Potenzialità di risparmio e recupero energetico negli impianti di depurazione Giorgio Bertanza
Va premesso che: Scopo primario dell impianto di depurazione è produrre un effluente di qualità compatibile con le capacità del ricettore e, possibilmente, un fango recuperabile. Interventi volti al risparmio energetico non devono compromettere questo risultato
Consumi di energia in Italia (kwh/ab/anno) Totale energia primaria circa 35.000 Depurazione (solo trattamento) 0 < 80 (< 0,2%) L ottimizzazione dei consumi energetici nella depurazione non risolverà mai il problema energetico. I costi energetici sono solo il 5-10% dei costi totali della depurazione (incluso ammortamento). Ma l uso inefficiente dell energia non è giustificato
Acqua per usi civili vs altri usi (m3/ae/a) 2 50 180 1100 potabile domestico industria e servizi pubblici agricoltura e produzione alimenti
Consumi energetici nel settore dell acqua (usi civili): kwh/ae/a 35 22 950 Approvvigionamento, potabilizzazione, distribuzione Consumo da parte dell'utilizzatore finale Collettamento e depurazione
Energia dall acqua 1. Cinetica 2. Potenziale 3. Termica 4. Chimica
Energia cinetica Le velocità sono basse in acquedotti e fognature Con qualche m/s e DI=122 L/AE/d: Ek = 0,2 kwh/ae/a
Energia potenziale Trascurando le perdite di carico è proporzionale all altezza (Epot = m g h) Se h = 50 m, Epot = 6 kwh/ae/a (0,12 kwh/ae/a/m)
Energia termica Se acque grigie = 40 L/AE/d e t = 30 C Etherm = 509 kwh/ae/a (17 kwh/ae/a/ C) 509 (disponibilità) < 950 (input termico) (perdite nel riscaldamento, maggiori delta T, maggiori consumi) La perdita di 1 C equivale a un salto di 426 m!
Energia chimica Sostanza organica (COD); se convertita a metano, con CODpc=115g/AE/d: Echem = 145 kwh/ae/a Ben più elevato dell energia consumata per il trattamento: 20-40 kwh/ae/a Energia associata a N e P (pari all energia che serve a produrre i fertilizzanti):
L energia nelle acque di scarico (kwh/ae/a) 145 0,2 6 509 CINETICA POTENZIALE TERMICA CHIMICA_COD Termica: massimo recupero solo installando scambiatori subito a valle del consumo Chimica: può essere trasportata
Possibilità concrete di recupero di energia termica Direttamente nelle abitazioni: raffreddamento acque grigie per pre-risicaldare l acqua calda (fattibilità?) In fognatura: necessarie pompe di calore perché la temperatura è bassa. Fattibilità dipende dal rapporto recupero/input di EE (sia >3; es. Nosedo 5,5 estate e 4,5 inverno)
Possibilità concrete di recupero di energia chimica (da COD) Il contenuto energetico può essere convertito in energia utilizzabile partendo dal fango: EE + calore da biogas da digestione anaerobica Produzione di EE (e meno calore) da combustione e ciclo a vapore
Energia elettrica dal fango via digestione anaerobica (kwh/ae/d) Energia chimica 145 kwh/ae/d Impianto con sedimentazione primaria, nitri/denitri, digestione anaerobica del fango (resa 55%) e produzione di energia elettrica da biogas Il calore in esubero è sufficiente per il riscaldamento del digestore (resa 32%) 26 30 12 COD effluente e ossidato COD fango digerito Perdite e calore dissipato Energia elettrica 77
In sintesi kwh/ae/a 1200 1000 800 600 400 200 0 Approvvigionamento Cinetica+potenziale Termica Chimica Consumo Energia introdotta Energia disponibile all'utenza En El recuperata Consumo En EL per depurazione
zoomato 100 80 Chimica Consumo 60 40 kwh/ae/a 20 0 Energia introdotta Energia disponibile all'utenza En El recuperata Consumo En EL per depurazione
Possibilità di miglioramento 1. Risparmio energetico: - 10-20% dei consumi (25 40 kwh/ae/a) 2. Energia dall acqua (termica + potenziale): 2-10% dell energia teorica disponibile 3. Energia elettrica dai fanghi (chimica): + 20-30% rispetto produzione con DA convenzionale 4. Energie rinnovabili (solare, eolico)
Esempio di risultato conseguibile (Strass, Austria) 100 80 Chimica Consumo 60 40 kwh/ae/a 20 0 Energia all'utenza Energia ingresso depuratore Energia recuperata Consumo per depurazione
Energia dai fanghi (energia chimica) In un impianto con rimozione dei nutrienti, sedimentazione primaria, digestione anaerobica, il pareggio dipende da resa COD in sed I e N/COD nel liquame influente
Possibilità di risparmio di energia elettrica (in impianti a fanghi attivi convenzionali) Controllo aerazione Manutenzione pompe, motori e diffusori (annuale) Uso di inverter Gestione delle punte di carico (a bassi carichi il consumo specifico è più alto, allora escludere linee) Riduzione respirazione endogena (più SV alla
Energia dai fanghi (energia chimica) Possibilità di sfruttamento energetico: Incremento resa digestione anaerobica: Pre-idrolisi: attenzione costi, ritorni in testa ecc. Co-digestione con altri substrati per bilanciare nutrienti Pulire biogas per usarlo in dispositivi più efficienti, biometano, celle a combustibile Estrazione fisica dell acqua e combustione (se non si recupera il fango in agricoltura) Pirolisi/gassificazione Cicli ORC da cascami a T<100 C
Energia dall acqua (potenziale e termica) Microturbine (idroelettrico. Forse ok solo in montagna) Pompe di calore
CONCLUSIONI Poca energia (in assoluto) per la depurazione (0,2% dei consumi totali) Poca energia ricavabile dal biogas (<2% del contenuto energetico complessivo dell acqua di scarico) Possibile il pareggio tra energia consumata ed energia prodotta nel depuratore Possibile il bilancio positivo (produzione > consumo)