Produzione di Energia e Gestione Avanzata di Sistemi di Upgrading e Sistemi ad alta efficienza (PEGASUS)

Risultato della ricerca:

Il progetto denominato PEGASUS – Produzione di Energia e Gestione Avanzata di Sistemi di Upgrading e Sistemi ad alta efficienza – permette il passaggio da un prototipo ad un impianto pilota, coerentemente simile, del sistema in scala reale in un contesto significativo per lo smaltimento della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani (da qui denominata FORSU), la produzione di energia (elettrica/termica) e compost di qualità. L’idea centrale del progetto è rappresentata dallo sviluppo di un prodotto nuovo, un impianto di piccola taglia, non presente nel mercato italiano, che permetta di aprire un business in un settore dove ancora non vi sono competitor importanti.

Gli obiettivi generali del progetto possono essere così declinati:

– la creazione di un sistema di gestione dei rifiuti incentrato sul concetto dell’economia circolare;

– miglioramento del ciclo di trattamento e smaltimento della FORSU e riduzione della frazione indifferenziata dei rifiuti solidi urbani;

– massimizzazione delle ricadute sociali sul territorio Calabrese compresa la creazione di posti di lavoro.

L’implementazione di un sistema innovativo, modulare ed efficiente (risultato delle attività di ricerca come riportato anche in seguito) di produzione di biogas e compost che utilizza la digestione anaerobica (reattore PFR – Plug Flow Reactor a singolo o doppio stadio) ed il compostaggio aerobico (tramite l’utilizzo di compostiere di prossimità o sistemi analoghi) permetterà la riduzione dei costi della gestione dei rifiuti e quindi delle spese sostenute da ogni singolo cittadino.

In particolare l’utilizzo di opportuni sistemi di upgrading e purificazione del biogas in biometano (rimozione di H2S e CO2) e il successivo utilizzo in sistemi per la generazione di energia elettrica e termica non solo potrà rendere l’impianto energeticamente autosufficiente ma permetterà l’implementazione di sistemi ad elevata conversione energetica (come fuelcell).

Non secondari al progetto risultano inoltre la sensibilizzazione della cittadinanza e l’accrescimento della consapevolezza circa la necessità di ridurre la produzione di rifiuti indifferenziati e per le amministrazioni locali, la dimostrata fattibilità tecnica ed economica di una gestione dei rifiuti locale e con ridotto impatto ambientale (migliore conoscenza, modi alternativi di gestire la FORSU in modo economico e sostenibile).

I risultati del progetto PEGASUS sono indicati dallo stadio di sviluppo corrispondente a TRL 4 – Validazione delle componenti o del sistema nel contesto di laboratorio. Si tratta quindi di componenti realizzate autonomamente in laboratorio e di test su piccola scala. Il livello TRL 4 è il primo passo per la verifica della funzionalità delle singole componenti all’interno del sistema complessivo. Il sistema di laboratorio sviluppato si compone quindi come di norma di componenti già disponibili e di poche altre sviluppate autonomamente: nel caso specifico si tratta del digestore anaerobico (PFR a singolo stadio) e del sistema di upgrading con tecnica VSA. Sono stati inoltre eseguiti tutti i test su condizioni di laboratorio anche se molto vicine a quelle reali comunque riprodotte in un contesto simulato (sia per quanto riguarda la fase di digestione anaerobica che per quanto riguarda la fase di upgrading del biogas prodotto in biometano).

Il progetto sviluppato ricade all’interno dell’area di innovazione “Ambiente e rischi naturali”, mentre la traiettoria tecnologica in cui si colloca è “Nuove tecnologie energetiche e riutilizzo di scarti e rifiuti per ridurre l’impatto ambientale”. Per quanto attiene le priorità della Regione Calabria si osserva una ridotta percentuale di frazione umida trattata in impianti di compostaggio, pari al 9,6% (il dato italiano è del 42,5%). Quindi, il progetto, in linea con queste criticità regionali, intende incrementare la percentuale di FORSU destinata allo smaltimento e riducendo i problemi delle piccole comunità territoriali, migliorando sensibilmente la gestione e l’uso delle risorse attraverso una tecnologia in grado di convertire la FORSU in compost e biogas. La tecnologia sviluppata consente di ridurre l’impatto ambientale relativo alle emissioni di gas ad effetto serra derivate dalla combustione, il biogas che sarà prodotto è difatti considerato un combustibile globalmente neutro.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

