SUSTAINABLE DEVELOPMENT OF REGIONAL BIOGAS PRODUCTION: Gis-based Techno Economic Assessment In Southern Italy

Renewable energies have attracted increasing attention in the past decades due to the need to reduce consumption of energy from fossil fuels and GHG emissions. In this respect, energy production from agri-food biomass has been researched and developed regarding both processes and biomass feedstocks (food crops, non-food crops, and by-products and residues). Recently, an innovative system based on both intensification of crop rotation and use of by-products was derived from BIOGASDONERIGHT concept, which aims to sustainably make more biogas. Therefore, the main objective of this thesis was to apply advanced GIS modeling and biomethane potential test to investigate availability of byproducts and wastes, and conclude suitable biogas production system in the region of Sicily. A hypothetical regional biogas power generation system based on multiple biomass feedstocks for the Catania province in Sicily was developed using GIS modeling tools, and evaluated by techno-economic assessment and economic sensitivity analysis. The analysis of availability and distribution of the multiple biomass feedstocks identified the best locations of four biogas plants in terms of optimization of biomass logistics. The size and location of four biogas plants in the system were determined by buffer zone and road network analyses. Moreover, the effects of mixing six feedstocks (citrus pulp, olive pomace, cattle manure, poultry litter, whey, and corn silage) on anaerobic digestion of biogas production have been investigated by this study using a combined biomethane potential (BMP) and semi-continuous anaerobic digestion (AD) testing approach, in order to maximise the biogas production. The system demonstrates excellent economic performance with a payback period of less than three years for all four biogas plants. The economic sensitivity analysis clearly presents that, after establishment of the regional biogas plants according to feedstock availability and transportation, some customised adjustments on operations at local level could be carried out to further improve the economic performance of individual biogas plants. The system offers a sustainable solution for renewable electricity generation and soil amendment production from agricultural residues and food wastes in the region of Sicily.

Negli ultimi 20 anni il settore della produzione di biogas mediante digestione anaerobica ha avuto un forte incremento. Nella maggior parte delle regioni italiane, specialmente nell'Italia settentrionale, il biogas è prodotto da colture energetiche dedicate che implicano la nascita di problemi economici, sociali e soprattutto ambientali, legati alla competizione dei prodotti food-no food. Di recente è stato sviluppato un nuovo concetto per la produzione di biogas, noto nell ambito della letteratura di settore con il nome di BIOGASDONERIGHT. Tale sistema si basa sullo sviluppo del doppio raccolto, riduzione dei concimi chimici necessari alla coltivazione ed utilizzo di sottoprodotti agro-industriali come biomasse alternative. Per incoraggiare la crescita di impianti a biogas secondo tale concetto, la quantificazione e la relativa localizzazione delle biomasse presenti in un determinato territorio risulta essere cruciale. L obiettivo generale della presente tesi è stato quello di contribuire allo sviluppo sostenibile degli impianti di biogas in aree in cui il settore è ancora in via di sviluppo. La Sicilia è tra le regioni del sud-Italia in cui il settore del biogas tarda a svilupparsi. Considerando la rilevante attività agricola e il settore agro-alimentare/industriale annual-mente vengono prodotti circa 3,9 milioni di tonnellate di residui di biomasse. A tale scopo è stato sviluppato, per la provincia di Catania, un sistema di produzione di biogas basato su più fonti di biomasse, utilizzando strumenti di modellazione GIS. L'analisi della disponibilità e della distribuzione delle biomasse considerate ha contribuito a individuare la posizione migliore, per quattro nuovi impianti a biogas, in termini di ottimizzazione della fase logistica durante l approvvigionamento delle biomasse. La dimensione e l'ubicazione dei quattro impianti di biogas sono state determinate tenendo in considerazione i dati sulle biomasse individuate ed applicando un analisi della rete stradale per la creazione di bacini di approvvigionamento. Inoltre, sono stati studiati gli effetti dei mix delle sei biomasse selezionate (pastazzo, sansa, deiezioni avicole, deiezioni bovine, siero di latte e insilato di mais) sulla produzione di biogas utilizzando un analisi combinata di potenziale di biometano (BMP) e digestione anaerobica (AD) semi-continua, al fine di massimizzare la produzione di biogas. Il sistema dimostra eccellenti prestazioni economiche con un periodo di ritorno inferiore a tre anni per tutti e quattro gli impianti di biogas. L'analisi della sensitività economica dimostra chiaramente che, dopo la creazione degli impianti di biogas, in base alla disponibilità e al trasporto di materie prime, potrebbero essere effettuati adeguamenti personalizzati per migliorare ulteriormente la performance economica di singoli impianti di biogas. Questo studio offre una soluzione sostenibile sia per la produzione di energia da fonti rinnovabili che per la produzione di fertilizzanti naturali ottenuti dalla valorizzazione di residui agricoli e sottoprodotti agro-industriali della Sicilia.