Per la stima delle emissioni di anidride carbonica per l’impianto di digestione anaerobica viene supposto che l’energia necessaria per il fabbisogno elettrico venga prelevata interamente dalla rete, mentre il carico termico venga soddisfatto da una caldaia a metano fossile. Le emissioni di CO2 in kg prodotte dal sistema elettrico sono
calcolate moltiplicando l’energia richiesta in kWh per un fattore 0,325 kgCO2/kWh11
tipico degli impianti di generazione in Italia.
Per il metano è considerato un fattore di conversione di 0,202 kgCO2/kWh11.
Per la stima delle emissioni del parco macchine si calcoleranno le emissioni di CO2
evitate avendo sostituito i veicoli con alimentazione a diesel o benzina con dei mezzi alimentatati a bioCNG. Si sono calcolati i kgCO2/kg derivanti dalla combustione del
diesel e della benzina mediante la (6.1) e la (6.2)
4 𝐶12𝐻23+ 71 𝑂2 → 48 𝐶𝑂2+ 46 𝐻2𝑂 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 (6. 1)
2 𝐶8𝐻18+ 25 𝑂2 → 16 𝐶𝑂2+ 18 𝐻2𝑂 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 (6. 2)
Dalla (6.1) 1 kg di diesel produce 3,16 kg di CO2. Dalla (6.2)1 kg di benzina produce
3,08 kg di CO2. Dai dati forniti dalle aziende che gestiscono la raccolta dei rifiuti
urbani, conoscendo i kg annuali di combustibile fossile, si calcolano i kgCO2/year totali
del parco macchine.
Viene ipotizzato che il biogas e il bioCNG abbiano un ciclo di assorbimento/emissione di anidride carbonica nullo.
In Figura 6.1 vengono mostrate le tCO2/year di emissioni evitate per ogni scenario e
quelle dovute alla conversione del parco macchine. Le emissioni evitate dovute al soddisfacimento della domanda termica ed elettrica usando biogas al posto di metano fossile ed EE dalla rete si equivalgono per i vari scenari, poiché il fabbisogno termico
95 ed elettrico per i fanghi è predominate rispetto a quello richiesto dal sistema di upgrading. Si ricorda che i carichi termici ed elettrici per i fanghi sono costanti per tutti le gestioni energetiche, mentre quelli per il sistema di upgrading variano in funzione della portata di biogas da upgradare. Si nota comunque che per lo scenario di inseguimento termico le emissioni evitate sono maggiori essendo sia la domanda termica che elettrica maggiore rispetto agli altri casi.
Figura 6.1 - Emissioni di CO2 evitate
Per quanto riguarda la conversione del parco macchine diventa significativo il dato di CO2 evitata avendo rimpiazzato i veicoli con dei mezzi alimentati a bioCNG. Ancora
una volta si è dimostrato quanto convenga la conversione del parco macchine anche dal punto di vista ambientale.
1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 tCO2/y ear
Inseguimento elettrico Inseguimento termico Inseguiemento consumi parco macchine Parco macchine
96
CONCLUSIONI
Nel presente elaborato è stato analizzato il comportamento di un impianto di digestione anaerobica che tratta acque reflue e FORSU per la produzione di biometano utilizzato per alimentare il proprio parco macchine. A questo proposito è stata investigata la convenienza della conversione del parco macchine con veicoli alimentati a bioCNG piuttosto che con combustibile fossile. È stato fatto un confronto tecnico-economico per diversi scenari di gestione energetica dell’impianto: inseguimento elettrico, inseguimento termico tramite caldaia a biogas, inseguimento termico mediante cogeneratore e inseguimento della domanda di biocarburante richiesta dal parco macchine. Per quest’ultimo scenario si è visto il comportamento dell’impianto ponendo un accumulo. La funzione dello storage è stata quella di attenuare parzialmente le fluttuazioni della produzione di biometano riscontrata nel caso di inseguimento della domanda di bioCNG senza accumulo. Inoltre, dopo l’analisi termodinamica, per ognuno degli scenari è stata valutata la convenienza economica. Dallo studio condotto si evince che trovandoci all’interno di un contesto normativo in cui il biometano è fortemente incentivato conviene sempre la conversione del parco macchine dal punto di vista economico. Infatti, la configurazione dell’impianto non convertendo il parco macchine con veicoli alimentati a bioCNG risulta fortemente sconveniente visto l’elevato costo del combustibile fossile. Inoltre, dall’analisi economica dei vari scenari si è notato che la configurazione migliore è quella in cui l’impianto è autosufficiente termicamente ed elettricamente. In aggiunta a questa condizione si è constatato che, oltre a soddisfare la richiesta di biocarburante, è più vantaggioso produrre la più alta quantità di biometano possibile visto la forte incentivazione concessa. Nel caso in cui l’impianto non sia autonomo dal punto di vista elettrico, il prezzo dell’EE ha un peso importante nei costi influendo negativamente sulla convenienza della gestione energetica. Per tale motivo è stata condotta un’analisi di sensibilità sul costo dell’EE evidenziando quando lo scenario di inseguimento termico sia più o meno vantaggioso dell’inseguimento elettrico. Infine, è stata fatta un’analisi ambientale per valutare le emissioni di anidride carbonica evitate utilizzando biogas per soddisfare i fabbisogni termici ed elettrici dell’impianto e quelle evitate dovute alla conversione del parco macchine. Da questa analisi si è dimostrato ancora una volta quanto la conversione dei veicoli sia fortemente vantaggiosa anche dal punto di vista ambientale.
