La presentazione realizzata da Sara Giarola nel corso dell'evento "Sull'impiego del biogas e del biometano nei settori dell'energia e dei trasporti", che è stato organizzato dalla Piattaforma Energie rinnovabili e si è svolto il 4 novembre 2021.

1. Applicazione in impianti di depurazione acque
Prospettive di impiego del biogas
nelle celle a combustibile
Dr Sara Giarola
Sustainable Gas Institute, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Imperial College London

2. La sostenibilitá nell’agenda energetica dell’UE
40 % GHG (CO2,
CH4, N2O,) 1990-
2030
32 % rinnovabili
32.5 % efficienza
energetica
https://ec.europa.eu/clima/policies
Green Deal (2019) Strategia lungo-termine
50 % by 2030
Economia
circolare
Sostenibilitá
nei trasporti
Emissioni, MtCO2/y
Agenda UE 2030

3. • Sottoprodotti
• Tecnologie
• Minore rischio
alluvioni
• Zero
waste
/emissions
Sostenibilitá Resilienza
Nuovi
mercati
Innovazione
Impianti di depurazione acque: prospettive in Europa
• Crescita di impianti depurazione
(WWTPs)
– 30 milioni di persone non collegate
– correlazione con popolazione e GDP
– principio “economia circolare”

4. Intervallo
taglia
P.E.
Consumo,
kWhe/P.E.
XS 20,000 ― 60,000 48
S 60,000 ― 150,000 42.3
M 150,000 ― 350,000 37.6
L 350,000 ― 750,000 37.6
XL 750,000 ― > 1,100,000 37.6
Impianti di depurazione: classificazione
20,000 abitanti equivalenti (P.E.): taglia minima per
ospitare digestore anaerobico
https://www.eea.europa.eu

5. Variabile Ipotesi
Portataǂ 26.889 P.E.
Resa biogasǂ 15 l/P.E./d
Co-generazione* 45 kWe
Biogas e transizione energetica
Scenario sostenibile (IEA, 2019)
ǂ Valori medi.
La resa in biogas é affetta da stagionalitá, inquinanti,
e tipo di impianto
* LHV Biogas = 21.5 MJ/m3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2018 2030 2040
BIOENERGIA,
EJ
biomassa bio-combustibile biogas

6. Stabilimento di trattamento
acque SMAT, Torino
SOFCs alimentate
a biogas
Primo impianto di scala industriale in Europa

7. Collegno, Torino
Capacitá: 250,000 PE
Carico: 640 kWhe, 340 kWhth
Attuale layout

8. Collegno, Torino
Capacitá: 250,000 PE
Carico: 640 kWhe, 340 kWhth
~ Digestore @ 40-45 °C
Attuale layout

9. Collegno, Torino
Capacitá: 250,000 PE (nominale)
Carico: 640 kWhe, 340 kWhth
~ Digestore @ 40-45 °C
Attuale layout
Taglia: 50 kW SOFC ICE
Efficienza termica 27 % 60 %
Efficienza elettrica 54 % 28 %
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells
ICE: motori a combustione interna

10. Attuale layout
Energia: mix di natural gas e biogas
Stoccaggio per controllare fluttuazioni

11. • - 3 x 58 kW SOFCs
• - Rimozione contaminanti
– 10 ppb silossani
– 30 ppb sulfuri
• - Sostituzione stack celle
– costi ripristino celle
– ogni 5 anni
http://www.demosofc.eu; Giarola et al. (2018)
sludge (fanghi)
Nuovo layout

12. Modellazione
Giarola et al. (2018)
Condizioni di funzionamento
Gas/Biogas (CHP) 7 / 93 % (media)
Gas/Bogas (boiler) 70 / 30 % (media)
N. Spegnimenti 0
CHP output elettrico 26 %
CHP output termico 25 %
Ottimizzazione costi annuali
Dati industriali su produzione e costi

