Renewable energies and anaerobic co-digestion: a systemic approach to promote circular bioeconomy in organic waste generating industries

Doutoramento em Engenharia do Ambiente. Universidade de Lisboa, Instituto Superior de Agronomia

To reach the Paris Agreement targets until 2050 it is necessary a full commitment of stakeholders towards decoupling economic growth from environmental negative impacts. A change of paradigm is needed integrating the circular economy vision, creating synergies between industries and developing new sustainable business models. The food sector generates large amounts of biowaste, with potential negative impacts on the environment. New trends consider this biowaste as a resource to produce valuable products and renewable energy. This study proposes a strategy to optimize the energy recovery from fruit and vegetable pomace (FVP) generated in a cold-pressed juice processing unit, through anaerobic digestion (AD). The production processes were characterized in loco and the suitability of different FVP for AD was assessed. Two management routes were studied: (A) with no pre-treatment and (B) with mechanical pre-treatment. The theoretical biochemical methane potential was predicted for each route. Based on physicochemical characteristics it was possible to conclude that FVP should be used as a co-substrate in the AD process. Route A was considered the best option and a conceptual valorisation scenario for the anaerobic co-digestion (AcoD) of pig slurry and FVP was developed, considering two options regarding the cogeneration unit operation: I) continuous full-load (8030 hours) and II) flexible full-load (2920 hours). Technical and financial viability of the solutions were conducted. Technical assessment showed that AcoD of 6100 m3 yr−1 of feedstock can generate 217 566 and 152 296 m3 yr−1 of biogas and methane, respectively. The CHP capacity was 60 kW and 250 kW for continuous and flexible full load, respectively. The 250-kW CHP in flexible power generation presented the highest viability potential with discounted payback of 11 years.

Para atingir as metas do Acordo de Paris até 2050, é necessário o total compromisso de governos, indústrias e empresas para dissociar o crescimento económico de impactes ambientais negativos. Tal implica uma mudança de paradigma, integrando a visão de economia circular, promovendo sinergias entre indústrias e adotando novos modelos de negócio onde a sustentabilidade é uma peça central para o desenvolvimento económico estratégico. O sector alimentar é responsável pela produção de grandes quantidades de biorresíduos com potenciais impactes negativos no ambiente. Atualmente, estes biorresíduos têm sido considerados como matéria-prima a partir da qual se podem recuperar produtos de valor acrescentado e energia renovável. Nesta dissertação, propõe-se uma estratégia para otimizar a recuperação de energia através da digestão anaeróbia do bagaço resultante da produção de sumo de frutas e vegetais, por um processo de extração a frio. Numa primeira etapa, a unidade industrial objeto de estudo foi analisada com vista à caracterização dos processos unitários das linhas de produção que geram bagaço de frutas e vegetais. Por outro lado, acompanhou-se a produção de modo a identificar e quantificar os diferentes tipos de bagaço gerados e recolher amostras representativas para a sua caracterização físico-química, tendo em vista avaliar a sua adequação para a digestão anaeróbia. Foram consideradas duas rotas possíveis para a valorização energética dos bagaços de frutas e vegetais por digestão anaeróbia: (A) sem pré-tratamento do bagaço e (B) com pré-tratamento mecânico do bagaço. Para cada rota, fez-se a estimativa do potencial teórico de produção de metano a partir do bagaço. Os resultados da caracterização físico-química permitiram concluir que os bagaços de frutas e vegetais devem ser utilizados como co-substrato, por exemplo integrando no processo de digestão anaeróbia de chorume de porco. Entre as duas rotas de gestão analisadas, considerou-se que a rota A seria preferível devido a questões de transporte e logística. Assim, concebeu-se um cenário conceptual de valorização do bagaço de frutas e vegetais numa exploração de porcos de engorda/acabamento, situada nas imediações da unidade de produção de sumo, na qual está implementada uma unidade de digestão anaeróbia. Esta unidade de digestão anaeróbia passaria a funcionar em regime de co-digestão, integrando a totalidade do bagaço de frutas e vegetais gerado anualmente. Neste cenário conceptual, consideraram-se duas hipóteses de conversão do biogás na unidade de cogeração: I) operação em carga contínua completa (8030 horas) e II) operação em carga completa flexível (2920 horas). Tendo por base a informação relativa a estes cenários fez-se a avaliação técnica, procurando-se maximizar a eficiência de produção de biogás, e avaliou-se a viabilidade financeira das opções. A avaliação técnica permitiu concluir que o processo de co-digestão tem o potencial de gerar 217 566 e 152 296 m3 ano−1 de biogás e metano, respetivamente. A capacidade de CHP necessária é de 60 kW e 250 kW para carga completa contínua e flexível, respetivamente. O CHP de 250 kW na produção de energia flexível mostrou ser a solução com maior potencial de viabilidade, com um payback de 11 anos.

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