VARESI – Valorisation of industrial residues for a sustainable industry

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502389

Short description (German)

Das Projekt "VARESI" zielt darauf ab, industrielle organische Reststoffe vor Ort zu verwerten, um industrielle Wärme für den Produktionsprozess bereit zu stellen. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert das Konsortium anaerobe Behandlungstechnologien AD mit der hydrothermalen Karbonisierung HTC. Die energetische Prozessintegration wird mittels der IPSE pro Simulation erreicht. Zusätzlich zu den energetischen Aspekten spielt im Projekt die Wasserrückgewinnung eine wichtige Rolle. Abgerundet wird das Projekt durch eine techno-ökonomische Bewertung. Die fokussierten Industrien sind Brauereien, Molkereien, die fleischverarbeitende Industrie, die chemisch-pharmazeutische Industrie, die Papierproduktion sowie die Zuckerindustrie.

Short description (English)

The "VARESI" project aims to recycle industrial organic residues on site to provide industrial heat for the production process. To achieve this goal, the consortium combines AD anaerobic treatment technologies with HTC hydrothermal carbonisation. The energetic process integration is achieved by means of IPSEpro simulation.In addition to the energetic aspects, water recovery plays an important role in the project. The project is rounded off by a techno-economic evaluation.The industries focused on are breweries, dairies, the meat processing industry, the chemical-pharmaceutical industry, paper production and the sugar industry.

Short description (French)

Le projet « VARESI » vise à valoriser les déchets organiques industriels sur place afin de fournir de la chaleur industrielle pour le processus de production. Pour atteindre cet objectif, le consortium combine les technologies de traitement anaérobie AD avec la carbonisation hydrothermique HTC. L'intégration énergétique du processus est réalisée à l'aide de la simulation IPSE pro. Outre les aspects énergétiques, la récupération de l'eau joue un rôle important dans le projet. Une évaluation technico-économique vient compléter le projet. Les industries ciblées sont les brasseries, les laiteries, l'industrie de transformation de la viande, l'industrie chimique et pharmaceutique, la production de papier et l'industrie sucrière.

Final report (German)

Im Rahmen der 14. ERA-NET Bioenergie Ausschreibung (2021) wurde ein Null-Abfall-Konzept für die Bereitstellung von Wärme und Wasser aus industriellen Reststoffen erarbeitet. Das VARESI-Konzept führt zu einer verbesserten energetischen Ausnutzung von nasser Biomasse, was zu einer Reduktion von Treibhausgasemissionen führt und so die Netto-Null-Ziele der Industrie unterstützt. Die Prozesskaskade anaerobe Vergärung → hydrothermale Carbonisierung (HTC) → anaerobe Vergärung soll leicht verwertbare Inhaltsstoffe primär zu Biogas / Biomethan umwandeln, der mikrobiell nicht verwertbare Kohlenstoff im Gärrest wird mittels HTC aufbereitet. So wird gleichzeitig Kohlenstoff in der hydrothermalen Biokohle fixiert, aber auch in das Prozesswasser überführt. Dieser teilweise erneut mikrobiell verfügbare Kohlenstoff wird in einer zweiten anaeroben Vergärungsstufe ebenfalls zu Biogas bzw. Biomethan verwertet. Biomethan und Biokohle lassen sich ausgezeichnet in hochtemperatur Prozesswärme für industrielle Zwecke umwandeln. Die Valorisierung des Prozesswassers, insbesondere dem schwer abbaubaren Anteil, gilt als grosse Herausforderung der HTC-Technologie. Für die Wirtschaftlichkeit, aber auch für die Umweltbilanz des Gesamtprozesses ist eine hohe Kohlenstoff-Effizienz essenziell. Die konsequente Verwertung des Prozesswassers verfolgt die vollständige Rückgewinnung der chemisch gebundenen Energie durch anaerobe Vergärung und Membranfiltration, gefolgt von der Bereitstellung von gereinigtem Wasser als Ressource. Dieser Ansatz bietet eine wertvolle Alternative zu anderen Verfahren, deren Reinigungsleistung primär durch Elimination zu CO2 erfolgt, welche nie energiepositiv ausfallen kann. Das «Proof of Principle» einer vollständigen Verwertungskette mit einer über 200 Tage kontinuierlich betriebenen, stabilen anaeroben Vergärung konnte im grösseren Labormasstab gezeigt werden. Insgesamt dient HTC als Schlüsseltechnologie, um nasse Biomasse effizienter zu nutzen, da carbonisiertes Material aufgrund der wasserabweisenden Eigenschaften bedeutend einfacher zu entwässern und trocknen ist. Im Vergleich zur konventionellen Nutzung lassen sich wesentliche Energiegewinne erzielen und der Brennstoff Biokohle besitzt eine verbesserte Lagerbarkeit. Um das neue Konzept zu prüfen, stellt die papierverarbeitende Industrie einen geeigneten Anwendungsfall dar, denn Wärmebereitstellung und Wasserrückgewinnung aus lokal anfallenden Reststoffen sind zentrale Aspekte. Die von der Papierfabrik TELA GmbH, Niederbipp zur Verfügung gestellten Substrate wurden carbonisiert und die erhaltenen Labor-Messdaten in einem Energiemodell angewendet. Das neue Verfahrenskonzept führt aufgrund deutlich effizienterer Ausnutzung der bestehenden Biomasseströme zur Verbesserung der Gesamtenergiebilanz der TELA GmbH und somit zu einer signifikanten Reduktion fossiler Emissionen. Gemäss den Berechnungen können aus 20'420 t Papier- und Bioschlamm im konventionellen Betrieb 22'133 MWh und mittels VARESI-Konzept 33'311 MWh (Variante 2.2) bzw. 34’738 MWh (Variante 2.4) Energie gewonnen werden. Der zusätzliche Energiegewinn beläuft sich dabei auf rund 11'200 bzw. 12'600 MWh, was umgerechnet auf den Gesamtenergiebedarf von 2023 einem Mehrwert von 5.9% bis 6.7% entspricht. Durch Substitution von Erdgas liessen sich die CO2-Emissionen um 2‘500 t pro Jahr reduzieren, was knapp 13% der jährlichen Gesamtemissionen entspräche. Die experimentellen Ergebnisse belegen, dass das energetische Potenzial von Papierschlamm bereits unter moderaten Prozessbedingungen der hydrothermalen Carbonisierung weitgehend ausgeschöpft werden kann. Die substratspezifische Optimierung der HTC-Prozessbedingungen führt zu einer erhöhten Energieausbeute. Ohne diese genauer eingegrenzten Prozessparameter ist eine detaillierte Prozessauslegung nicht belastbar und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im Rahmen dieser Arbeit wäre verfrüht.

