Biogas: strategie per la valorizzazione dell energia termica

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1 Biogas, formidabile opportunità per l agricoltura, l energia e l ambiente Biogas: strategie per la valorizzazione dell energia termica Cesare Sala - Silvana Castelli

2 Indice Utilizzazione del Biogas in italia Cogenerazione Trigenerazione La sfida della valorizzazione del calore prodotto Valorizzazione energia termica a livello aziendale Valorizzazione attraverso la connessione in rete Effetti ambientali Conclusioni

3 La maggior parte degli impianti di Biogas in Italia producono energia elettrica (EE) e termica (ET) in cogenerazione (CHP) per mezzo di motori alternativi a combustione interna L EE è incentivata mentre il calore disponibile è renumerato (se utilizzato!) attraverso i mancati costi della sua generazione attraverso combustibili fossili In molti casi solo una parte del calore prodotto è valorizzata, principalmente per il riscaldamento dei digestori, quindi la cogenerazione non è in regime di alta efficienza

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5 Cogenerazione opportunità aggiuntiva Energia primaria: 100 Energia primaria: =148 Il limite principale della cogenerazione per un impianto a biogas riguarda la corrispondenza tra produzione e domanda, per l aspetto termico

6 Rendimenti e potenze in un modulo di Cogenerazione (esempio) Rendimenti motori a gas 35-40% Rendimenti motori diesel gas 39-44% Esempio di cogeneratore ciclo otto - biogas Potenza elettrica 835 kwe Potenza termica recuperabile 884 kwt Calore recuperabile (senza recupero fumi) 453 kwt Con recupero termico sai fumi di scarico kwt Rendimento elettrico 40% Rendimento termico 42,3% Complessivo 82,3 Energia Termica recuperata sottoforma di acqua calda 90 c

7 Trigenerazione (CHCP: Cogeneration of Heat, Cooling and Power) La trigenerazione unisce alle due funzioni della cogenerazione anche quella di condizionamento dell aria e di raffrescamento. Il raffrescamento è prodotto tramite l impiego del normale ciclo frigorifero in grado di trasformare l energia termica in energia frigorifera, realizzando la trasformazione di stato del fluido refrigerante in combinazione con una sostanza utilizzata quale assorbente. La trigenerazione può aumentare il fattore di utilizzo, soddisfacendo le domande di raffrescamento nel periodo estivo Fonte:

8 Strategie per la valorizzazione dell ET Aziendali Impianto di Digestione Anaerobica Trattamento digestato Supporto trattamenti rimozione Azoto Autoconsumo in attività aziendali (allevamento, serre, essicazione, ecc.) Teleriscaldamento - Raffrescamento annessi rustici Teleriscaldamento Raffrescamento Utenze industriali (es. industria alimentare) Utenze Civili - Commerciali Integrazione dell azienda nelle Reti di calore Autotrazione Reti biogas Upgrading metano - reti metano Upgrading metano - carburante per autotrazione

9 Uno dei presupposti per la DA è un sistema di riscaldamento idoneo a fornire il calore per il processo Le quantità di ET di surplus in un impianto di DA dipendono: Condizioni isolamento del digestore Temperatura di processo Condizioni termometriche esterne Energia per unità di volume producibile (concentrazione e potenzialità substrati) Temperature Tempi di residenza g Mesofilia C Termofilia C < 20 La maggior parte degli impianti italiani operano in regime mesofilo Riscaldamento dei digestori comporta l impiego dal 10 al 40 % dell ET prodotta. Termofilia: molto sensibile alle variazioni di temperatura e ai composti che la inibiscono

10 ET Trattamenti termici per il condizionamento substrati in ingresso al digestore Sanificazione > 70 c >60 min Preriscaldamento Digestore Trattamenti termici

11 ET per post - trattamento del digestato Separazione meccanica digestato Utilizzo agronomico Digestore Biogas Frazione liquida Stoccaggio EE Calore Essicazione Delocalizzazione Digestato pellettato

12 frazione solida Consiglio Nazionale delle Ricerche Biogas come sostegno energetico di un impianto di strippaggio dell ammoniaca in un allevamento suinicolo STABILIZZAZIONE- STOCCAGGIO USO AGRONOMICO fango DIGESTORE ANAEROBICO digestato SEPARATORE SOLIDO/LIQUIDO liquame grezzo FLOTTATORE chiarificato chiarificato STRIPPATORE effluente FOGNATURA PUBBLICA Fonte: CRPA STOCCAGGIO FERTIRRIGAZIONE

