Thermal and biological modeling of microalgae cultivation on digestate under greenhouse in synergy with a biomethane plant

Mathematical growth models have been recently developed to forecast the performances of microalgae cultivation systems on digestate and the consequent economic feasibility. Since temperature is a crucial input parameter, a proper thermal modeling is of great aid to the simulation accuracy. Although validated models for open air cultures are already available, thermal evaluations under greenhouse (GH) is less well-established; nevertheless, a GH is needed to limit exogenous contamination for the production of medium to high-quality biomass. In a circular economy approach, the case study considers a full-scale algae-based biorefinery located in Lombardy for the valorization of digestate nutrients and the biofixation of the CO2 from a near-by biomethane plant, thus producing algae for to the biostimulants market. The scientific scope of this work is to develop a cascade GH and cultivation pond model that can be adapted to different climatic and biological conditions. Within the biorefinery context, the techno-economic scope was to assess the impacts of a T-regulated GH on algae productivity and to verify its economic feasibility. To do so, the productivity computed from the cascade model is combined with heating/cooling loads provided by the thermal control logic in a comprehensive economic model, where levelized costs and return of investments are evaluated for each tested scenario (number of covers, T-control intensity). Results show that each ton produced under GH costs 19% more than in open air cultivation; still, uncontrolled GH is characterized by lower productivities. Summer cooling is more impactful than winter heating; thus, a single cover GH is better than double cover. As thermal costs increase more than productivities, only air ventilation and mild water control are economically advantageous, above 1.8 and 3.5 k€ per ton of biomass selling price, respectively.

Recentemente sono stati sviluppati modelli matematici di crescita per prevedere le prestazioni dei sistemi di coltivazione delle microalghe su digestato e la conseguente fattibilità economica. Poiché la temperatura è un parametro di input cruciale, una corretta modellazione termica è di grande aiuto per l'accuratezza della simulazione. Sebbene siano già disponibili modelli validati per le colture all'aria aperta, le valutazioni termiche in serra sono meno consolidate; tuttavia, una serra è necessaria per limitare la contaminazione esogena per la produzione di biomassa di media-alta qualità. In un approccio di economia circolare, il caso di studio prende in considerazione una bioraffineria microalgale a scala industriale situata in Lombardia, per la valorizzazione dei nutrienti nel digestato e la biofissazione della CO2 proveniente da un limitrofo impianto di biometano, producendo così alghe da destinare al mercato dei biostimolanti. L'obiettivo scientifico di questa tesi è sviluppare un’interazione a cascata tra modello termico e biologico, che possa essere adattato a diverse condizioni climatiche e di specie algale. Nell'ambito della bioraffineria, lo scopo tecno-economico è stato quello di valutare l'impatto sulla produttività delle alghe di una serra con temperature controllata e di verificarne la fattibilità economica. A tal fine, la produttività calcolata viene combinata con i carichi di riscaldamento/raffreddamento forniti dalla logica di controllo termico in un modello economico completo, in cui vengono valutati i costi livellati e il ritorno di investimento per ogni scenario testato (numero di coperture, intensità di controllo della temperatura). I risultati mostrano che ogni tonnellata prodotta sotto serra costa il 19% in più rispetto alla coltivazione all'aria aperta; inoltre, la serra non controllata è caratterizzata da una minore produttività. Il raffreddamento estivo è più impattante del riscaldamento invernale; pertanto, una serra a singola copertura è migliore di una a doppia copertura. Poiché i costi termici aumentano più della produttività, solo la ventilazione dell'aria ed un controllo lieve dell'acqua sono economicamente vantaggiosi, qualora il prezzo di vendita della biomassa sia superiore a 1.8 e 3.5 k€ per tonnellata, rispettivamente.