Techno-economic assessment of biomethane production in the province of Piacenza

The thesis starts with an overview of the current situation of biogas and biomethane plants in Europe and Italy, together with a description of the possible role that biomethane may play in the Italian context. This thesis has been developed at LEAP (Laboratorio Energia Ambiente Piacenza), in the framework of the GoBioM project, funded by Emilia-Romagna Region and aimed at the technological optimization of the regional and national chain of biomethane. The methodology of primary energy valorization is assessed: different biomass to electricity pathways are compared with the biomass to biomethane route. Subsequently, the state of the art of Italian biogas plants is reported, analyzing technical and economic features. Cost functions and technical correlations are pointed out and adopted for the further analysis. This task has been carried out referring to the Leap biogas plants database, which is shown to be a representative subset of the Italian scenario. A detailed analysis on residual biomasses for the Province of Piacenza is then illustrated, including: biomasses availabilities, byproducts characteristics and potential biomethane production. This leads to identify some peculiar byproducts for this area (such as tomato peels and dairy industry by-products) which, along with technical needs and requirements characteristic of the anaerobic digestion process, allow to define three case studies of interest. For each of them, two relevant sizes are considered. Mass and energy balance are evaluated and, by applying the technical correlations before identified, the design is carried out. The following step considers the economic evaluation of the case studies in the hypothesis of biomass to electricity route, consistently with the actual incentive framework: the main outcome of this section is that small-size plants show the most attractive economic results. Then, an upgrading membrane model is introduced, showing the equations and the basing hypothesis. Consequently, two different upgrading configurations, both featuring 2 membrane stages, are assessed in order to evaluate, for each of them, the optimal design. The optimization refers to a sensitivity analysis on the optimal membrane area that permits to maximize the economic return. Biomethane purity, recovery and energetic performance coefficients are calculated also. Finally, the best configuration is identified and applied to all the case studies, in order to evaluate the economics of the biomass to biomethane valorization pathway. Contrary to the biomass to electricity route, in this case the larger plants are economically more attractive. Moreover, the best case study identified for the biomass to biomethane pathway shows better economic indicators than the best one identified for the biomass to electricity pathway.

Il biometano è oggi al centro dell’attenzione in Italia per il ruolo che esso può ricoprire nel raggiungimento dei target fissati al 2020, che prevedono un contributo del 10% di utilizzo di biocarburanti nel settore dei trasporti. La tesi è stata sviluppata durante lo stage presso il Leap (Laboratorio Energia Ambiente Piacenza) e si inserisce nell’ambito di ricerca del progetto regionale GoBioM, di cui il Leap è partner. Nella prima parte della tesi viene affrontato il tema dell’efficienza di valorizzazione dell’energia primaria associata alla biomassa, dimostrando che il processo di produzione di biometano gode di ottimi punti di forza. Successivamente è presentato uno studio sullo stato dell’arte degli impianti biogas italiani, facendo riferimento al database di impianti analizzati dal Leap. Da questo studio sono emerse correlazioni tecniche e funzioni di costi economiche, che in seguito sono state adottate per il dimensionamento e la valutazione di alcuni casi studio. È stata dunque svolta un’analisi dettagliata delle biomasse residuali disponibili nella provincia di Piacenza. Dati quantitativi e qualitativi sono stati raccolti e validati da informazioni provenienti direttamente da aziende immerse nella realtà locale e dal CRPA Lab (Centro Ricerca Produzioni Animali), coordinatore del progetto GoBioM. Una volta identificati i sottoprodotti di maggiore interesse per il territorio piacentino (quali buccette di pomodoro e scarti dell’industria casearia), sono stati definiti tre casi studio, per ciascuno dei quali sono state considerate due taglie significative. Svolto il design e il dimensionamento preliminare della sezione di digestione anerobica, si è svolta la valutazione economica dei casi studio nell’ipotesi di configurazione da biogas a elettricità. Ciò che emerge è che, con l’attuale schema incentivante, gli impianti di piccola taglia sono favoriti rispetto a quelli medio-grandi. Successivamente è stato implementato un modello numerico per la stima di prestazioni e costi di processi di upgrading del biogas con 2 moduli di membrana, mediante il quale sono state simulate 2 possibili configurazioni per la sezione di upgrading. Il modello è stato quindi utilizzato per svolgere un’analisi di sensitività considerando, per ognuna delle due configurazioni, diversi valori di area per ciascun modulo. La configurazione che, nel punto ottimale, garantisce il massimo ritorno economico, è stata infine applicata a tutti i casi studio definiti in precedenza, al fine di valutare prestazioni energetiche ed economiche dell’intero processo di produzione di biometano da biomasse residuali. Nella configurazione di upgrading a biometano, contrariamente a quanto ottenuto per gli impianti di produzione elettrica, sono gli impianti di grande taglia a garantire i migliori ritorni economici. Inoltre, considerando gli attuali schemi incentivanti, il miglior caso studio individuato per la produzione di biometano presenta un risultato economico migliore rispetto al miglior caso studio individuato per la produzione di elettricità.