Efficientamento energetico degli impianti di pubblica utilità: il biometano, un cambio di prospettiva

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1 15 febbraio 2019 Aula Magna Rettorato dell Università di Firenze Piazza San Marco 4 Efficientamento energetico degli impianti di pubblica utilità: il biometano, un cambio di prospettiva Ing. Lorenzo Ferrari CNR-ICCOM Università di Pisa

2 Introduzione Obiettivo operativo 4 Attività svolta nell ambito dell OO4 dedicata allo studio dell efficienza energetica dell impianto e delle configurazioni ottimali di utilizzo del biocombustibile prodotto Partner coinvolti: CNR-ICCOM, SEA RISORSE, ALIA, DIEF Collaborazione con UNIPI Prof. U. Desideri, Ingg. A. Baccioli e G. Caposciutti Analisi preliminare Utilizzo difficoltoso del bio-idrogeno per la produzione diretta di energia: utilizzato per promuovere la formazione di biogas ricco in metano Utilizzo di un cogeneratore per la produzione contemporanea di energia elettrica e termica Analizzate sia configurazioni con MCI che con mtag Scelta configurazione con mtag per affidabilità, rapporto fra produzione di EE e ET e modularità 2

3 Configurazione di riferimento Capacità totale dei digestori: circa 4600 m 3 Produzione di biogas: 235 Nm 3 65% vol CH 4 Portata dei fanghi: 8.2 t/h Temperatura del digestore: 37 C 3

4 T emperatura [ C] Temperatura [ C] Modellazione Modellazione carichi termici ed impianto Carichi termici Temperatura media stagionale dei fanghi Dissipazione dei digestori calcolata con un approccio semplificato Dati metereologici dell anno tipo riferiti alla stazione meteo di Lido di Camaiore (ENEA) Impianto Simulazione su un anno di riferimento Analisi in off-design dei componenti (scambiatori, generatori ed utenze) Temperatura Fanghi Ore Temperatura Ambiente Ore 4

5 Efficiency [%] Capstone C600s (3*200 kw) Modellazione generatore Tre moduli con gestione ottimizzata del funzionamento al variare della disponibilità di biogas Disponibili le curve di efficienza, portata e temperatura fumi al variare del carico ed della temperatura ambiente Condizioni nominali: o Efficienza: 33% o Temperatura fumi: 280 C o Portata fumi: 4.0 kg/s module 2 modules 3 modules Load [kw] 5

6 Recupero termico [%] Valore medio giornaliero [kwh] Configurazione base Risultati Produzione di energia elettrica e termica superiore ai fabbisogni dell impianto Rilevante variazione del fabbisogno termico per il riscaldamento fanghi Recupero termico dai fumi complessivamente limitato e variabile sull anno Rispetto ad una configurazione senza co-digestione e cogenerazione si passa da assorbire EE a produrla Riscaldamento Fanghi Energia Elettrica Mese Stato originario Stato modificato Fanghi trattati m3/y m3/y Biogas prodotto 733 Nm3/d 5657 Nm3/d Consumo 664 MWh/y MWh/y Consumo specifico 3.5 kwh/m3 9,8 kwh/m3 Output MWh/y Mese 6

7 Influenza del rigeneratore Rigeneratore Utilizzo di uno scambiatore per recuperare il calore del digestato prima dello smaltimento e preriscaldare i fanghi in ingresso al DA Più calore a disposizione per altri utilizzi (dipendente dalla taglia dello scambiatore) 10 m2 7

8 Efficientamento energetico Analisi svolte Essiccatore Tri-generazione Organic Rankine Cycle Inlet air cooling Biometano/Bio-LNG 8

9 Sistema di upgrading Green Methane HPC Assorbimento della CO 2 basato sull uso di una soluzione di Carbonato di Potassio Alte efficienze di rimozione (>99% vol CH 4 ) e flessibilità di utilizzo Recupero del 75% del calore utilizzato (da 120 C a 80 C) Richiesta termica ed elettrica variabile con la quantità di biogas trattata 9

10 Schema concettuale Self consumption 10

11 Analisi di scenario Analisi al variare del rapporto fra la quantità di biogas inviata al sistema di upgrading e quella prodotta dalla digestione (F%) Al variare di questo parametro cambia il modo di operare dell impianto e gli output del sistema. Individuabili alcuni valori critici: F< 50% 50%< F<66% 66% <F<86% F> 86% 11

12 Results Auto production F < 50% Produzione di bio-metano, energia termica ed elettrica in proporzione variabile con F% Energia termica ed elettrica superiori ai consumi. Il calore di scarto della mgt è sufficiente per soddisfare UP ed AD Auto production 12

13 Results 50% < F < 66% L energia elettrica prodotta copre solo parzialmente i fabbisogni interni. Surplus termico che decresce fino ad annullarsi Cascami termici della mgt ancora sufficienti per alimentare il AD e UP 13

14 Results 66% < F < 86% Copertura parziale della richiesta interna con l EE prodotta. Assente il surplus termico Calore dalla mgt sufficiente per UP ma solo parzialmente per il digestore. Occorre attivare la caldaia 14

15 Results 86% < F < 100% Consumi interni di EE interamente coperti dalla rete mgt spenta. Tutta l energia termica fornita dalla caldaia alimentata con metano e biogas 15

16 Simulazione annuale Configurazione ottimale Per un F% intorno al 60-70% si ottiene la massima produzione di bio-metano pur avendo un sistema che è energeticamente autonomo Simulazione annuale per un differenti portate di biogas trattato intorno a F=64% 16

17 Utilizzo del bio-metano Opzioni Utilizzando un sistema di upgrading da 170 Nm 3 /h si producono circa kgch4 l anno Possibili utilizzi Produzione di bio-lng integrando al sistema di upgrading anche un sistema di liquefazione e vendita Immissione in rete del bio-metano (dipendenza dai costi di allacciamento c.a. 500 /m) Utilizzo come combustibile nei veicoli a servizio dell impianto (metano compresso o LNG) Nel caso in esame la produzione sarebbe sufficiente a coprire i consumi dei veicoli più un considerevole surplus. Veicoli diesel Veicoli Benzina # Cons.* # Cons.* SEA Risorse SEA Ambiente * espresso in kgch4_eq 17

18 Conclusioni e sviluppi futuri L utilizzo di un cogeneratore permette di utilizzare il biogas per produrre sia energia elettrica che termica per coprire i fabbisogni interni e generare un eventuale surplus Sono state analizzate differenti configurazioni per ottimizzare l uso del bio-combustibile Due possibili approcci Utilizzo nel cogeneratore di tutto il biogas prodotto Massimizzata la produzione di energia elettrica Recupero dei cascami termici in utenze aggiuntive o in sistemi per incrementare la produzione di energia elettrica Utilizzo nel cogeneratore del solo biogas necessario al sostentamento del processo Produzione di bio-metano o bio-lng utilizzando un sistema di upgrading e/o liquefazione integrato nel processo (recuperi energetici interni) Possibilità di incentivi legati alla produzione di bio-metano Utilizzo come combustibile nei veicoli a servizio dell impianto (metano compresso o LNG) Immissione in rete del bio-metano o vendita dell LNG prodotto 18

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