Feasibility study of a micro-scale biogas installation for the local management of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in small communities

This Thesis aims at verifying the feasibility of a micro anaerobic digestion plant for the treatment of the Organic Fraction of the Municipal Solid Wastes (OFMSW) of Isola del Giglio. The main problem, when dealing with OFMSW management in a small community with significant oscillation of the number of inhabitants, due to the relevant tourism, lies in the strongly variable production of waste along the year. To face this problem, the possibility of storing for some months the excess OFMSW production has been considered. The main sections of the plant (anaerobic digester, biogas engine, post-composting) have been sized on the yearly average production, whereas the buffer storage has been sized to manage the peaks of production. To allow for the storage of OFMSW, pasteurization and acidification by means of acetic acid addition have been considered. Upstream of the digester, the pre-treatment system entails separation of impurities, homogenization, pasteurization and acidification of the excess input sent to storage. Downstream, part of the digestate is recycled to dilute the inlet flow, whereas the remaining part is sent to the post-composting line, to produced market-quality compost. During the Thesis work, all the machinery and the facilities for the proposed plant have been selected and/or sized, and a business plan has been drafted, with reference to a time horizon of 20 years. The economic evaluations have been carried out in four scenarios, considering the case of Isola del Giglio without (scenario A) and with (scenario B) incentivized electricity sale price. The other two scenarios have considered the same type of plant placed in a municipality with the same yearly production of waste as Isola del Giglio, but with a flat production profile along the year, so that no storing of acidified OFMSW is required. These scenarios have considered also the absence (scenario C) and the presence (scenario D) of incentives on the sale of the produced electricity. Results show that, although the need for OFMSW storage in the case of Isola del Giglio, scenarios A and B achieve economic results very similar to those of scenarios C and D respectively. This is mainly due to the extra revenue, in the case of Isola del Giglio, from the sale of a souvenir to tourists, which is a small flower with some of the produced compost. Scenarios A and C (without incentives on electricity sale) achieve IRR around 4%, whereas scenarios B and D are little above 7%.

Lo scopo di questa Tesi è verificare la fattibilità di un micro-impianto di digestione anaerobica per il trattamento della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) dell’Isola del Giglio. La problematica principale, nella gestione della FORSU in una piccola comunità la cui popolazione è soggetta a forti oscillazioni dovute agli afflussi turistici, consiste nella produzione di rifiuti altamente variabile lungo l’anno. Per far fronte a questo problema, è stata assunta la possibilità di stoccare l’eccesso di FORSU per alcuni mesi. Le sezioni principali di impianto (digestore anaerobico, motori a biogas, post-compostaggio) sono stati dimensionati sulla produzione media annuale, mentre il serbatoio di accumulo è stato dimensionato in modo tale da gestire i picchi di produzione. Per consentire lo stoccaggio delle FORSU, è stata considerata la possibilità di pastorizzare e acidificare con acido acetico la quota in eccesso. A monte del digestore il sistema di pretrattamento ha scopo di separare il materiale da impurità, omogeneizzare, pastorizzare, acidificare e stoccare l’eventuale eccesso. A valle del reattore, il digestato viene in parte ricircolato allo scopo di diluire il flusso in ingresso, la restante parte viene indirizzata alla linea di post-compostaggio, allo scopo di ottenere come prodotto finale compost di qualità. Durante il lavoro di Tesi, tutti i macchinari e le strutture necessarie nell’impianto proposto sono stati selezionati e/o dimensionati, ed è stato redatto un business plan su un orizzonte temporale di 20 anni. Le valutazioni economiche sono state effettuate per quattro scenari differenti, considerando il caso di Isola del Giglio senza (scenario A) e con (scenario B) prezzo incentivato per la vendita dell’elettricità. Gli altri due scenari tengono in considerazione lo stesso tipo di impianto installato in un comune con la stessa produzione annua di rifiuti dell’Isola del Giglio, ma con un profilo di produzione uniforme lungo l’anno, così che lo stoccaggio della FORSU acidificata non è richiesto. Questi scenari considerano a loro volta l’assenza (scenario C) e la presenza (scenario D) di incentivi per la vendita dell’energia elettrica prodotta. I risultati mostrano che, nonostante la necessità di stoccare la FORSU nel caso applicato all’Isola del Giglio, gli scenari A e B raggiungono risultati economici molto simili a quelli ottenuti rispettivamente negli scenari C e D. Ciò è principalmente dovuto alle entrate aggiuntive risultanti dalla vendita di parte del compost insieme a bulbi di Giglio, come souvenir per i turisti, nel caso di Isola del Giglio. Scenari A e C (senza incentivi per la vendita dell’elettricità) raggiungono un IRR attorno al 4%, mentre gli scenari B e D raggiungono un IRR di poco superiore al 7%.