Indagine sull'utilizzo del biochar derivante da processi ad alta temperatura per una maggiore sostenibilità ambientale dei contesti agro-industriali

Biochar is charcoal material like activated carbons, with a carbon content up to 80%, produced at temperatures of 600-1000°C through gasification or pyrolysis. Thanks to the high recalcitrance it remains stable for decades in the soil, when buried, and for this reason it is recognize by the scientific community as a long-term storage method. Traditionally considered only a byproduct of gasification, in the last decade biochar is becoming more and more important as it is considered an effective strategy for decarbonize our world. The characteristics of biochar depend on various factors, such as the feedstock, the thermochemical process, the temperatures and the time of residence. However, despite the way it is produced, all biochars have high surface area and porosity, high cation exchange capacity and electrical conductivity, and high water-retention potential. Thanks to all these proprieties, biochar brings significant improvements in various areas: in agriculture, for new materials conception, in the waste managements, in geothermal systems, ... In this thesis, biochar "as it is" was first investigated. Evaluating the quality of biochar is a key factor for identifying the best biochar suitable for specific applications. A special focus has been turned toward the electrical conductivity of biochar: the capacity of electron transfer through the carbonaceous structure. The electrical conductivity is one of biochar’s fundamental properties that affects the way it interacts with microorganisms in soil applications. However, to date, the measurement of this quantity is not univocal. A testing campaign is carried out on different samples of biochar to understand the parameters that affect the conductivity measurement. The final point of this discussion hypothesizes that neither one of the obtained conductivities truly represents the conductivity perceived by the soil microorganism that interacts with the biochar. A second part is then focused on experimental investigations of innovative applications of biochar. The effects of biochar application on the thermal behavior of organic municipal waste composting are investigated. Biochar was mixed with the organic fraction of municipal waste in nine bins and compost temperatures were logged for 2 months. Experimental data were used as a basis for thermal energy modeling that reveals the addition of biochar to composting processes increases the thermal energy production. Results are a starting point for further considerations in terms of improved composting method and new carbon sequestration product. At the same time, measures of greenhouse gases and ammonia emitted from the bins were performed. The results showed that biochar reduces up to 45% of CO2eq emissions. The thesis presents a investigation of technological, economic, and environmental feasibility of biochar application to a composting facility. The study hybridizes an existing facility creating various scenarios mixing SynCraft gasifier model and biochar trading. The feasibility is assessed by calculating payback time, estimating annual biomass needs and prioritizing electrical energy and biochar production. Carbon storage is also considered and quantified in Carbon Credits. Results show that aiding biochar into composting emerges as a promising way for waste management optimization, balancing economic viability and environmental sustainability. Thirdly, since low-enthalpy geothermal systems are increasingly important, a study on the efficiency improve of ground source heat pump is investigated. Since the soil thermal conductivity is a crucial factor for the heat exchange of geothermal probes, biochar as additive/filler material represents a sustainable solution. Biochar facilitates capillary absorption of water and retains it over time, resulting in increased soil moisture content and elevation of the groundwater level. Results demonstrate biochar can enable better thermal exchange between geothermal probes and the soil.

Il biochar è un materiale carbonioso avente un contenuto di carbonio fino all'80% e prodotto a temperature di 600-1000°C attraverso processi di gassificazione o la pirolisi, rimane stabile per decenni nel terreno motivo per cui è riconosciuto come un metodo di stoccaggio di carbonio. Tradizionalmente considerato un sottoprodotto della gassificazione, il biochar sta diventando sempre più importante perché considerato strategia efficace per la decarbonizzazione. Le caratteristiche del biochar dipendono da diversi fattori: biomassa, processi utilizzati, temperature e tempi di permanenza. A prescindere dal metodo di produzione, il biochar presenta elevate area superficiale e porosità, elevate capacità di scambio cationico e conducibilità elettrica e un alto potenziale di ritenzione idrica. Grazie a queste proprietà, il biochar può apportare miglioramenti in vari settori: in agricoltura, per la concezione di nuovi materiali, nella gestione dei rifiuti, nei sistemi geotermici, ecc. In questa tesi, innanzitutto, il biochar è stato caratterizzato “tal quale”. La valutazione della qualità del biochar è fondamentale per identificare il biochar più adatto alle specifiche applicazioni. Un'attenzione particolare è stata rivolta alla conduttività elettrica del biochar, ovvero la capacità di trasferimento di elettroni attraverso la struttura carboniosa. La conducibilità elettrica è una delle proprietà fondamentali ed influisce sul modo in cui il biochar interagisce con i microrganismi del suolo. Ad oggi, però, la misurazione di questa grandezza non è standardizzata e per questo si sono indagati i parametri che influenzano la misura attraverso una campagna di test su diversi campioni di biochar. A partire dai risultati si è ipotizzato che nessuno dei valori ottenuti rappresenti realmente la conducibilità percepita dai microrganismi del suolo. Una seconda parte della tesi è poi incentrata sulle indagini sperimentali di applicazioni innovative del biochar. Sono stati indagati gli effetti dell'applicazione del biochar sul comportamento termico dei processi di compostaggio della frazione organica dei rifiuti urbani. Il biochar è stato aggiunto al materiale organico e le temperature di processo sono state registrate per due mesi. I dati sono stati utilizzati come input per un modello per il calcolo dell’energia termica che ha rivelato come l’aggiunta di biochar ha incrementato la produzione di energia termica. I risultati sono un punto di partenza per ulteriori considerazioni in termini di miglioramento dei metodi di compostaggio e di nuovi prodotti a impronta di carbonio negativa. Contemporaneamente, sono state eseguite misure dei gas serra emessi. I risultati hanno mostrato che il biochar riduce fino al 45% le emissioni di CO2eq. La tesi presenta poi un'indagine sugli impatti tecnologici, economici e ambientali dell'applicazione del biochar in un impianto di compostaggio esistente. Lo studio presenta vari scenari combinando gassificatori SynCraft e l’acquisto di biochar. La fattibilità viene valutata calcolando il tempo di ritorno dell'investimento, stimando il fabbisogno di biomassa e valutando l'energia elettrica e il biochar prodotti. Lo stoccaggio di carbonio è stato quantificato in crediti di carbonio. L’aggiunta del biochar nel compostaggio emerge come modalità promettente per ottimizzare la gestione dei rifiuti, bilanciando redditività economica e sostenibilità ambientale. Infine è stato condotto uno studio sul miglioramento dell'efficienza delle pompe di calore geotermiche. La conduttività termica del suolo è un fattore chiave per il funzionamento di questi sistemi e il biochar come materiale di riempimento rappresenta una soluzione migliorativa. Il biochar assorbe acqua, ne facilita la risalita capillare e la trattiene a lungo, determinando un aumento dell’umidità del suolo. I risultati dimostrano che il biochar migliora lo scambio termico tra sonde geotermiche e il terreno.