Scenario 0: Inseguimento termico mediante caldaia a biogas

In questo scenario si è deciso di soddisfare l’intera domanda termica mediante la caldaia a biogas, avente questa una più alta efficienza termica. La turbina è spenta e il calore in uscita dall’impianto è zero.

Di seguito in Figura 4.12 viene rappresentata la domanda elettrica, la domanda termica richiesta dall’impianto da inseguire e la domanda di biocarburante richiesta dal parco macchine.

Figura 4.12 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento termico con caldaia

La domanda termica è maggiore rispetto a tutti gli altri scenari poiché oltre alla richiesta del riscaldamento dei fanghi si aggiunge la cospicua richiesta del sistema di upgrading essendo in questo caso la portata di biogas inviatagli maggiore rispetto agli altri scenari. Infatti, per il soddisfacimento della richiesta termica dei fanghi viene utilizzata una quantità minore di biogas, avendo la caldaia un’efficienza termica pari a 0,9. Quindi ci sarà più disponibilità di biogas da inviare all’impianto. Siccome la turbina è spenta, questa quantità verrà interamente inviata al sistema di upgrading. Il parametro F in questo scenario per come è definito è costante ed è pari ad uno. La domanda elettrica segue l’andamento della produzione di biometano. Infatti, all’aumentare di questa aumenterà la richiesta elettrica dell’upgrading. Ciononostante,

67 anche se in questo scenario la portata di biometano è la maggiore di tutti gli altri casi, la domanda elettrica sarà imputabile maggiormente alla potenza degli ausiliari che è costante. Solo una piccola parte di essa è dovuta per la conversione del biogas.

Figura 4.13 - Andamento portate impianto per inseguimento termico con caldaia a biogas

In Figura 4.14 sono riportate le componenti della potenza termica che contribuiscono al riscaldamento dei fanghi.

Figura 4.14 – Componenti potenza termica riscaldamento fanghi

Nei mesi invernali il calore fornito dal boiler per il riscaldamento dei fanghi è predominante. Nei mesi centrali la domanda termica richiesta dai fanghi diminuisce quindi aumenta la disponibilità di biogas all’upgrader e con essa non solo il calore

0 50 100 150 200 250 300 1 _{16 31 46 61 76 91} 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361 Th erm al Po w er [kW ] Giorno

68 richiesto per il processo di conversione del biogas ma anche quello recuperato dal sistema di upgrading che verrà inviato al circuito di riscaldamento dei fanghi.

In Figura 4.15 è mostrato il calore richiesto dal sistema di upgrading affinché avvenga la conversione del biogas. Come richiesto dallo scenario l’intero fabbisogno termico per la conversione del biogas viene fornito completamente dalla caldaia.

Figura 4.15 – Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da caldaia In Figura 4.16 è riportata la ripartizione della potenza termica prodotta dalla caldaia.

Figura 4.16 - Componenti potenza termica caldaia a biogas

Si nota come per la maggior parte dell’anno è maggiore il calore inviato per il riscaldamento dei fanghi, mentre nei mesi di luglio e agosto è superiore quello richiesto dal processo di upgrading.

La restante potenza termica che manca affinché venga eguagliato il carico termico totale dell’impianto viene recuperato dal sistema di upgrading.

0 50 100 150 1 _{35 69} 103 137 171 205 239 273 307 341 Th erm al Po w er [kW ] Giorno Calore da boiler 0 50 100 150 200 250 300 1 _{15 29 43 57 71 85 99} 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Th erm al Po w er [kW ] Giorno

Calore boiler riscaldamento fanghi Calore boiler all'upgrader 0 50 100 150 1 _{32 63 94} 125 156 187 218 249 280 311 342 Th ermal Po we r [kW ] Giorno

69 Nella Figura 4.17 sono riassunti i flussi energetici annuali legati alla potenza termica scambiata tra i componenti per il suddetto scenario.

Figura 4.17 - Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento termico con caldaia

Nella Figura 4.18 vengono mostrati gli output termici, elettrici e in termini di produzione di biometano derivanti dalla scelta manageriale di inseguimento termico con caldaia a biogas.

