Business case: Biometano da discarica

Ancora oggi la diffusione di gas metano da discariche rifiuti rappresenta, nel mondo, una quota rilevante delle emissioni gas ad effetto serra.

Figura 1: Emissioni metano da discarica

Il biogas prodotto dalla discarica può essere efficacemente valorizzato attraverso la sua purificazione fino ad ottenere un gas con concentrazione di metano > 97%, noto come biometano.

Figura 2: Processo purificazione biogas

Nel corso dell’anno 2020 è stato commissionato ad I.G.W. un progetto di fattibilità con lo specifico obiettivo di valorizzare il gas naturalmente prodotto all’interno della discarica per la produzione di biometano per autotrazione. La discarica su cui è basato il progetto è esistente ed operativa da diversi anni e smaltisce rifiuti speciali di diversa tipologia.

Il lavoro si è concluso con l’autorizzazione di un impianto purificazione gas per produzione biometano.

Il lavoro si è sviluppato in quattro fasi:

1. indagine sui rifiuti conferiti, e conferibili, con conseguente stima della produzione potenziale biogas,
2. analisi chimica del biogas prodotto,
3. sulla base dei dati raccolti (punti A e B), scelta di taglia e tipologia impianto upgrading
4. business plan investimento con analisi sensitività ai diversi scenari produzione biogas.

A – Indagine su caratteristiche chimico – fisiche rifiuti conferiti e conferibili.

I modelli matematici che consentono di prevedere la quantità di biogas producibile da una discarica si basano fondamentalmente su questi parametri: a) quantità rifiuti abbancati, b) composizione merceologica del rifiuto e relativo contenuto di carbonio organico biodegradabile (intuitivo il fatto che, se conferissi esclusivamente degli inerti, l’aspettativa della produzione gas sarebbe pari a zero), c) temperatura e umidità presenti nell’ambiente di discarica.

1. Quantità: sulla base delle volumetrie disponibili, considerato il progressivo aumento della densità del rifiuto abbancato, conseguente alla sua stabilizzazione, si sono determinate le quantità abbancate fino ad oggi.
2. L’analisi storica dei dati relativi alla tipologia dei rifiuti conferiti è stata la base per effettuare una stima della produzione di biogas per unità di rifiuto collocato in discarica. Partendo dalla ripartizione per codice EER dei rifiuti conferiti, considerato che: i codici EER sono delle sequenze numeriche, composte da 6 cifre riunite in coppie volte a identificare un rifiuto, di norma, in base al processo produttivo da cui è originato; sulla base di questo dato sono state attribuite, con un certo livello di approssimazione, caratteristiche merceologiche e chimiche alle diverse tipologie di rifiuti.
3. I parametri ambientali sono stati desunti da indagini bibliografiche e da misurazioni sul campo. Il clima dell’area di indagine può essere definito di tipo “mediterraneo”; è caratterizzato da un lungo periodo di siccità estiva ed inverni moderatamente piovosi con temperature miti.

La valutazione della produzione di biogas prodotto dalla discarica, e la sua evoluzione temporale, ha ricoperto un ruolo estremamente importante al fine di valutare la sostenibilità dell’iniziativa. La capacità di trattamento del sistema purificazione gas doveva essere necessariamente correlata alla produzione prevista al fine di valorizzare tutto il biogas prodotto. Essendo la discarica operativa, il dato relativo all’ attuale produzione di gas è stato impiegato per verificare quale modello matematico meglio descriveva la dinamica di produzione gas del sito.

Il modello che meglio rappresentava la situazione attuale è stato successivamente impiegato per la stima delle produzioni future.

Per la quantificazione del biogas prodotto si sono impiegati, sulla base dei dati a disposizione, tre diversi modelli matematici con la possibilità, conoscendo il dato di produzione biogas captato, relativo agli anni 2019-2020, di verificarne la congruità ed evoluzione. Essendo nota la produzione biogas relativa agli anni 2019, 2020 è stato possibile verificare l’adattamento dei modelli alla situazione reale. Come detto precedentemente il modello che meglio descriveva la situazione attuale è stato impiegato per stimare la produttività futura.