97
INDICE FIGURE
Figura 1.1 - Schema di un impianto di digestione ad umido [3] ... 5
Figura 1.2 - Tecnologie per l'upgrading del biogas [5] ... 13
Figura 1.3 - Schema semplificato del processo HPWS [6] ... 15
Figura 1.4 - Schema semplificato del processo OPS [6] ... 16
Figura 1.5 - Schema semplificato del processo con ammine [5] ... 17
Figura 1.6 - Schema semplificato PSA [5]... 19
Figura 1.7 - Schema semplificato di una separazione a membrane a singolo stadio [5] ... 20
Figura 1.8 - Schema semplificato upgrading criogenico [5] ... 22
Figura 1.9 - Distribuzione degli impianti a biogas nei vari Paesi europei al termine del 2017 [8] ... 23
Figura 1.10 - Sviluppo del numero di impianti di biogas in Europa [8] ... 24
Figura 1.11 - Sviluppo capacità elettrica installata totale degli impianti di biogas in Europa [8]... 25
Figura 1.12 - Sviluppo della produzione di energia elettrica da biogas in Europa [8] ... 25
Figura 1.13 - Sviluppo del numero di impianti a biometano in Europa [8] ... 26
Figura 2.1 - Impianto GM-HPC [11] ... 36
Figura 2.2 – Andamento temperatura media giornaliera ambiente e dei fanghi ... 38
Figura 2.3 – Ricircolo interno ... 39
Figura 2.4 - Andamento del rendimento del singolo modulo in funzione del rapporto tra carico e carico nominale ... 42
Figura 2.5 - Andamento del rendimento in funzione della temperatura ambiente ... 42
Figura 2.6 - Andamento della potenza del singolo modulo in funzione della temperatura ambiente ... 43
Figura 2.7 - Andamento del rendimento in funzione del carico ... 43
Figura 2.8 - Andamento portata dei fumi in funzione del carico elettrico (a) e temperatura ambiente (b) ... 44
Figura 2.9 - Andamento temperatura fumi in funzione del carico elettrico (a) e temperatura ambiente (b) ... 44
Figura 2.10 - Circuito fumi ... 46
98
Figura 2.12 - Schema LOOP2 ... 49
Figura 3.1 - Classificazione veicoli per tipologia ... 52
Figura 3.2 - Classificazione veicoli per categoria ... 53
Figura 3.3 - Andamento mensile produzione rifiuti 2018 Pisa ... 54
Figura 4.1 - Richiesta termica per il riscaldamento dei fanghi ... 59
Figura 4.2 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento elettrico ... 60
Figura 4.3 - Andamento portate impianto per inseguimento elettrico ... 61
Figura 4.4 - Componenti potenza termica riscaldamento fanghi ... 61
Figura 4.5 - Potenza termica richiesta per l'upgrading ... 62
Figura 4.6 - Componenti potenza termica per l'upgrading ... 62
Figura 4.7 - Grafico calore caldaia e temperatura acqua in uscita scambiatore HE4 63 Figura 4.8 - Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento elettrico ... 64
Figura 4.9 – Output del sistema per inseguimento elettrico ... 64
Figura 4.10 - Biometano immesso in rete per inseguimento elettrico ... 65
Figura 4.11 - Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento elettrico ... 65
Figura 4.12 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento termico con caldaia ... 66
Figura 4.13 - Andamento portate impianto per inseguimento termico con caldaia a biogas ... 67
Figura 4.14 – Componenti potenza termica riscaldamento fanghi ... 67
Figura 4.15 – Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da caldaia ... 68
Figura 4.16 - Componenti potenza termica caldaia a biogas ... 68
Figura 4.17 - Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento termico con caldaia ... 69
Figura 4.18 – Output sistema per inseguimento termico con caldaia a biogas ... 69
Figura 4.19 - Biometano immesso in rete per inseguimento termico con caldaia ... 70