Figura 4.18 – Output sistema per inseguimento termico con caldaia a biogas Essendo la turbina spenta è nulla la potenza elettrica prodotta e di conseguenza anche il calore in uscita dall’impianto.

70 Tutta l’energia elettrica richiesta per soddisfare il carico elettrico verrà prelevato dalla rete. La produzione di biometano invece cresce nei mesi centrali in conseguenza del fatto che essendo minore la richiesta termica per il riscaldamento dei fanghi aumenta la disponibilità di biogas che può essere inviato alla sezione di upgrading.

In questo caso la produzione di biometano sarà nettamente superiore alla richiesta del parco macchine. Il surplus sarà immesso nella rete.

Figura 4.19 - Biometano immesso in rete per inseguimento termico con caldaia In Figura 4.20 sono rappresentati i flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica.

Figura 4.20 – Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento termico con caldaia

71 4.3.2 Scenario 1: Inseguimento termico mediante cogeneratore

In questo scenario si è scelto di soddisfare l’intera domanda termica tramite il cogeneratore e mantenere spenta la caldaia a biogas. Nel codice MATLAB® si è minimizzata, tramite il comando fminbnd, la differenza tra il calore in uscita dalla turbina e la richiesta termica totale dell’impianto. In particolare, si è calcolato per ogni giorno del funzionamento dell’impianto un F ottimale in grado di portare a zero questa differenza, il che equivale a minimizzare il calore in uscita dall’impianto. Il codice risponderà mandando in turbina una quantità di biogas tale da produrre una potenza termica in grado di eguagliare la domanda termica totale dell’impianto, il resto della portata di biogas verrà inviato al reparto di upgrading.

In Figura 4.21 è rappresentato il carico elettrico, termico e la domanda di biocarburante.

Figura 4.21 - Domanda elettrica, termica e di biocarburante per inseguimento termico con cogeneratore

Il carico elettrico aumenta nei mesi più caldi in conseguenza del fatto che diminuisce il carico termico ed è disponibile una maggiore quantità di biogas da inviare al reparto di upgrading. Quindi aumenterà il fabbisogno elettrico di questo reparto.

La domanda termica ha lo stesso andamento del caso precedente ma è minore rispetto al caso con inseguimento termico con caldaia. Infatti, in questo caso la portata inviata al sistema di upgrading è minore in conseguenza del fatto che una maggiore portata di

72 biogas dovrà essere inviata in turbina per soddisfare il carico termico, in quanto il cogeneratore ha un’efficienza termica più bassa rispetto a quella della caldaia a biogas. Sarà quindi minore il calore richiesto dall’upgrader essendo minore la quantità di biogas inviata a questo reparto rispetto all’inseguimento termico con caldaia.

Come mostrato dalla Figura 4.22 la portata inviata alla turbina nei mesi invernali è maggiore di quella inviata all’upgrading a seguito della maggiore richiesta termica per riscaldare i fanghi. Nei mesi centrali invece la domanda termica da inseguire diminuisce e con essa la portata inviata alla turbina rendendo disponibile una maggiore quantità di biogas al sistema di upgrading.

Figura 4.22 - Andamento portate impianto per inseguimento termico con cogeneratore

In Figura 4.23 sono mostrate le componenti della potenza termica richiesta per il riscaldamento dei fanghi.

Il calore recuperato dal sistema di upgrading aumenta con l’aumentare della portata di biogas inviatagli, quindi il calore fornito dalla turbina diminuirà oltre per il carico termico minore anche perché un maggior contributo verrà fornito dal sistema di conversione del biogas.

73 Figura 4.23 - Componenti potenza termica riscaldamento fanghi

.

La Figura 4.24 mostra il calore richiesto dall’upgrader che come richiesto in questo scenario viene interamente fornito dalla turbina.