I risultati della ricerca qui proposti sono stati oggetto del seguente progetto “FORUM: Frazione Organica Rifiuti Urbani – smart Management a valere sull’Avviso Pubblico POR CALABRIA FESR 2014 2020 – Azione 1.2.2 “Supporto alla realizzazione di progetti complessi di attività di ricerca e sviluppo su poche aree tematiche di rilievo e all’applicazione di soluzioni tecnologiche funzionali alla realizzazione delle strategie di S3”.

Il progetto ha previsto la realizzazione di un prodotto pilota che consente il trattamento e smaltimento del rifiuto organico proveniente dalla raccolta differenziata con produzione di biogas e compost di qualità.

Il sistema può essere suddiviso in 3 macro componenti: pretrattamenti, digestione anaerobica/aerobica e post-trattamenti.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Tra i punti di dettaglio di maggiore innovatività della soluzione progettuale proposta si possono citare le seguenti tre linee principali di sviluppo:

1. sviluppo di soluzioni modulari per upgrading: implementazione di impianti (piccola taglia) caratterizzati da portate di biogas prodotto e quindi di biometano (espresso come Nm3 /h) anche inferiori a 200÷300 Nm3 /h mediante soluzioni di upgrading (operanti con sistemi PSA – Presure Swing Adsorption e VSA – Vacuum Swing Adsorption) modulari e facilmente flessibili;
2. realizzazione di “smart grid” e sistemi energetici ad elevata efficienza come le reti SEU: favorire cioè lo sfruttamento energetico in situ del biometano prodotto (fuel-cell alimentate a metano per la produzione di energia elettrica) piuttosto che l’immissione del biometano nella rete del gas naturale, proseguendo il progressivo percorso di greening dell’infrastruttura energetica;
3. ottimizzazione della fase di digestione anaerobica tramite implementazione di tecniche di AI (Artificial Intelligence): implementazione di tecniche automatiche basate su digital twins del digestore allo scopo di simulare e controllare le interazioni tra le varie specie presenti nella flora batterica.

La presente proposta si articola nelle due fasi riportate di seguito:

– studio e implementazione di un digital twin che riproduca le dinamiche tra le varie popolazioni tramite un modello basato su un sistema di equazioni differenziali che regolano la variazione nel tempo di ogni nutriente auxotrofo e il tasso di crescita di ciascuna popolazione;

– utilizzo di algoritmi di intelligenza artificiale – interfacciati con il simulatore di cui al punto precedente quali il Reinforcement Learning per individuare le migliori strategie automatiche di gestione della flora batterica compatibili con un controllo di tipo bang-bang, particolarmente adatto quando la valutazione dello stato del sistema si fondi su campionamenti poco frequenti.

Titoli di proprietà intellettuale:

Tutti i risultati descritti in precedenza e le attività svolte e da svolgere durante l’esecuzione progettuale rientrano nell’accordo di collaborazione tra il CNR-IIA e le specifiche aziende di settore coinvolte e/o che potrebbero essere coinvolte.

L’accordo avrà la finalità di regolamentare il tema della “proprietà” e dell’utilizzo e diffusione dei risultati del progetto di ricerca e sviluppo seguendo cioè le disposizioni previste dal Codice della proprietà industriale (D.lgs 10.02.2005 n. 30) in materia di titolarità dei diritti brevettuali da parte di ricercatori pubblici e delle imprese che partecipano alle attività comuni e da eventuali condizioni poste da altri soggetti finanziatori del progetto. In particolare:

– ognuno dei soggetti interessati rimane titolare dei diritti di proprietà intellettuale su quanto in precedenza da ciascuno di essi realizzato individualmente;

– i risultati raggiunti congiuntamente saranno di proprietà congiunta dei soggetti interessati.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

