Interventi proposti

(1)

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

SCUOLAPOLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE

DIPARTIMENTO DIINGEGNERIAINDUSTRIALE CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN

INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO

TESI DI LAUREA IN

GESTIONE DELLE RISORSE ENERGETICHE

ANALISI ENERGETICA, ECONOMICA ED AMBIENTALE PER L’EFFICIENTAMENTO ENERGETICO DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DIACERRA E NAPOLI NORD

RELATORI: CANDIDATO

CH.MOPROF. ING. FRANCESCOCALISE ANNALISAREALEM67/305

CH.MOPROF. ING. FRANCESCOPIROZZI SIMONARUSSOM67/307

CH.MAPROF. ING. LAURAVANOLI

CH.MOPROF. ING. NICOLA MASSAROTTI

CORRELATORI: ING. SIMONADIFRAIA

ING. RAFALDAMIANFIGAJ

ING. VINCENZOLUONGO

ANNO ACCADEMICO 2016/2017

(2)

INDICE

Obiettivo della tesi

Quadro normativo nazionale sull’efficientamento energetico degli impianti di depurazione

Casi studio

- Inquadramento degli impianti di depurazione di Acerra e Napoli Nord - Audit energetico degli impianti esaminati

Interventi proposti

- Analisi sperimentale - Analisi simulativa

Conclusioni

(3)

OBIETTIVO DELLA TESI

Diagnosi energetica degli impianti di depurazione di Acerra e Napoli Nord

Valutare i consumi energetici

Proporre soluzioni alternative per

contenere i consumi

(4)

QUADRO NORMATIVO NAZIONALE

SULL’EFFICIENTAMENTO ENERGETICO DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE

Normativa Europea

Direttiva quadro sulle acque 91/271/CEE

Direttiva sui rifiuti 2008/98/CEE

Direttiva sull’efficienza energetica 2012/27/UE

Normativa Italiana

D.lgs 152/2006

D.lgs 205/2010

D.lgs 102/2014

Aumento dei consumi energetici

Valorizzazione del fango come vettore energetico

Audit energetico per le imprese con consumo > 2.4 GWh/anno

(5)

CASI STUDIO

Inquadramento degli impianti di depurazione di Acerra e Napoli Nord:

descrizione

Gli impianti:

• appartengono al progetto speciale PS3 per il risanamento del Golfo di Napoli

• sono caratterizzati da un classico schema a fanghi attivi

• sversano nel recapito finale Foce Regi Lagni

ACERRA NAPOLI NORD

(6)

Acerra Abitanti equivalenti 828.000

Portata media in tempo asciutto 6.570 m³/h

Portata massima in tempo di pioggia 19.180 m³/h

Consumo energia elettrica (anno 2016) 8.9 GWh/anno

Napoli

Nord Abitanti equivalenti 838.000

Portata media in tempo asciutto 7.574 m³/h

Portata massima in tempo di pioggia 34.222 m³/h

Consumo energia elettrica (anno 2016) 8.7 GWh/anno

CASI STUDIO

Inquadramento degli impianti di depurazione di Acerra e Napoli Nord:

parametri di interesse

(7)

Raccolta dati:

Potenze elettriche installate Ore di funzionamento

Rielaborazione dati:

Consumi elettrici impianto

Consumi elettrici relativi ad ogni trattamento

CASI STUDIO

Audit energetico degli impianti esaminati

(8)

CASI STUDIO

Audit energetico degli impianti esaminati

25%

4.1%

59% 0.4%

0.3%

2.4%

8.1%

sollevamento

dissabbiatura e disoleaggio sedimentazione primaria areazione e ricircolo

sedimentazione secondaria disidratazione

servizi

ACERRA NAPOLI NORD

21%

1.3%

4.9%

57%

1.6% 10.1%

0.5% 0.04%

4.2%

sollevamento

dissabbiatura e disoleaggio sedimentazione primaria areazione e ricircolo

sedimentazione secondaria disidratazione

pretrattamenti disinfezione servizi

(9)

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

(kWh/kgBOD5in)

ηBOD

WWTPs Cuma SR Marcianise SR Foce Regi Lagni SR

Cast.Torinese CRE Acerra SR Napoli Nord SR

AA BA CA DA AB BB CB DB AC BC CC DC

AD BD CD DD

𝐼𝑅𝐸_𝐵𝑂𝐷 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜_𝑑

Portata massica BOD_5𝑑𝑖𝑛 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑎𝑙𝑙^′𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜𝜂_𝐵𝑂𝐷

CASI STUDIO

Audit energetico degli impianti esaminati: Indici di performance energetica

16 etichette energetiche per classificare gli impianti di depurazione:

• la prima lettera è relativa all’efficienza di rimozione (da A a D)

• la seconda lettera è relativa consumo energetico giornaliero e la portata massica di BOD₅in ingresso (da A a D)

(10)

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali

BMP (Biochemical Methane Potential):

quantità massima di CH₄ottenibile per degradazione anaerobica di qualunque

sostanza organica.