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• Schlussbericht_deutsch [PDF] 2'981 kB

Final report (English)

As part of the 14th ERA-NET Bioenergy call for proposals (2021), a zero-waste concept for the provision of heat and water from industrial residues was developed. The VARESI concept leads to improved energy utilisation of wet biomass, which results in a reduction in greenhouse gas emissions and thus supports the industry's net-zero targets. The process cascade anaerobic digestion → hydrothermal carbonisation (HTC) → anaerobic digestion is designed to convert easily usable ingredients primarily into biogas/biomethane, while the carbon in the digestate that cannot be used microbially is processed using HTC. This simultaneously fixes carbon in the hydrothermal biochar, but also transfers it to the process water. This carbon, some of which is once again microbiologically available, is also converted into biogas or biomethane in a second anaerobic digestion stage. Biomethane and biochar can be excellently converted into high-temperature process heat for industrial purposes. The valorisation of the process water, especially the difficult-to-degrade fraction, is considered a major challenge for HTC technology. High carbon efficiency is essential for the economic viability and environmental performance of the overall process. The consistent recycling of process water aims to fully recover the chemically bound energy through anaerobic digestion and membrane filtration, followed by the provision of purified water as a resource. This approach offers a valuable alternative to other relevant purification processes whose performance is primarily achieved through elimination to CO2, which can never be energy-positive. The proof of principle of a complete utilisation chain with stable anaerobic fermentation operated continuously for over 200 days has been demonstrated on a larger laboratory scale. Overall, HTC serves as a key technology for using wet biomass more efficiently, as carbonised material is significantly easier to dewater and dry due to its water-repellent properties. Compared to conventional use, significant energy gains can be achieved and biochar fuel has improved storability. The paper processing industry is a suitable application for testing the new concept, as heat supply and water recovery from locally produced waste materials are key aspects. The substrates provided by the TELA GmbH paper mill in Niederbipp were carbonised and the laboratory measurement data obtained was applied in an energy model. The new process concept leads to an improvement in the overall energy balance of TELA GmbH and thus to a significant reduction in fossil emissions due to the significantly more efficient utilisation of existing biomass flows. According to calculations, 20’420 tonnes of paper and biosludge can be used to generate 22’133 MWh of energy in conventional operation and 33’311 MWh (variant 2.2) or 34’738 MWh (variant 2.4) using the VARESI concept. The additional energy gain amounts to around 11’200 and 12’600 MWh respectively, which corresponds to an added value of 5.9% to 6.7% when converted to the total energy requirement for 2023. Substituting natural gas would reduce CO2 emissions by 2’500 tonnes per year, which would correspond to just under 13% of total annual emissions. The experimental results prove that the energy potential of paper sludge can already be largely exploited under moderate hydrothermal carbonisation process conditions. Substrate-specific optimisation of the HTC process conditions leads to increased energy yield. Without these more precisely defined process parameters, a detailed process design is not reliable and an economic assessment within the scope of this work would be premature.

