COGENERAZIONE DA FONTI RINNOVABILI

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1 COGENERAZIONE DA FONTI RINNOVABILI Ing. Alessandro Massone Austep S.r.l. Via Mecenate, 76/ Milano Tel Fax

2 LA COGENERAZIONE La cogenerazione, definita anche CHP (combined Heat and Power), è la produzione congiunta nel medesimo motore di energia elettrica e calore utile a partire da una singola fonte energetica. Per gentile concessione di Jenbacher 2

3 LO SCOPO Generalmente i sistemi di cogenerazione per fonti rinnovabili hanno lo scopo di produrre energia elettrica più che termica (in quanto attualmente molto incentivata finanziariamente) e recuperare calore per usi secondari (aziendali e del sistema di produzione del biogas dalla fonte rinnovabile). Per gentile concessione di Terra Energia 3

4 DESCRIZIONE I cogeneratori sono formati da un motore primario, un generatore, un sistema di recupero termico ed interconnessioni elettriche. Il motore primario è un qualunque motore utilizzato per convertire il combustibile in energia meccanica, il generatore la converte in energia elettrica, mentre il sistema di recupero termico raccoglie e converte l energia contenuta negli scarichi del motore primario, in energia termica utilizzabile. Per gentile concessione di Terra Energia 4

5 RIDUZIONE GAS EFFETTO SERRA La produzione combinata può incrementare l efficienza di utilizzo del combustibile fossile fino ad oltre l 80%; a ciò corrispondono minori costi e minori emissioni di inquinanti e di gas ad effetto serra, rispetto alla produzione separata di elettricità e di calore. L utilizzo poi di energia da fonti rinnovabili annulla ogni emissione e garantisce un efficiente sfruttamento di energia elettrica e calore. 5

6 NATURA DISTRIBUITA Rispetto alle grandi centrali elettriche, la cogenerazione ha natura distribuita e si realizza mediante piccoli impianti che sono in grado di generare calore ed elettricità per grandi strutture (es. ospedali, alberghi ecc.) o piccoli centri urbani Per gentile concessione di Terra Energia 6

7 PRODUZIONE CONVENZIONALE O SEPARATA 7

8 PRODUZIONE COMBINATA Nella produzione combinata il rendimento totale risulta più elevato, anche assumendo, cautelativamente, che il rendimento elettrico sia più basso 8

9 RITORNO DEGLI INVESTIMENTI Nella produzione combinata o produzione in cogenerazione per ottenere le stesse quantità di energia elettrica e termica bisogna introdurre nell impianto 148 unità nella produzione separata contro le 100 nella produzione in cogenerazione. Un sistema CHP con processi di produzione termici ed elettrici richiede il 35% in meno di carburante rispetto alla configurazione separata di produzione di energia elettrica e termica. 9

10 LA COGENERAZIONE DA FONTI RINNOVABILI La produzione di energia in cogenerazione da fonti rinnovabili è strettamente interconnessa con la tecnologia selezionata per produrre il combustibile. Attualmente si possono suddividere i due grosse aree l applicazione della cogenerazione: 1. La cogenerazione da olii vegetali o altri composti tipo cippato 2. La cogenerazione da biogas L origine dei primi è industriale mentre il secondo può essere agricolo o da scarti/rifiuti. Entrambi questi ultimi due metodi prevedono la conversione degli scarto/rifiuto in combustibile con il processo di digestione anaerobica. Questa relazione sarà focalizzata principalmente sul biogas. 10

11 LA COGENERAZIONE DA FONTI RINNOVABILI In generale la cogenerazione che sfrutta energia da fonti rinnovabili prodotte dal territorio circostante ha alcune caratteristiche sue proprie: Ha come scopo principale la generazione di energia elettrica Non ha a disposizione elevate quantità di combustibile come portata oraria (si producono mediamente 0,5-4 MWh); E legata ad una particolare produzione / area del territorio Pertanto viene spesso applicata con motori endotermici. 11

12 DIGESTIONE ANAEROBICA DIGESTIONE ANAEROBICA PER LA PRODUZIONE DI BIOGAS Il processo anaerobico prevede la trasformazione dello scarto/rifiuto da sostanza organica in fermentazione in gas combustibile denominato biogas. SCARTI/RIFIUTI INDUSTRIALI FORSU: Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani 12

13 TIPOLOGIE DI SCARTI Le tipologie di scarti e rifiuti utilizzabili per produrre biogas sono sotto riportate con una indicazione delle efficienze di trasformazione BEEF SEWAGE SWINE SEWAGE CHICKEN SEWAGE WHEY MILK MALT WASTE BEET SUGAR Emission substances GREEN FIELD GREEN WASTE ORGANIC WASTE BEER PRODUCTION WASTE Serie1 GRASS MAIS FOOD WASTE FLOTATION FAT COLZA USED FAT mq biogas/t substrate 13

14 MIGLIORI SOSTANZE DI IMMISSIONE 14

15 IL PROCESSO Nei digestori anaerobici avviene la fermentazione Il carbonio e l idrogeno si trasformano in metano (CH 4 ) il carbonio e l ossigeno contenuti si trasformano in anidride carbonica (CO 2 ) Questo è il motivo per cui il gas generato non viene definito come metano ma biogas. Il biogas è una miscela prevalentemente di metano (60-80 %) e CO 2 (40-20%) con alcuni altri gas in tracce 15

