E' stata effettuata un’analisi di contesto nella Regione Lazio finalizzata a determinare lo stato dell’arte della produzione e gestione dei rifiuti organici quali FORSU, rifiuti derivanti dal settore agroindustriale, fanghi di depurazione ed eventuali altre categorie di rifiuti organici e inorganici alcalini di potenziale interesse per l’applicazione della filiera di processo proposta. 

Sono stati identificati i principali trattamenti delle suddette tipologie di rifiuti organici, in termini di operazioni di recupero e/o di smaltimento, al fine di una successiva valutazione dei benefici al ciclo di gestione derivanti dall’applicazione della tecnologia in progetto ed eventuali criticità. E' stato inoltre elaborato un database contenente le informazioni e i dati per la caratterizzazione e la valutazione dei flussi di rifiuti individuati. I dati sono stati ricavati dalle dichiarazioni MUD dei gestori degli impianti e dalle elaborazioni eseguite da ISPRA nell’ambito della predisposizione dei Rapporti Rifiuti Urbani e Speciali degli specifici anni di riferimento 2018-2020.

Le indagini sperimentali sono state orientate a testare il processo di produzione di bioH2 per via fermentativa (dark fermentation), affiancando altresì tale processo biochimico a uno elettrochimico, attualmente allo studio presso l’Università "La Sapienza", avente l’obiettivo di ridurre i protoni derivanti dalla dissociazione degli acidi volatili della dark fermentation a H2 consentendo contestualmente la generazione di una corrente elettrica. I test sperimentali sono stati condotti monitorando i principali parametri operativi sopra menzionati, nonché la produzione volumetrica di biogas e la sua composizione (mediante analisi gascromatografiche dedicate di campioni di biogas prelevato allo scopo), nonché la composizione chimica di dettaglio del digestato. Sono stati testati, in termini di rese di produzione di bioH2, potenza elettrica generata e caratteristiche del fermentato/digestato residuo, residui biodegradabili dell’industria casearia.

Sono state effettuate prove di carbonatazione accelerata su diverse tipologie di residui alcalini generati e/o trattati nella Regione Lazio quali scorie da incenerimento di combustibile da rifiuti e rifiuti da costruzione e demolizione contenenti cemento. 

La prima sottofase ha riguardato la selezione e caratterizzazione dei campioni sui quali è stata condotta la sperimentazione. I campioni sono stati selezionati sulla base delle caratteristiche chimiche, mineralogiche e ambientali, privilegiando campioni con elevata alcalinità e contenuto di fasi carbonatabili, che presentino criticità per il riutilizzo correlate al rilascio di metalli, e siano rilevanti in termini quantitativi. I campioni selezionati sono stati analizzati per le principali proprietà fisiche, chimiche, mineralogiche e ambientali.

La seconda sottofase è consistita nell’esecuzione di prove di carbonatazione accelerata sui campioni selezionati applicando diverse route di processo e condizioni operative. In particolare, sono state effettuate prove con route ad umido (o thin-film) in reattore sia statico che dinamico, e test in slurry, incrementando il sequestro di CO2. I parametri operativi hanno incluso temperatura, rapporto liquido/solido, pressione di CO2, tempi di contatto e dimensione granulometrica dei residui. I test saranno eseguiti con 100% CO2 (ipotizzando che il processo sia implementato dopo cattura della CO2 dai processi fermentativi), ma anche con il tenore di CO2 caratteristico della miscela CO2/H2 ottenuta dal processo biologico. In quest’ultimo caso, il trattamento di carbonatazione è stato finalizzato quindi sia alla cattura della CO2 che al suo sequestro in forma solida.

Nel caso in cui il trattamento di carbonatazione comportava un aumento del rilascio di alcuni elementi (quali ad esempio quelli formanti ossianioni), sono stati effettuati test di carbonatazione combinati con l’aggiunta di altri agenti che possano portare all’immobilizzazione di tali elementi.

La terza sottofase è consistita nell’analisi delle caratteristiche fisiche, chimiche, mineralogiche e ambientali dei residui trattati. Inoltre, è stata valutata la quantità di CO2 stoccata nel campione dopo trattamento. E' stata posta particolare attenzione agli effetti dei trattamenti testati sul comportamento ambientale dei residui (cessione di potenziali contaminanti inorganici) per poter selezionare le combinazioni di tipologie di residui, modalità di processo e condizioni operative che permettano di massimizzare la quantità di CO2 sequestrata permanentemente e al contempo ottenere un prodotto potenzialmente riutilizzabile, ad esempio come aggregato.

