Biomass gasification as potential way to reduce the carbon footprint of the glass manufacturing sector

The present thesis work deals with the feasibility study of the coupling of biomass gasification with the glass production sector. The preparation of the thesis has been preceded and accompanied by a 6 month-stage at Bormioli Rocco Factory in Fidenza (PR). The glass production sector is very energy-intensive and is mainly dependent on natural gas in Italy and Europe. The glass production is increasing year by year and, consequently, also the energetic consumptions and the CO2 emissions follow a similar growing trend. Investigating opportunities to save energy, emissions and also costs thus reducing the carbon footprint is a need for the future of the glass manufacturing sector. In 2018, the overall glass production in Europe amounted to 35 milion tons: with more than 5 milion tons produced, Italy is responsible of almost 1/7 of the entire European production. Specifically, Italy is the second hollow glass producer and the third for flat glass. The raw materials in the batch need to reach very high temperatures (up to 1600°C) so to be melted and shaped in several end products’ moulds. The electrification of the glass furnaces has partially taken place but cannot be a definitive solution for the GHG emissions into the atmosphere relatively to the glass manufacturing sector. Furthermore, the new regulations at European (EU Emission Trading System) and Italian (PNIEC) levels enhance more and more stringent targets for the following years in order the reach the complete “carbon neutrality” by 2050. Relatively to the 16 Italian farms surveyed by Assovetro, the CO2 emissions from glass sector were more than 2 milion tons in 2018. Major industrial actors recognize that solutions are needed to improve energy efficiency and tackle GHG emissions into the atmosphere. Further CO2 reduction involves, as an opportunity, to find new routes to green the fuels used in the industrial processes. In this sense, biomass is a possibility to produce the green fuels. When it is exploited in a sustainable way, solid biomass (fresh wood, forestry bio-products, demolition wood and other woody wastes) has a high development potential. Once transformed into a gas (syngas), the gasified biomass can be valorized through direct firing of the syngas into an industrial furnace for direct heating of the final product (glass, brick, ceramics, …). In this way, part of the fossil fuel thermal consumption may be replaced with a more renewable energetic mix. This application requires the coupling of the glass furnace with a biomass gasification unit. In this thesis work, the theoretical feasibility of a similar project has been evaluated from technological, environmental and economic prospects. The considered substitution rate is a 12% on thermal input basis, which is correspondent to a fuel volumetric flowrate provided by syngas for the 46% and still natural gas for the 54%. The Furnace F12 in the Fidenza plant has been taken as reference for the analyses and balances reported in this thesis. The furnace’s technological operation, and in particular the heat regenenerator, in the new operating condition has been compared with the real performances in the reference and actual situation (100% natural gas consumption). Repeating the combustion analysis followed by the mass and energy balances, it has been concluded that relevant technological modifications are not necessary on the actual productive system. Considering the circularity of the carbon cycle in the energetic biomass conversions, the CO2 emissions deriving from syngas combustion have been accounted as null and also a fraction of the initial natural gas consumption is saved. In this way, an amount of almost 1036 tons of CO2 is avoided each year, to which also an economic saving related to the EU ETS allowances no more necessary in the new scenario is correlated. The results of the economic evaluation confirm the theoretical feasibility of the project. The present thesis work can be considered as the base for subsequent practical trials/measurements and as starting point for future developments in this research area.

Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo studio della fattibilità di accoppiamento della gassificazione di biomassa al settore della produzione di vetro. La stesura della tesi è stata preceduta e accompagnata da un tirocinio di 6 mesi effettuato presso l’azienda Bormioli Rocco di Fidenza (PR). Il settore della produzione del vetro è molto energivoro e oggi principalmente alimentato tramite gas naturale in Italia e in Europa. La produzione aumenta di anno in anno e, conseguentemente, anche l’energia richiesta e le emissioni di CO2 in atmosfera. Investigare possibilità che consentano di risparmiare nei consumi energetici e nelle emissioni in atmosfera riducendo il carbon footprint rappresenta pertanto una necessità per il futuro del settore vetrario. La produzione totale di vetro in Europa nel 2018 è di circa 35 milioni di tonnellate: l’Italia, con più di 5 milioni di tonnellate prodotte, è responsabile di circa 1/7 della intera produzione europea. In particolare, l’Italia è il secondo produttore di vetro cavo in Europa e il terzo per il vetro piano. Questo settore produttivo è molto energivoro perché le materie prime devono essere portate a temperarature molto elevate (fino a 1600°C) affinchè siano fuse e modellate nelle svariate forme dei prodotti finiti. L’elettrificazione dei forni da vetro è in parte avvenuta ma non può essere una soluzione definitiva del problema delle emissioni di gas serra in atmosfera. Inoltre, le nuove regolazioni a livello europeo (EU Emission Trading System) e italiano (PNIEC) impongono obiettivi sempre più stringenti per i prossimi anni per arrivare a una completa “carbon neutrality” al 2050. Le emissioni di CO2 dal settore vetrario, riferite alle 16 aziende italiane censite da Assovetro, sono di più di 2 milioni di tonnellate per l’anno 2018. I maggiori attori del mondo industriale riconoscono che soluzioni sono necessarie per migliorare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto delle emissioni di gas serra in atmosfera. Ulteriori riduzioni di CO2 rispetto a quanto già fatto possono derivare dall’utilizzo di fonti rinnovabili applicate ai processi industriali. In questo senso, le biomasse rappresentano un’opportunità per produrre combustibile in modo “green”. La gassificazione rappresenta una delle vie per trasformare la biomassa solida (legna fresca, sottoprodotti forestali, legno di demolizione e altri scarti legnosi) in prodotto gassoso (syngas), il quale può essere valorizzato attraverso alimentazione diretta in un forno industriale. In questo modo, si può pensare di sostituire parte del consumo termico da fonte fossile di svariati processi industriali (vetro, mattoni, ceramica, …) con un mix energetico più rinnovabile. Tale progetto richiede l’accoppiamento del forno da vetro con un’unità di gassificazione della biomassa. La fattibilità di un progetto simile è stata analizzata e valutata dal punto di vista tecnologico, ambientale ed economico. Il tasso di sostituzione ipotizzato è un 12% su base della potenza termica, corrispondente a una portata volumetrica di combutibile costituita per il 46% da syngas proveniente da gassificazione di biomassa e 54% ancora da gas naturale. Il forno F12 nello stabilimento di Fidenza è stato preso come riferimento per le analisi e i bilanci riportati in questa tesi. Il funzionamento tecnologico del forno, e in particolare del rigeneratore di calore, nelle nuove condizioni operative è stato confrontato con le reali prestazioni nella situazione attuale (100% alimentazione da gas naturale). Ripetendo l’analisi della combustione seguita dai bilanci di massa e di energia, si è concluso che non sono necessarie modifiche tecnologiche rilevanti del sistema produttivo attualmente in uso. Considerando la circolarità del ciclo del carbonio nello sfruttamento energetico delle biomasse, le emissioni di CO2 derivanti dalla combustione del syngas sono valutate come nulle e una parte dell’alimentazione di gas naturale viene risparmiata. Conseguentemente, una quantità di circa 1036 tonnellate di CO2 viene evitata ogni anno, a cui corrisponde anche un risparmio in termini economici relativo alle quote dell’EU Emission Trading System non più necessarie nel nuovo scenario. I risutati della valutazione economica confermano la teorica fattibilità del progetto. Il presente lavoro di tesi può essere considerato come base per successive prove/misurazioni pratiche e come punto di partenza per futuri sviluppi in questa area di ricerca.