I risultati ottenuti su scala pilota sono stati utilizzati per la valutazione preliminare delle prestazioni di un impianto su scala industriale per il trattamento dei residui di frutta e vegetali prodotti dal Mercato Ortofrutticolo della Sardegna. La Fig.13 mostra un diagramma a blocchi semplificato dell'impianto su scala industriale. L'impianto su scala industriale è basato su un reattore di digestione anaerobica bi-stadio per separare la fase di idrolisi da quella di metanogenesi, come messo in evidenza nella sezione 4.4.2. L'impianto è dotato di una sezione di stoccaggio suddivisa in due unità separate per frutta e vegetali, in modo da consentire il più possibile la preparazione di miscele bilanciate. Il biogas prodotto alimenta un co-generatore costituito da un motore a combustione interna integrato con una sezione per il recupero del calore.
L'energia termica necessaria al processo di digestione anaerobica è ottenuta ricircolando al reattore una quota dell'acqua calda originatasi nel raffreddamento del co-generatore. Dal co-generatore è anche prelevata una quota dell'energia elettrica, necessaria al funzionamento degli ausiliari di impianto (trituratori, pompe, agitatori, compressori per il biogas e altre apparecchiature). La Tab.9 riporta le principali assunzioni fatte per la valutazione preliminare delle prestazioni dell’impianto di digestione anaerobica su scala industriale. In accordo con i risultati dello studio sperimentale illustrato in precedenza, l'impianto è stato progettato per trattare una quantità di FVR di 9 t d-1, con un carico organico di 2,5 kgsv d-1 m-3, un tempo di residenza idraulico di 30 giorni e una produzione specifica metano di 0,43 Nm3 kgsv-1. Le assunzioni concernenti le efficienze elettriche e termiche sono basate su valori tipici di unità cogenerative commerciali. Il fabbisogno di energia termica per il processo di digestione anaerobica è stato calcolato come somma del calore richiesto per portare il substrato alla temperatura di processo e per compensare le perdite attraverso le pareti del reattore. Il consumo elettrico specifico di 10 kWh t-1 per gli ausiliari di impianto è stato assunto in accordo alle prestazioni dei sistemi commerciali. E' interessante notare come questo valore sia pari a un quinto di quello dell'impianto pilota (circa 50 kWh t-1) per via dell'ottimizzazione nella progettazione. I volumi di lavoro complessivi per il primo (45 m3) e per il secondo reattore (225 m3) sono stati determinati sulla base della disponibilità giornaliera degli FVR e del tempo di permanenza idraulico necessario alla loro conversione in biogas. Inoltre, per entrambi i reattori, sono stati considerati un rapporto larghezza /altezza di 0,4 e uno spessore di isolamento pari a 0,1 m.
La produzione lorda, elettrica e termica è stata calcolata dalla produzione del biogas, considerando il potere calorifico inferiore del biogas stesso.
4. Impiego della Digestione Anaerobica
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La produzione netta di energia elettrica è stata calcolata, sottraendo i consumi degli ausiliari dell'impianto alla produzione lorda. La Tab.10 riporta le prestazioni principali stimate per l'impianto industriale di digestione anaerobica. In accordo con il potere calorifico inferiore del biogas (19,6 MJ Nm-3), la stima della produzione giornaliera di metano (290 Nm3 d-1) identifica un co-generatore con una potenza in uscita di 42 kW.
Figura 13: Diagramma di processo dell' impianto su scala industriale.
La produzione netta di energia elettrica è di 911 kWh d-1, con una corrispondente produzione annuale di 306 MW a-1, sufficiente a coprire il 25 % del fabbisogno di energia elettrica del mercato all'ingrosso. Poiché i consumi termici dell'impianto sono abbastanza ridotti, rimangono disponibili 1343 kWh a-1 per altri usi interni o esterni al mercato stesso.
Data la possibilità di utilizzare l'energia elettrica prodotta dal digestore anaerobico per una quota del fabbisogno del mercato ortofrutticolo, è stata eseguita un'analisi economica per valutarne i costi di produzione. Il costo equivalente dell'energia (
è stato calcolato mediante il rapporto tra i costi totali annuali ( e la produzione annuale netta di energia (
:
nella quale:
è il valore dell'investimento, è il costo del capitale e rappresentano i costi
annuali di esercizio e manutenzione.
Consumo interno di energia elettrica Biogas Stadio di Idrolisi Stadio di Metanogenesi Digestato Produzione netta di elettricità Produzione netta di energia termica Cogenerazione di energia termica e elettrica Residui di Frutta e vegetali Uso del digestato come Fertilizzante Consumo interno di calore
Triturazione Serbatoio di stoccaggio della frutta Serbatoio di stoccaggio dei vegetali Trattamento dell'acqua Disidratazione Acqua Scarico del digestato
64 4. Impiego della Digestione Anaerobica
Produzione giornaliera di FVR 9 t d-1 Composizione di FVR ST=8,7%SV=86%TS tq
Temperatura di processo 35 °C
Tasso di carico organico 2,5 kgsv d-1 m-3 Produzione specifica di biogas 0,78 Nm3 kgsv-1 Produzione specifica di metano 0,43 Nm3 kgsv.1
HRT 1° e 2° stadio 5/25 d
Efficienza elettrica/termica del co-generatore 35%/50% Consumi elettrici degli ausiliari di impianto 10 kWh tFVR-1 Fattore di utilizzazione del co-generatore 92%
Tabella 9: Dati principali di progetto per un impianto biogas su scala industriale. Volume complessivo del digestore (1°+2° stadio) 270 m3
Produzione media di biogas 525,2 Nm3d-1
Produzione media di metano 289,6 Nm3 d-1
Produzione di energia primaria 2859,6 kWh d-1
Potenza in uscita dal co-generatore 41,7 kW Produzione di energia elettrica lorda 1000,9 kWh d-1 Produzione di energia termica lorda 1429,8 kWh d-1
Consumo di energia elettrica 90 kWh d-1
Consumo di energia termica 86,4 kWh d-1
Produzione netta di energia elettrica 910,9 kWh d-1
Energia termica disponibile 1343,4 kWh d-1
Tabella.10: Principali prestazioni dell'impianto industriale di digestione anaerobica. Il costo del capitale dipende dal tasso di interesse annuale (7% in questo caso) e dalla durata dell'investimento (20 anni). In base ad un'analisi di mercato il costo dell'investimento è risultato pari a 300.000,00 €, mentre i costi annuali e di manutenzione sono stati valutati pari al 6 % del valore dell'investimento.
L'analisi economica ha mostrato che il costo di produzione dell'energia elettrica di un impianto di digestione anaerobica, della taglia indicata in precedenza, è di 151,0 € MWh che è più basso del costo di acquisto (200,0 €) che sostiene in questo momento il mercato all'ingrosso. Inoltre se almeno il 50% dell'energia termica prodotta dal co- generatore fosse effettivamente impiegato il si abbasserebbe a 100,0 €/MWh. Questo nell'ipotesi di impiegare l'energia termica in sostituzione di combustibili fossili.
4. Impiego della Digestione Anaerobica