Figura 4.24 - Potenza termica richiesta da upgrader e fornita da mGT

In Figura 4.25 sono mostrate le componenti della potenza termica fornita dalla turbina. Nei mesi estivi la potenza termica fornita ai fanghi viene eguagliata da quella fornita al reparto di upgrading. 0 50 100 150 200 250 300 1 _{15 29 43 57 71 85 99} 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Th erm al Po w er [kW ] Giorno

Calore dalla mGT Calore recuperato da upgrader

0 50 100 150 1 _{32 63 94} 125 156 187 218 249 280 311 342 Th erm al Po w er [kW ] Giorno

Calore richiesto dall'upgrader

0 50 100 150 1 _{32 63 94} 125 156 187 218 249 280 311 342 Th erm al Po w er [kW ] Giorno Calore da mGT

74 Figura 4.25 - Componenti potenza termica turbina

In Figura 4.26 sono ricapitolati i flussi energetici annuali legati alla potenza termica scambiata tra i vari componenti.

Figura 4.26 -- Flussi energetici annuali legati alla potenza termica per inseguimento termico tramite cogeneratore

In Figura 4.27 viene mostrato il rapporto tra biogas inviato all’upgrading e biogas mandato all’impianto necessario affinché si raggiunga l’obiettivo di soddisfare l’intero carico termico richiesto dal sistema. Inoltre, viene rappresentato l’output elettrico, l’output termico e la produzione di biometano durante l’anno per lo scenario di inseguimento termico tramite l’utilizzo del solo cogeneratore.

0 50 100 150 200 250 300 1 _{15 29 43 57 71 85 99} 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Th ermal Po we r [kW ] Giorno

75 Figura 4.27 - Output sistema per inseguimento termico con cogeneratore Si nota come nei mesi invernali quando è necessario più biogas da inviare in turbina per soddisfare il carico termico richiesto dai fanghi, la potenza netta è maggiore di zero mentre la produzione di biometano è bassa. Nei mesi centrali dell’anno invece la potenza elettrica prodotta dalla turbina diminuisce non solo perché diminuisce la richiesta termica e quindi la portata di biogas invitata nella mGT ma anche perché con l’aumentare della temperatura diminuisce la sua efficienza. Perciò nei mesi più caldi per soddisfare il carico elettrico si dovrà prelevare energia elettrica dalla rete.

Nei mesi centrali essendo minore la portata di biogas inviata nella mGT sarà disponibile una quantità maggiore di biogas da poter inviare alla sezione di upgrading e quindi la produzione di biometano aumenta. Di conseguenza il valore di F in questo scenario è molto variabile rispetto ai precedenti e raggiunge valori di 0,7 nella parte centrale dell’anno. Per quanto riguarda il calore in uscita dall’impianto esso è minimo rispetto agli altri scenari in cui la turbina è accesa. Si evidenzia comunque un picco nei mesi più caldi poiché aumenta il calore recuperato dall’upgrading per il riscaldamento dei fanghi e quindi per non superare la temperatura all’interno dei digestori, i fumi vengono deviati verso l’uscita aumentando così il calore in uscita dall’impianto. Rispetto allo scenario con caldaia a biogas la produzione di biometano è minore in quanto per soddisfare il carico termico si dovrà inviare una portata di biogas al cogeneratore che sarà maggiore visto la sua bassa efficienza termica. Nonostante ciò la produzione è sempre nettamente superiore alla quantità di

76 biocarburante richiesta dal parco macchine. La differenza tra produzione e richiesta di biometano verrà immessa in rete. Questa quantità sarà minore rispetto al caso di inseguimento termico tramite caldaia per i motivi specificati sopra.

Figura 4.28 – Biometano immesso in rete

In Figura 4.29 sono mostrati i flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per questo scenario.

Figura 4.29 - Flussi energetici annuali legati alla potenza elettrica per inseguimento termico mediante cogeneratore

Si nota come la maggior parte del carico elettrico è soddisfatto dalla turbina. La restante energia elettrica che serve per soddisfare una piccola parte della potenza

77 richiesta dagli ausiliari e il carico elettrico del sistema di upgrading verrà presa dalla rete.