Technical, economic and environmental assessment of biomethane production from organic fraction of municipal solid waste

The present thesis work focuses on the theme of biomethane and on the development of a model that analyzes a plant for its production starting from the biomass OFMSW (organic fraction of municipal solid waste). The analysis, through the model, aims to provide the results of the solution following a coherent and comprehensive approach based on three different dimensions: energetic, environmental and economic. The thesis can be divided into two parts. The first part is theoretical-descriptive and focuses on the opportunities deriving from the development of biomethane to achieve European and Italian objectives in the field of sustainable energy. A precise description of the regulatory context and its evolution, of the physico-chemical processes used and of the widespread technologies has been drawn up in order to lay and define the bases and related assumptions for the development of the model. In the second section, the model used for the final achievement of the results is introduced and defined. The model is divided into four macro-modules: a first section that analyzes the mass balance of the plant, i.e., the quantities of biomethane obtainable from a certain amount of incoming biomass. A second section of energy balance shows the net energy production of the plant considering consumption and energy produced. The third part of the model is focused instead on the estimation of the emissions related to the process and those avoided deriving from the introduction into the network of a green gas such as biomethane. Finally, in the last section, the economic balance of the plant is analyzed, considering costs and revenues, taking into account the incentive scheme currently valid in Italy. The work concludes with the analysis and discussion of some simulations performed through the model based on different significant biomass values. The analysis is carried out in a differential perspective with respect to the most widespread as-is situation in the Italian panorama for the management of organic waste, namely that of composting treatment: the results show how, as regards the energy and environmental dimensions, the production of biomethane is more convenient than the basic case, regardless the quantity treated, while it become worth from an economic point of view only once exceeded a certain threshold of minimum tons per year.

Il presente lavoro di tesi ruota attorno alla tematica del biometano e allo sviluppo di un modello che analizzi un impianto per la sua produzione a partire dalla biomassa FORSU (frazione organica dei rifiuti solidi urbani). L’analisi, attraverso il modello, vuole fornire i risultati della soluzione in questione seguendo un approccio coerente e omnicomprensivo in base a tre diverse dimensioni: energetica, ambientale ed economica. La tesi può essere suddivisa in due parti. La prima parte è teorico-descrittiva e pone l’attenzione sulle opportunità derivanti dallo sviluppo del biometano per raggiungere gli obiettivi europei e italiani in ambito di energia sostenibile. Un’ attenta descrizione del contesto normativo e della sua evoluzione, dei processi fisico-chimici utilizzati e delle tecnologie diffuse è stata redatta in modo da porre e definire le basi e le relative assunzioni per lo sviluppo del modello. Nella seconda parte viene introdotto e definito il modello che viene usato per l’ottenimento dei risultati. Il modello si divide in quattro macro-parti: una prima sezione che analizza il bilancio di massa dell’impianto, ovvero le quantità di biometano ottenibili da una certa quantità di biomassa in ingresso. Una seconda sezione di bilancio energetico mostra la produzione netta di energia dell’impianto considerando consumi ed energia prodotta. La terza parte del modello è focalizzata invece sulla stima delle emissioni relative al processo e di quelle invece evitate derivanti dall’immissione in rete di un gas verde come il biometano. Infine, nell’ultima sezione, viene analizzato il bilancio economico dell’impianto considerando costi e ricavi, tenendo in conto lo schema di incentivi attualmente valido in Italia. Il lavoro si conclude con l’analisi e la discussione di alcune simulazioni eseguite tramite il modello in base a diversi significativi valori di biomassa. L’analisi viene eseguita in ottica differenziale rispetto alla situazione più diffusa as-is nel panorama italiano per la gestione dei rifiuti organici, ovvero quella del trattamento di compostaggio; i risultati evidenziano come, per quanto riguarda le dimensioni energetiche e ambientali, la produzione di biometano sia più conveniente rispetto al caso base, indipendentemente dalla quantità trattata, mentre risulta più conveniente da un punto di vista economico solo superata una certa soglia minima di tonnellate annue.