E' stato realizzato un modello del processo di carbonizzazione idrotermica del digestato/fermentato, attraverso il simulatore di processi termochimici Aspen. Il processo è stato suddiviso simulando i sottoprocessi attraverso appositi unità di reattori e messo a punto sulla base di risultati sperimentali disponibili in letteratura per substrati simili. I risultati della simulazione riguardano i bilanci di massa e di energia del processo, ed in particolare la composizione e quantità dei prodotti gassosi, liquidi e solidi, così come la qualità del prodotto solido (hydrochar) in termini di rapporti H/C e O/C.

Per completare lo studio dei processi presenti nello schema integrato, si è proceduto alla modellazione di processi (assorbimento/membrane) di separazione della CO2 dalla miscela di gas generata dalla produzione bio(elettro)chimica di idrogeno. Anche in questo caso si è ricorsi alla simulazione del processo per mezzo di Aspen, con lo scopo di fornire risultati utili in termini di consumi di energia, efficienze di separazione e composizione dei flussi risultanti. In tal modo è stato possibile completare lo schema basato sull’utilizzo della CO2 pura per i processi di carbonatazione.

E' stato definito uno schema preliminare del processo complessivo rispetto al quale effettuare un dimensionamento preliminare su ipotetica scala industriale. Il processo è stato costruito su un’iniziale base di dati di letteratura, per poi dettagliare durante lo svolgimento del progetto rese, consumi e bilanci di massa sulla base dei risultati sperimentali e modellistici. Il layout semplificato include i principali reattori dedicati ai vari processi ed alle loro sottofasi, scambiatori di calore per il riscaldamento/raffreddamento dei flussi, pompe, centrifughe e dispositivi per la separazione solido/liquido; etc. Per ciascun dispositivo presente nel layout impiantistico sono stati calcolati/stimati i consumi di energia richiesti. Sulla base dei dati sperimentali/modellistici sono stati assegnati a ciascuno step del processo integrato i flussi di ingresso e di uscita, includendo eventuali reagenti necessari e flussi di scarto.

Successivamente si è proceduto alla fase di impact assessment della LCA, utilizzando uno o più fra i metodi raccomandati a livello internazionale (CML, Environmental Product Footprint; Recipe). L’analisi di impatto ha permesso di individuare hot-spot nella filiera di processo suggerendo interventi migliorativi da introdurre a livello di modello del layout impiantistico o testati a livello sperimentale. Gli interventi proposti sono stati valutati nuovamente in termini di impact assessment, con il fine ultimo di proporre un processo nel complesso più sostenibile.

E' stato sviluppato un indice per misurare la circolarità di un determinato processo. Tale indice, ideato per la prima volta nell’ambito di un progetto Europeo IMPEL (European Union Network for the Implementation and Enforcement of Environmental Law), è stato applicato ai singoli processi e allo schema globale della bioraffineria. L’indice è stato sviluppato secondo il criterio SMART: “Specifico”, in quanto descrive accuratamente ciò che si intende misurare e non include misurazioni multiple; “Misurabile”, ovvero indipendentemente da chi utilizza l'indice è possibile ottenere e monitorare risultati consistenti a parità di condizioni; “Attainable” (Raggiungibile) in quanto la raccolta dei dati per l'indice è semplice e diretta; “Rilevante” dato che l’indice è strettamente connesso ad ogni input, output o risultato; “Time-bound” (Limitato nel tempo) in quanto l'indice include un periodo di tempo specifico. Come input sono stati considerati fattori chiave facilmente accessibili e misurabili che tengono conto delle relazioni tra i modelli di gestione dei rifiuti, i processi e i sistemi ambientali, quali le fluttuazioni delle caratteristiche dei rifiuti, il livello di contaminazione nella frazione di rifiuti organici, la vicinanza della risorsa di rifiuti organici, i mercati dei prodotti della bioraffineria, il potenziale di integrazione con altri processi industriali, lo smaltimento dei residui finali etc. La rilevanza dei fattori chiave è stata classificata secondo una scala di importanza e gli attributi da usare sono consistiti in parametri numerici che rappresentano l'importanza dei fattori (assoluta, essenziale o bassa). E' stato sviluppato quindi un algoritmo che pesa ogni fattore chiave e permette di misurare come ciascuno di essi possa contribuire al raggiungimento della circolarità. I risultati del modello hanno permesso di misurare gli sforzi di un determinato processo o dell’intera bioraffineria nella transizione verso una forma di economia circolare. 

Tale azione prevede l’esecuzione di attività volte alla disseminazione dei risultati del progetto (partecipazione a convegni tecnico-scientifici, preparazione di pubblicazioni su riviste o testi specialistici, predisposizione di articoli e interventi divulgativi, ecc.).

Tale azione ha riguardato la gestione amministrativa, finanziaria e tecnica del progetto