Ecobuilding : conceptual design of interconnected processes for waste conversion and energy production in a residential environment

In this thesis the conceptual design of processes for waste conversion and energy production, implemented in a self-sustainable residential building, is presented. This approach addresses the growing need for sustainable solutions in the residential environment and contributes to the global effort to reduce emissions. Different technologies and solutions are introduced and discussed in this thesis: • A photovoltaic system is used as renewable energy source. • Continuous microalgae cultivation is chosen for the wastewater treatment. • Hydrothermal carbonization (HTC) is used for the conversion of organic waste, microalgal biomass and residual waste. • Anaerobic digestion is used for the conversion of the liquid products of HTC in biogas. • The biogas is purified and converted in energy by using a microturbine system. • The CO2 coming from the combustion is used as carbon source for microalgal growth, reaching in this way a overall carbon negativity. The design strategy is based on the definition of global mass and energy balances on a certain number of families. In these balances are present the material and energetic inputs and outputs of all the sections, to verify the technical feasibility of the process scheme. The balances are referred to four alternative locations, characterized by different energy needs and waste streams. The final result, containing the maximum number of families for which the process scheme is sustainable, is a fundamental basis upon which construct further developments and insights.

In questa tesi viene presentato il conceptual design di alcuni processi per la conversione dei rifiuti e la produzione di energia, da attuare all’interno di un edificio residenziale, per ottenere una piena autosostenibilità energetica. Questo approccio risponde al bisogno crescente di soluzioni sostenibili nel settore residenziale e contribuisce allo sforzo globale di riduzione di emissioni. Diverse tecnologie e soluzioni sono introdotte e discusse in questa tesi: • Un impianto fotovoltaico è inserito come fonte di energia rinnovabile. • Il trattamento delle acque reflue è effettuato mediante la coltivazione di microalghe. • La tecnologia HTC (Hydrothermal Carbonization) è usata per la conversione dei rifiuti organici, delle microalghe e del rifiuto indifferenziato. • I prodotti liquidi della HTC sono convertiti in biogas mediante digestione anaerobica. • Il biogas, dopo essere purificato, viene convertito in energia mediante microturbine. • La CO2 proveniente dalla combustione è usata come fonte di carbonio nella crescita delle microalghe, ottendendo così un impatto negativo. La strategia applicata nel design dei processi è basata sulla definizione di bilanci globali di massa e energia su un numero definito di famiglie. In questi bilanci sono presenti gli input e output materiali e energetici delle varie sezioni, per verificare la fattibilità tecnica dello schema di processo. I bilanci sono stati eseguiti su quattro località alternative, caratterizzate da diversi fabbisogni energetici e produzione di rifiuti. Il risultato finale, rappresentato dal numero massimo di famiglie per cui lo schema di processo è sostenibile, rappresenta una base su cui fondare ulteriori sviluppi e approfondimenti.