Toward industrial waste valorization : bio-DME production from biogas feedstock

This Ph.D. thesis investigates the industrial feasibility of bio-dimethyl ether (bio- DME) production from biogas. The study encompasses a thorough exploration, including a comprehensive techno-economic-environmental comparison of conventional and alternative biogas utilization, dynamic behavior analysis of the bio-DME process, economic evaluations of direct and indirect DME production methods, and the proposal of an innovative bio-DME synthesis process featuring high CO2 activity catalysts and a licensed reactor from Politecnico di Milano. Utilizing advanced simulation tools (Aspen HYSYSv11, Aspen PLUSv11, AVEVA™Dynamic Simulation), environmental impact assessment software (SimaPro), and Analytical Hierarchy Process (AHP) analysis with Matlab, the research yields significant results. The dynamic simulation reveals optimal design layouts, and the proposed bio-DME process achieves a steady-state condition in approximately 11 hours, producing 99.9% pure product at a rate of 16,800 tons/year. The comparative study between direct and indirect DME production methods indicates similar profitability levels but with distinctions in initial capital investment and operational costs. Furthermore, the environmental impact assessment demonstrates that bio-DME production exhibits superior environmental performance, particularly in categories such as global warming potential (GWP), ecotoxicity, land use, and water usage. The study emphasizes the critical role of government incentives in making bio-DME production economically viable and environmentally sustainable. This research contributes valuable insights into sustainable energy production, highlighting the potential of bio-DME synthesis and the significance of innovative process configurations.

Questa tesi di dottorato indaga sulla fattibilità industriale della produzione di bio-dimetil etere (bio-DME) a partire dal biogas. Lo studio comprende un'esplorazione approfondita, che comprende un ampio confronto tecno-economico-ambientale tra l'utilizzo convenzionale del biogas e alternative di utilizzo del biogas, l'analisi del comportamento dinamico del processo di produzione di bio-DME, valutazioni economiche dei metodi di produzione diretta e indiretta di DME, e la proposta di un processo innovativo di sintesi del bio-DME con catalizzatori ad alta attività di CO2 e un reattore autorizzato dal Politecnico di Milano. Utilizzando strumenti di simulazione avanzati (Aspen HYSYSv11, Aspen PLUSv11, AVEVA™Dynamic Simulation), software di valutazione dell'impatto ambientale (SimaPro) e l'analisi del processo di gerarchia analitica (AHP) con Matlab, la ricerca ha prodotto risultati significativi. La simulazione dinamica rivela layout di progettazione ottimali e il processo di bio-DME proposto raggiunge uno stato stazionario in circa 11 ore, producendo il 99,9% di prodotto puro con una produttività di 16,800 tonnellate/anno. Lo studio comparativo tra i metodi di produzione diretta e indiretto indica livelli di redditività simili, ma con differenze nell'investimento di capitale iniziale e nei costi operativi. Inoltre, la valutazione dell’impatto ambientale dimostra che la produzione di bio-DME presenta prestazioni ambientali superiori, in particolare in categorie quali il potenziale di riscaldamento globale (GWP), l'eco potenziale di riscaldamento globale (GWP), l'ecotossicità, l'uso del suolo e dell'acqua. Lo studio sottolinea il ruolo cruciale degli incentivi governativi nel rendere la produzione di bio-DME economicamente sostenibile dal punto di vista economico e ambientale. Questa ricerca contribuisce a fornire preziose indicazioni alla produzione di energia sostenibile, evidenziando il potenziale della sintesi di bio-DME e l'importanza di configurazioni di processo innovative.