Caratterizzazione dei substrati

PARAMETRI UNITA’ DI MISURA ACERRA NAPOLI NORD INOCULO

SOLIDI TOTALI [gST/lfango] 15.7 13.5 50.7

SOLIDI VOLATILI [gST/lfango] 11.6 10.9 31.0

% 73.7 81.2 61.2

𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝐼_{𝑉𝑂𝐿𝐴𝑇𝐼𝐿𝐼} 𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝐼_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐼}

(11)

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

Condizioni operative:

 Reattori batch

 Regime mesofilo (T 30  35 °C)

 Condizioni WET (SS  10% )

4 prove contenenti solo fango

4 prove contenenti fango più inoculo

2 prove contenenti Solo inoculo

(12)

Nutrienti 96 ml Fango

280 ml

Inoculo 424 ml

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

Napoli

Nord

0.35

Acerra

0.37

F/M [0,25 – 1]

(13)

280 ml

Inoculo 424 ml

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

704 ml

(14)

280 ml

Inoculo 424 ml

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia

sperimentale

^{704 ml}

(15)

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

Metodo volumetrico per la misurazione del biometano

Trappola CO₂

H₂O

(16)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0

CBP [mL CH4]

Tempo [Giorni]

I1 I2

Risultati

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

INOCULO

Acerra:

• F1A , F1B solo fango

• (F+I)1A , (F+I)1B misti fango-inoculo Napoli Nord:

• F2A, F2B solo fango

• (F+I)2A, (F+I)2B misti fango-inoculo Inoculo:

• I1, I2 solo inoculo

Cumulative Biomethane Production

(17)

0 500 1000 1500 2000 2500

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

CBP [mL]

Tempo [Giorni]

F1B F1A (F+I)1A (F+I)1B I medio

0 500 1000 1500 2000 2500

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

CBP [mL]

Tempo [Giorni]

F2A F2B (F+I)2A (F+I)2B I medio

Risultati

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali Caratterizzazione

dei substrati

Metodologia sperimentale

ACERRA

NAPOLI NORD

Acerra:

• F1A , F1B solo fango

• (F+I)1A , (F+I)1B misti fango-inoculo Napoli Nord:

• F2A, F2B solo fango

• (F+I)2A, (F+I)2B misti fango-inoculo Inoculo:

• I1, I2 solo inoculo

(18)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

CBP [mL]

Tempo [Giorni]

(F+I)1A (F+I)1B I medio

0 500 1000 1500 2000 2500

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

CBP [mL]

Tempo [Giorni]

(F+I)2A (F+I)2B I medio

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali

ACERRA

NAPOLI NORD

CARICO SV

BMP dipende da:

• qualità SV

• quantità SV

𝐶𝐵𝑃_{𝐹𝐴𝑁𝐺𝑂} 𝑆𝑉_{𝑅𝐸𝐴𝑇𝑇𝑂𝑅𝐸}

INOCULO

𝐶𝐵𝑃_{𝐹𝐴𝑁𝐺𝑂} = 𝐶𝐵𝑃_𝑇𝑂𝑇 − 𝐶𝐵𝑃𝐼𝑁𝑂𝐶𝑈𝐿𝑂(424 𝑚𝑙)

424 CBP 704 ml

(19)

0 50 100 150 200 250 300 350

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 SBP [NmL CH4/g SV]

Tempo [Giorni]

(F+I)1A (F+I)1B

0 100 200 300 400 500 600

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 SBP [NmL CH4/g SV]

Tempo [Giorni]

(F+I)2A (F+I)2B

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali

Specific Biomethane Production

ACERRA NAPOLI NORD

307 [Nm³/tonnSV] 513 [Nm³/tonnSV]

(20)

INTERVENTI PROPOSTI

Digestione anaerobica: Analisi sperimentali

Specific Biomethane Production

307 [Nm³/tonnSV] 513 [Nm³/tonnSV]

300 [Nm³/tonnSV]

(21)

L’impianto di cogenerazione, CHP (Combined Heat and Power), produce simultaneamente potenza elettrica e termica a partire da

un’unica fonte energetica .

INTERVENTI PROPOSTI

Impianto di cogenerazione e di essiccamento termico dei fanghi

BASSA TEMPERATURA:

• Aftercooler

• Olio

• Camicia Fluido di lavoro:

acqua

TEMPERATURA:ALTA

• Fumi

Fluido di lavoro:

aria

USCITA FANGO

(22)

L’impianto di cogenerazione, CHP (Combined Heat and Power), produce simultaneamente potenza elettrica e termica a partire da

un’unica fonte energetica .