Figura 4.20 – Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento termico con caldaia ... 70
Figura 4.21 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento termico con cogeneratore ... 71
99 Figura 4.22 - Andamento portate impianto per inseguimento termico con cogeneratore
... 72
Figura 4.23 - Componenti potenza termica riscaldamento fanghi ... 73
Figura 4.24 - Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da mGT ... 73
Figura 4.25 - Componenti potenza termica turbina ... 74
Figura 4.26 -- Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento termico tramite cogeneratore... 74
Figura 4.27 - Output sistema per inseguimento termico con cogeneratore ... 75
Figura 4.28 – Biometano immesso in rete ... 76
Figura 4.29 - Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento termico mediante cogeneratore ... 76
Figura 4.30 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento domanda parco macchine... 77
Figura 4.31 – Andamento portate impianto per inseguimento domanda biocarburante ... 79
Figura 4.32 - Componenti potenza termica riscaldamento fanghi ... 79
Figura 4.33 - Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da mGT ... 79
Figura 4.34 - Componenti potenza termica turbina ... 80
Figura 4.35 - Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento domanda biocarburante ... 80
Figura 4.36 – Output sistema per inseguimento domanda biocarburante ... 81
Figura 4.37 - Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento domanda biocarburante ... 82
Figura 4.38 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento domanda parco macchine con accumulo ... 83
Figura 4.39 – Andamento portate impianto per inseguimento domanda biocarburante con accumulo ... 84
Figura 4.40 - Componenti potenza termica riscaldamento fanghi ... 84
Figura 4.41 - Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da mGT ... 85
Figura 4.42 - Output sistema per inseguimento domanda biocarburante... 85
Figura 4.43 – Andamento accumulo ... 86
Figura 5.1 – Flussi energetici e relativi costi impianto senza sistema di upgrading .. 88
100 Figura 5.3 -Flussi di cassa dopo 20 anni per configurazione senza parco macchine
convertito... 91
Figura 5.4 – Confronto flussi di cassa ... 92
Figura 5.5 – Flussi di cassa dopo 20 anni al variare del prezzo del biometano e dell’EE ... 93
Figura 6.1 - Emissioni di CO2 evitate ... 95
INDICE TABELLE
Tabella 1.1 - Premialità per il biometano immesso in rete in funzione della dieta e della taglia impiantistica ... 29Tabella 1.2 - Premialità per il biometano ritirato dal GSE per piccole taglie impiantistiche ... 29
Tabella 2.1 - Composizione chimica del biogas in relazione al substrato digerito [5] ... 34
Tabella 2.2 – Portate massiche usate nella simulazione ... 39
Tabella 2.3 - Aree scambiatori ... 39
Tabella 2.4 - Caratteristiche geometriche per i digestori ... 41
Tabella 2.5 - Coefficienti globali di scambio digestori ... 41
Tabella 2.6 - Densità metano e anidride carbonica e frazione di metano nel biogas . 41 Tabella 2.7 - Rendimento e fattore di recupero del sistema di upgrading ... 45
Tabella 2.8 - Vincoli di processo ... 47
Tabella 3.1 – Tabella densità e P.C.I dei vari combustibili ... 56
Tabella 5.1 - Prezzi del gas naturale per i consumatori industriali ... 87
101
BIBLIOGRAFIA
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102 coupling an ORC to a mGT in a biogas plant,” in Energy Procedia, 2019, vol. 158, pp. 2311–2316.
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