La digestione anaerobica, in quanto tecnologia efficiente anche su piccola scala, è in grado di rappresentare una infrastruttura tecnologica nell’ambito di piccole comunità, o di più comunità tra loro integrate, e risulta quindi essenziale per ridurre gli impatti in termini di emissioni di gas serra e di altro genere. Il progetto e il mercato che ne può nascere rientra a pieno titolo nel concetto di economia circolare e, forse, è l’esempio più alto di sistema di economia circolare. Il rifiuto non è più un problema ma una risorsa. Il rifiuto non è più rifiuto e resta all’interno del sistema economico in modo da poter riutilizzarlo a fini produttivi e creare nuovo valore. In base alle esperienze maturate, il principale contributo all’avanzamento fornito dal CNR-IIA è inquadrabile nel settore tecnologico e organizzativo, in quanto metterà a disposizione per lo sviluppo del progetto le competenze del personale addetto alla progettazione e monitoraggio del prodotto pilota nonché la tecnologia sviluppata negli anni di studio e nei differenti progetti di ricerca affrontati e dedicati alla tematica. Il CNR-IIA quindi contribuirà all’avanzamento tecnologico perfezionando le tecniche già acquisite e calibrando il prototipo in base alle esigenze di progetto.

Il cliente a cui si guarda è rappresentato principalmente da tutti quei piccoli comuni o comunità che non hanno quantità di biomassa (in particolare FORSU ma anche scarti proveniente dal settore agroalimentare, potatura e gestione del verde pubblico) da rendere economicamente sostenibile la realizzazione di impianti per lo smaltimento della frazione umida.

Attualmente nel mercato sono difatti presenti impianti che gestiscono almeno 20 mila tonnellate anno di FORSU e che quindi risultano adeguati a comuni con più di 100 mila abitanti.

Il mercato è dominato da grandi multinazionali o aziende che realizzano solo grandi impianti. Il settore che è stato esplorato con il progetto “SMARTGRID”, ovvero della possibilità di fare piccoli impianti, che non richiedono grandi investimenti e che, perciò si rivelano vantaggiosi economicamente parlando anche per i piccoli Comuni, non ha – attualmente – concorrenti. Probabilmente il settore non ha attirato grandi player poiché è un settore fortemente nuovo e complesso e non ha un margine economico attrattivo per le grosse multinazionali. Il cliente del nuovo prodotto sviluppato è il piccolo Comune intorno ai 15-20 mila abitanti, cioè la maggior parte dei Comuni di cui è fatta l’Italia.

L’impianto si configura come una soluzione innovativa metodologicamente flessibile ed economicamente sostenibile per la valorizzazione di biomasse tecnicamente e finanziariamente realizzabile anche per piccole quantità di biomassa raccolta, magari con picchi dovuti alla stagionalità e dove non sia possibile collocare delle compostiere domestiche e altrettanto non risulti possibile investire in un impianto per la produzione di biogas, a causa appunto della grande fluttuazione della biomassa di partenza.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Rispetto al TRL attuale definito dai risultati della ricerca proposta le esigenze di sviluppo sono legate al passaggio del progetto PEGASUS allo stadio: TRL 6 – Validazione di un sistema modello e di un sistema pilota (prototipo) simili in un contesto significativo.

I livelli TRL 4-6 rappresentano il passaggio dalla ricerca scientifica allo sviluppo tecnico da parte degli ingegneri. In questo contesto quindi è necessario che i modelli formulati e i prototipi sviluppati vengano testati in un contesto significativo. Questo è difatti un passo importante verso la dimostrazione della maturità tecnologica della soluzione progettuale proposta.

La documentazione comprende i risultati dei test ingegneristici e l’analisi delle differenze tra sistema e contesto del modello e sistema e contesto del prototipo. Sarà quindi necessario replicare le soluzioni sviluppate e testate in ambiente di laboratorio in un contesto significativo (quale una piccola comunità o distretti energetici di limitate estensioni) implementando tutte le metodologie innovative di sviluppo proposte.

Individuato quindi il caso studio si procederà alla configurazione dell’impianto prototipo a livello di proposta industriale operativo in tutte le sue fasi di produzione: digestione anaerobica, upgrading del biogas in biometano, produzione di energia elettrica e/o termica mediante sistemi ad elevata efficienza e produzione di compost di qualità.