Biogas plants' network: optimized locations and connections

The current environmental situation, coupled with the emerging problems of climate change, average temperature increase, and carbon emissions, requires urgent actions and solutions. Exploiting alternative forms of energy is a driving strategy towards an environmental and energetic transition and a net-zero impact economy. Among all the possible renewable energies, biogas could have its role for clean energy production. This technology can produce energy in different forms (electric energy, or thermal energy) or biomethane. The latter is an interesting opportunity to decarbonize hard-to-abate sectors, via exploitation of a bio-based fuel instead of a fossil one. Furthermore, biogas production positively impacts rural areas economy and agronomic residues’ management. This thesis wants to investigate the entire biogas production chain - from feedstock availability to biomethane injection on the grid - in order to evaluate optimal locations for biogas plants. To do so, we construct a MILP model. The developed tool – given residues available and candidate biogas sites on a rural region – is able to select where to activate a plant or not, which size the plants should be and which feedstock fluxes they need. Thus, this optimization perspective could guarantee economic benefits to a consortium of more actors cooperating together. We explore two different biomethane grid layouts: a direct connection only or arcs between plants, constructing an internal network. After conducting tests under different scenarios, we could conclude that the interconnection possibility could guarantee a higher profit and CAPEX savings, favoring the biogas sector’s development.

La attuale situazione ambientale, associata ai problemi di cambiamento climatico, innalzamento delle temperature medie ed emissioni di carbonio, richiede urgenti azioni e soluzioni. L’utilizzo di forme di energia alternativa è una valida strategia verso una transizione energetica ed ambientale ed una economia ad impatto neutro. In mezzo a tutte le possibili forme di energia rinnovabili, anche il biogas può avere un suo ruolo nella produzione di energia pulita. Questa tecnologia è capace di produrre energia in diverse sue forme (energia elettrica o energia termica) oppure può produrre biometano. Quest’ultimo rappresenta un’interessante opportunità per la decarbonizzazione dei settori “hard-to-abate”, attraverso l’utilizzo di un combustibile di origine bio e non più fossile. In aggiunta, la produzione di biogas ricade positivamente sull’economia delle aree rurali e sulla filiera degli scarti agro-zootecnici. Questo lavoro di tesi mira ad investigare la intera filiera del biogas, a partire dalla disponibilità di substrati sino all’iniezione di biometano in rete - di modo da valutare il posizionamento ottimale per impianti biogas. Per perseguire questo scopo, è stato costruito un modello MILP. Lo strumento che è stato sviluppato – nota la disponibilità di residui ed i siti candidati per gli impianti all’interno di una area rurale – è in grado di decidere dove attivare un impianto e dove no, quale taglia gli impianti devono avere e quali flussi di residui essi necessitano. Questa logica di ottimizzazione può portare un beneficio economico per un consorzio di più parti che collaborano nella stessa filiera. Abbiamo esplorato due diverse possibilità di configurazione dell’iniezione del biometano: la prima a connessione diretta e la seconda attraverso archi fra impianti, costruendo così una rete interna a connettere più impianti e punti di iniezione. Dopo avere condotto diversi test in diversi scenari, è possibile concludere che la possibilità di interconnessione può garantire profitti maggiori e risparmi di costi di investimento, favorendo in questo modo lo sviluppo del settore biogas.