Final report (French)

Dans le cadre du 14e appel à projets ERA-NET Bioénergie (2021), un concept zéro déchet a été élaboré pour la fourniture de chaleur et d'eau à partir de résidus industriels. Le concept VARESI permet une meilleure utilisation énergétique de la biomasse humide, ce qui entraîne une réduction des émissions CO2 à effet de serre et soutient ainsi les objectifs de zéro émissions nettes de l'industrie. La cascade de processus fermentation anaérobie → carbonisation hydrothermique (HTC) → fermentation anaérobie vise à transformer les composants facilement exploitables en biogaz / biométhane, tandis que le carbone non exploitable par les micro-organismes dans les résidus de fermentation est traité par HTC. Ainsi, le carbone est à la fois fixé dans le charbon hydrothermique, mais également transféré dans l'eau de traitement. Ce carbone, en partie à nouveau disponible pour les micro-organismes, est également valorisé en biogaz ou biométhane lors d'une deuxième étape de fermentation anaérobie. Le biométhane et le charbon peuvent être facilement convertis en chaleur industrielle à haute température à des fins industrielles. La valorisation de l'eau de traitement, en particulier de la partie difficilement dégradable, est considérée comme un défi majeur de la technologie HTC. Une efficacité carbone élevée est essentielle pour la rentabilité, mais aussi pour le bilan environnemental de l'ensemble du processus. La valorisation systématique des eaux de process vise à récupérer intégralement l'énergie chimiquement liée par fermentation anaérobie et filtration membranaire, puis à fournir de l'eau purifiée comme ressource. Cette approche offre une alternative intéressante à d'autres procédés de purification dont la performance repose principalement sur l'élimination vers CO2, qui ne peut jamais être positive sur le plan énergétique. La «preuve de principe» d'une chaîne de valorisation complète avec une fermentation anaérobie stable fonctionnant en continu pendant plus de 200 jours a pu être démontrée à une échelle de laboratoire plus grande. Dans l'ensemble, la HTC est une technologie clé pour une utilisation plus efficace de la biomasse humide, car les matériaux carbonisés sont beaucoup plus faciles à déshydrater et à sécher en raison de leurs propriétés hydrofuges. Par rapport à l'utilisation conventionnelle, des gains énergétiques importants peuvent être réalisés et le biocarbone est un combustible plus facile à stocker. L'industrie papetière constitue un cas d'application approprié pour tester ce nouveau concept, car la fourniture de chaleur et la récupération d'eau à partir de résidus locaux sont des aspects centraux. Les substrats fournis par la papeterie TELA GmbH, à Niederbipp, ont été carbonisés et les données de mesure obtenues en laboratoire ont été utilisées dans un modèle énergétique. Le nouveau concept de procédé permet d'améliorer le bilan énergétique global de TELA GmbH grâce à une utilisation nettement plus efficace des flux de biomasse existants, ce qui se traduit par une réduction significative des émissions fossiles. Selon les calculs, 20’420 tonnes de papier et de boues biologiques permettent de produire 22’133 MWh en fonctionnement conventionnel et 33’311 MWh (variante 2.2) ou 34’738 MWh (variante 2.4) avec le concept VARESI. Le gain d'énergie supplémentaire s'élève à environ 11’200 ou 12’600 MWh, ce qui correspond à une valeur ajoutée de 5,9% à 6,7% par rapport aux besoins énergétiques totaux de 2023. La substitution du gaz naturel permettrait de réduire les émissions de CO2 de 2’500 tonnes par an, soit près de 13% des émissions annuelles totales. Les résultats expérimentaux montrent que le potentiel énergétique des boues de papier peut déjà être largement exploité dans des conditions de carbonisation hydrothermique modérées. L'optimisation des conditions du processus HTC en fonction du substrat permet d'augmenter le rendement énergétique. Sans ces paramètres de processus plus précis, une conception détaillée du processus n'est pas fiable et une analyse de rentabilité dans le cadre de ce travail serait prématurée.