16 PROCESSO DI METANIZZAZIONE Anidride carbonica Acido acetico BIOMASSA Proteina Carboidrati Grassi Acidi nucleici Amminoacido Glucosio Glicerina Acidi grassi BIOGAS Metano Anidride carbonica Idrogeno solforato Acido propionico Alcol e altro Anidride carbonica Acido acetico IDROLISI ACIDOGENESI METANOGENESI 16

17 BILANCIO AMBIENTALE 1. Gli scarti/rifiuti smaltiti aerobicamente si sarebbero trasformati in CO2 direttamente e pertanto si evita l emissione di tale CO2; 2. Per stabilizzare gli scarti/rifiuti è necessario consumare energia e pertanto si evita, con la produzione da fonti rinnovabili, anche tale emissione di CO2; 3. La produzione di energia elettrica e calore evita il consumo di risorse primarie come le fonti naturali e la relativa emissione di CO2. 17

18 PURIFICAZIONE DEL BIOGAS Il biogas da processi fermentativi è generato con la presenza di impurezze: La CO 2 L umidità Composti organici ridotti Idrogeno solforato SiO 2 NH 4 18

19 PURIFICAZIONE DEL GAS Prima di procedere all utilizzo del biogas per la produzione di energia elettrica è importante tenere ben presente la purificazione del gas dai composti sopra riportati sino a valori accettabili da parte del fornitore del motore. In caso contrario, la durata del motore ed il consumo di olio (in particolare per l SiO2) risulterebbe estremamente oneroso e metterebbe a rischio di corretto funzionamento l intero impianto. Il problema principale da risolvere per la purificazione del biogas è la rimozione dell idrogeno solforato presente. Esistono differenti tecnologie per la desolforazione del biogas. 19

20 DESOLFORAZIONE DEL BIOGAS a) Colonna di lavaggio (scrubber), con soda caustica, per l abbattimento dell h2s (idrogeno solforato) b) Desolforazione con colonna di lavaggio ed ossidazione biologica del solfuro a zolfo (desolforazione biologica) c) Desolforazione biologica, con immissione diretta di aria nella parte alta del digestore 20

21 b. Desolforazione biologica esterna Questo sistema di rimozione dell H2S del biogas può essere considerato come costituito da una colonna di lavaggio del gas (scrubber), nel quale la soluzione spenta di soda caustica è continuamente rigenerata in un reattore biologico, a controllo di aria. I vantaggi di questa soluzione rispetto a quella del semplice lavaggio con soda sono: Bassi costi di esercizio, con risparmi di oltre il 90% rispetto al semplice lavaggio con soda. Per gentile concessione di Paques 21

22 c. Desolforazione biologica interna Desolforazione biologica, con immissione diretta di aria nella parte alta del digestore. Per quanto il dosaggio di aria sia di circa 5 10% del gas, (quindi al di fuori del limite superiore di esplosività del metano) e sia regolato da un sensore di ossigeno che controlla la portata di aria della soffiante, non è consigliabile per motivi di sicurezza (ad es. per la possibile presenza di idrogeno) 22

23 VANTAGGI DELLA COGENERAZIONE DA FONTI RINNOVABILI La cogenerazione è una strategia di risparmio energetico con utilizzo dell energia contenuta: Nella frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU); nelle biomasse. Vi è uno spreco enorme di energia nei FORSU: 300 g/abitante-giorno, potenzialmente disponibili dal punto di vista termico, non vengono di fatto utilizzati. 23

24 Confronto dei ricavi da un impianto di cogenerazione da 1000 KWh el che opera a pieno carico Tariffa Unica Produzione energia elettrica KWh/y 0, Energia termica recuperata KWh/y Eq.a Nm 3 CH 4 /y 0,3 /Nm TOTALE RICAVI /y Nota: 75 Nm3 CH4/t FORSU (al 20 22% di SSV) 24

25 LE FONTI RINNOVABILI CRESCONO STATISTICHE DEL GSE Studio su dati EUROSTAT, elaborati dal GSE, che vede aumentare la potenza lorda degli impianti nel 2007 del 7,6% rispetto all anno precedente 25

26 ALCUNI DATI Dati sulla potenza efficiente lorda degli impianti da fonte rinnovabile in Italia al 31 dicembre Idrica (0-1 kw) kw (+0,30%) (1-10 kw) (+2,11%) (oltre 10kW) kw (-0,1%) Eolica kw (+42,2%) Solare (escluse stime fotovoltaici (MSE-Enea) disponibili solo a livello nazionale 18 MW kw (+ 92,8%) Geotermica kw (+0,0 %) 26

27 ALCUNI DATI Biomasse e rifiuti kw (+6,4%) Di cui da solidi kw (+4,7%) Rifiuti Solidi Urbani kw (+12,2%) Da biogas kw (+11,4%) Da discariche (+10,2%) Da fanghi kw (+10,1%) Da deiezioni animali kw (+3,5%) Da colture e altri rifiuti agro-industriali kw (+25,7%) In totale la potenza efficiente lorda degli impianti da fonte rinnovabile è stata nel 2007 di KW con un incremento del 4,6% rispetto al

28 REGIONE LOMBARDIA La regione lombardia prevede la suddivisione del territorio regionale in zone così denominate: Zone critiche Zone di risanamento Zone di mantenimento 28

29 IMPIANTI ALIMENTATI A BIOGAS In zona critica sono ammessi solo nei luoghi stessi di produzione del biogas. Altezza geometrica dei punti di emissione > 10 I limiti delle emissioni dai motori sono riferiti a fumi secchi in condizioni normali e ad una percentuale di O 2 libero nei fumi del 5%: CO: NOX (come NO2) < 500 mg/nmc < 450 mg/nmc 29