13 Fotobioreattori a microalghe per produzione olio (biodiesel) CO2 scarichi Energia termica Digestato chiarificato Fotobioreattore Pasta alghe Panello Olio

14 ET per autoconsumo aziendale esempi di utenze Riscaldamento serre Condizionamento ambienti allevamento Essicazione foraggi - cereali Sala mungitura Caseificio aziendale Annessi rustici

15 ET per teleriscaldamento Il teleriscaldamento è solitamente associato agli impianti di cogenerazione abitazioni ospedali, grandi edifici pubblici, piscine, centri sportivi, centri commerciali, industrie che richiedono calore di processo serre Le utenze con elevata e costante domanda di calore sono gli utenti ideali Costi aggiuntivi: derivazione calore, sistemi sostitutivi

16 Analisi dei fabbisogni termici Analisi dei consumi termici aziendali (intensità, durata, curve di carico giornaliere, mensili, annuali) Stima dei carichi termici e della domanda

17 Carico (kw) Consiglio Nazionale delle Ricerche Analisi temporale dei fabbisogni energetici Valutazione dell integrazione tra i consumi aziendali e la produzione dell impianto di biogas Carico max. riscaldamento Carico Intermedio riscaldamento Carico base riscaldamento Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Mese Calore Elettricità Freddo Fonte:

18 Esempio: Soc. Coop. Agr. Pieve Ecoenergia Cingia de Botti - Cremona Potenza elettrica Potenza termica ET lorda giornaliera ET lorda annuale 990 kwe kwt 26 MWh 9,5 GWh Fornisce calore (riscaldamento, acqua calda) e freddo (trigenerazione) A una casa di riposo da 300 posti letto

19 Il Biometano - Biogas Upgrading e immissione in rete Biogas (metano 50-70%) Biometano (metano 98%) Adatto a grandi impianti (elevati costi impianti e richieste energetiche per il processo) Perdite di gas ad effetto serra La rete del gas naturale può essere usata per stoccare il biometano prodotto ottimizzando l uso dell energia termica Manca un quadro di riferimento che permetta l immisione in rete del biometano e un quadro economico di riferimento

20 Integrazione con le reti di teleriscaldamento e di generazione distribuita Azienda Distributore Carburante Colture da biomassa Biogas Upgrading Feed in Rete Reflui zootecnici Produz. Biogas Biogas Pipeline Rete gas Naturale Generazione Energia e Calore Modulo CHP Modulo CHP Modulo CHP Distributore Fonte: Kabasci Fraunofer Institute EE ET (?) EE ET EE ET Carburante

21 Impianto a biogas connesso tramite pipeline Biogas a una rete locale di riscaldamento: l esempio di Steinfurt - Germania Fonte: Kabasci Fraunofer Institute

22 Effetti ambientali risparmio di CO2 Fonte: Kabasci Fraunofer Institute

23 Conclusioni Valorizzazione dell ET possibilità importante per un impianto di DA dal punto di vista economico, energetico, ambientale Considerare modalità e progetti per la valorizzazione dell ET già in fase di progettazione Il teleriscaldamento (District heating) favorisce la crescita delle rinnovabili nelle aree rurali La connessione degli impianti a biogas con le reti energetiche locali ha effetti sinergici con la generazione di energia di altri rinnovabili e con la cogenerazione distribuita Regimi di sostegno per l impiego dell energia termica Regolamentare il biometano (immissione in rete, regimi di sostegno, autotrazione)

24 Bibliografia Agrengest. L oggi e il domani dell agro-energia nelle aziende lombarde. Regione Lombardia. Quaderni della ricerca n. 99 Luglio 2009 Kabasci S. (2009) Optimizing utilization of biogas: combined heat and power delivers greatest benefits, Current Issue-Cogeneration & On-Site Power Production Navarotto P, Cosa può fare la tecnologia, impatto della direttiva nitrati e soluzioni possibili per la zootecnia da latte e da carne. CRPA - Reggio Emilia 12/4/2008. Piccinini S. et Al., Energia dal Biogas, AGIRE, CRPA, AIEL, Agriforenergy n.3, 2008 Rossi F. et Al. Analisi dei fabbisogni energetici di un azienda agroalimentare, Ciriaf, Univ. Perugia

25 Grazie per l attenzione!