13. Impianto reale: 100 kW
Variabile Misurazione
Efficienza media > 50%
Funzionamento > 10000 h (cont.)
NOx < 20 mg/m3
SO2 < 8 mg/m3
PM n.a.
Gandiglio et al. (2020)
➢ Valenza ambientale rispetto a
technologie alternative
➢ Costo tecnologia non comparabile
➢ Limite efficienza impianto

14. Numero ottimale di moduli: 3
Per minimo costi di gestione e capitale
Stima della capacitá installabile
Sechi et al. (2021)

15. WWTPs, mercato di nicchia per lo scale-up di SOFCs
Taglia PE Taglia, kW Moduli Capacitá, kW Fattore di capacitá
XS 30,000 10 3 30 80 %
S 90,000 10 8 80 86 %
M 210,000 58.3 3 176 81 %
L 450,000 100 5 500 89 %
XL 1,100,000 150 8 1,200 89 %
Totale capacitá: 654 – 1366 MW (10 – 20 l biogas/P.E./d)
Produzione cumulata - Attuale 100 1,000 10,000
Costo capitale [€/kW] 16,280 8,303 3,346 2,077
Manutenzione [€/kW/y] 110 72 54 44
Durata Modulo y 10 20 20 20
Durata Stack y 5 5 6 7
~ CAPEX ICE
Roland Berger (2015)

16. • Ruolo attivo dei WWTPs nella
transizione energetica
– Biogas: uso diretto
– Biometano: multi-settoriale
• Policies per aumentare
– frazione di rinnovabili
– infrastrutture basate su low-
carbon gases
Biogas, biometano, e transizione low-carbon
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
energia industria trasporto residenziale
BIOMETANO,
EJ/Y
2018 2030 2040
IEA, 2019

17. References
• Giarola, S, Forte, O, Lanzini, A, Gandiglio, M, Santarelli, M, Hawkes, A, 2018. "Techno-economic
assessment of biogas-fed solid oxide fuel cell combined heat and power system at industrial scale,"
Applied Energy, Elsevier, vol. 211(C), pages 689-704.
• Gandiglio, M, Lanzini, A, Santarelli, M, Acri, M, Hakala, T, Rautanen, M. Results from an industrial
size biogas-fed SOFC plant (the DEMOSOFC project), International Journal of Hydrogen Energy,
Volume 45, Issue 8, 2020, Pages 5449-5464.
• Roland Berger, 2015. Advancing Europe’s energy systems: Stationary fuel cells in distributed
generation.
• Sechi, S, Giarola, S, Lanzini, A, Gandiglio, M, Santarelli M, Oluleye G, Hawkes A. A bottom-up
appraisal of the technically installable capacity of biogas-based solid oxide fuel cells for self power
generation in wastewater treatment plants. J Environ Manage. 2021. doi:
10.1016/j.jenvman.2020.111753.
• IEA, 2019. Outlook for biogas and biomethane. Prospects for organic growth. World Energy Outlook
Special Report.

18. Dr Sara Giarola
s.giarola10@imperial.ac.uk, Sustainable Gas Institute, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Imperial College London
Grazie dell’attenzione
Ringraziamenti: Colleghi del Politecnico di Torino, Prof. Santarelli, Dr Gandiglio, Dr Lanzini, Sonja Sechi.
The research leading to these results has received funding from the Fuel Cells and Hydrogen 2
Joint Technology Initiative (FCH 2 JU) under European Unions Horizon 2020 Framework Program
and under grant agreement number 671470 DEMOSOFC (www.demosofc.eu).

19. Back-up slides

20. Confronto con tecnologie alternative
0.104
0.173
0.097
0.117
0.124
0.059
ICE SOFC
Costo Impianto, €/kWhe
Corrente Pre-thickening_5% Pre-thickening_8%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
Boiler ICE SOFC
Costi Operativi, k€/y
Elettricitá Gas O&M Clean-up