delle nocciole ha raggiunto una resa in metano maggiore del 70,1% rispetto al substrato non trattato, mentre l'analogo della lavorazione delle potature dell’olivo ha raggiunto una resa in metano di circa +93,5% rispetto alla materia prima non trattata. In conclusione, i risultati indicano che i fondi di caffè sono un eccellente candidato per l'uso in sistemi di conversione energetica; inoltre, il processo meccanico studiato potrebbe essere utilizzato con successo per migliorare la qualità delle potature di olivo e nocciolo e stabilire nuovi mercati.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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