Figura 3: Curve di produzione gas. Ogni curva di diverso colore rappresenta i dati restituiti dal modello applicato

Verificata l’attendibilità del modello, abbiamo provveduto alla stima della producibilità futura. Stima di fondamentale importanza per determinare: l’epoca in cui il flusso di gas non consentirà più il sostentamento del processo produttivo (figura 3), e per la scelta di un adeguata taglia d’impianto.

Essendo la tipologia di rifiuti potenzialmente conferibili alla discarica estremamente variegata sono stati delineati 3 tre diversi scenari, basati sulla biodegradabilità del rifiuto conferito, che consentissero l’analisi tecnico economica.

Figura 4: Stima produzione gas

B – Qualità del gas

Il gas, per poter essere immesso in rete, deve soddisfare determinati requisiti definiti in Italia dalla norma UNI 11537.

Tabella 1: Raffronto caratteristiche biogas captato, qualità del gas per immissione in rete.
*Per tale componente il valore di accettabilità è intrinsecamente limitato dal campo di accettabilità dell’indice di wobbe

C – Scelta tipologia upgrading

Il biogas, come noto, è una miscela di diversi gas, tra loro in proporzioni variabili, a seconda dell’origine. Principalmente metano ed anidride carbonica. Nel biogas da discarica, in proporzione alla presenza di aria ambiente (la discarica non è un contenitore ermetico), si riscontra la presenza di azoto ed ossigeno.

In base alle analisi effettuate si è optato per l’installazione in serie di: pretrattamento a carboni attivi per la rimozione di COV ed Idrogeno Solforato, PSA per la rimozione di anidride carbonica, NRU per la rimozione dell’azoto.

Figura 5: Diagramma di flusso sintetico processi

Dal sistema di purificazione si generano due flussi di gas di “risulta”, OFF-GAS. Questi sono caratterizzati da una percentuale residua di metano, %CH4, differente in base ai diversi processi di trattamento che il gas subisce all’interno dell’impianto stesso.

1. OFF-GAS in uscita da PSA destinato a RTO (impianto di combustione S.O.V. con recupero termico rigenerativo). Essendo presente all’interno di questo flusso una quota residua di metano, al fine di azzerare completamente l’emissione di GHG, l’off-gas è destinato a combustione.
2. OFF-GAS +N2, questo flusso, invece, a maggiore concentrazione di metano sarà inviato ai due cogeneratori, già presenti in discarica, ad integrazione del flusso biogas, per la generazione dell’energia elettrica necessaria al sostentamento dei processi.

D – Business plan

Sulla base dei flussi di gas preventivati è stata successivamente effettuata l’analisi tecnico economica del progetto prevedendo diversi scenari: variabilità produzione gas, mercato gas.

Tabella 2: Analisi dell'investimento

Tabella 3: Analisi costi operativi

L’analisi economica è stata effettuata partendo da uno scenario base sulla base del quale sono state condotte analisi di sensitività considerando tre diversi scenari di produzione gas in discarica, sulla base della biodegradabilità del rifiuto conferito nei prossimi anni (Tabella 4) e tre diversi prezzi del gas prodotto (Tabella 5).

Tabella 4: Scenari di produzione biogas

Tabella 5: Scenari di prezzo del gas naturale al PSV

Successivamente la valutazione economico – finanziaria condotta per tutti i diversi scenari è stata sintetizzata impiegando i principali indici: il Valore Attuale Netto (VAN), il Pay Back Time (PBT) e il Tasso Interno di Rendimento (TIR).

La valutazione inoltre è stata declinata con due opzioni di finanziamento del Progetto:

• Mediante esclusivamente mezzi propri rinunciando pertanto ai possibili meccanismi della leva finanziaria (caso “full equity” o “unlevered”);
• Mediante mezzi propri in maniera minoritaria e un finanziamento bancario per la restante quota (caso “levered” con livello di leverage medio alto 70% debito vs 30% equity sponsor).

Tabella 6: Sinossi dei principali indicatori economico-finanziari