INTERVENTI PROPOSTI

Impianto di cogenerazione e di essiccamento termico dei fanghi

INGRESSO FANGO

USCITA FANGO

FLUIDO DI LAVORO FUMI

ESAUSTI

(23)

Il sotware utilizzato è TRNSYS (Transient System Simulation program).

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa

Avviare

una simulazione

Scegliere i Types rappresentativi dei componenti dell’impianto.

Definire le impostazione di lavoro intese come parametri di ciascun Type e i valori iniziali.

Definire i collegamenti tra gli output e gli input dei Types connessi (fisici e di controllo)

(24)

Parametri:

Geometria digestore (volume digestore, altezza digestore, perimetro)

Caratteristiche fluido (calore specifico, densità, conducibilità termica)

Altezza immissione Altezza estrazione

Coefficiente di scambio termico

Termostato (altezza, T_{set point}, deadband) Sorgenti termiche ( scambiatori, resistenze elettriche, gas ausiliario).

Modella il DIGESTORE come un serbatoio adibito allo

stoccaggio di un fluido soggetto a stratificazione termica

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: esempio modellazione

Bilancio termico al Nodo i-simo

La modellazione prevede la suddivisione del serbatoio in N ≤ 100 volumi uguali, misura del grado della stratificazione termica

Applica il bilancio massico ed energetico delle potenze termiche e delle portate in gioco:

Potenze termiche interne ausiliarie Perdite

Potenze termiche stratificazione

Potenze termiche destratificazione

Potenze termiche dei flussi in ingresso ed uscita

(25)

Modella il DIGESTORE come un serbatoio adibito allo

stoccaggio di un fluido soggetto a stratificazione termica

I Risultati del bilancio sono:

• portate dei flussi in ingresso e uscita

• temperature in ingresso ed uscita e dell’i- esimo volume

• potenza termiche dei flussi in ingresso e uscita

• perdite

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: esempio modellazione

(26)

Scenario 1

Scenario 2

• funzionamento del CHP a punto fisso

• CHP dimensionato per soddisfare la richiesta termica dell’essiccatore

• pilotaggio del CHP in funzione del biogas prodotto, a parità di taglia del motore

• presenza di un gasometro per lo stoccaggio del biogas

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa

Analisi energetica economica e ambientale Ottimizzazione della taglia del CHP

(27)

Parametro Unità di

misura Acerra Napoli Nord

Potenza elettrica chp [kW] 1500 2000

Portata massica acqua [kg/h] 18.3 24.4

Portata massica aria [kg/h] 2.2 3.0

η_elettrico % 41

η_termico % 41

Tset point, boiler digestore [°C] 36.9

Tsdc [°C] 37

Potenza termica,boiler digestione [kW] 3000 5000 Potenza termica,boiler

essiccamento [kW] 800 1000

Volume digestione [m³] 14500 30000

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

(28)

Funzionamento del CHP a punto fisso

Produzione costante di Energia Elettrica:

• Integrazioni esterne

• Eccessi immessi in rete

• Alimentazione combinata con Gas Naturale

POTENZA ELETTRICA

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

(sperimentale) Napoli Nord (letteratura) Energia elettrica richiesta [GWh/y] 8.9 8.7

Portata fango ispessito [m³/h] 48.9 85.2

Portata biogas [Nm³/h] 293.0 846.0 542.0

(29)

• Fluido di lavoro: acqua

Controllo sulla temperatura:

dissipatore per T ≤ 60 °C

• Fluido da riscaldare: fango ispessito

Controllo sulla temperatura:

miscelatore e separatore per T ≤ 37°C Integrazioni termiche ausiliarie:

boiler con T_set,point36.9 °C

CIRCUITO A BASSA TEMPERATURA

• Fluido di lavoro: aria

Integrazioni termiche ausiliarie:

boiler P_fumi ≤ Pessiccamento

CIRCUITO AD ALTA TEMPERATURA

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

(30)

POTENZA ELETTRICA:

• autoconsumata

• integrata

• immessa in rete POTENZA TERMICA:

• a bassa temperatura

• ad alta temperatura

• dissipazioni PORTATE:

• gas naturale

• biogas

RISULTATI ANALISI IN DINAMICO

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

ANALISI ENERGETICA su base settimanale

ANALISI ENERGETICA, ECONOMICA ED

AMBIENTALE su base annua

SMALTIMENTO FANGO DISIDRATATO

(31)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

Energie termiche nel circuito a BT e a AT

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia termica [MWh]

tempo [settimana]

ET chp,BT ET SdC ET chp,AT ET essiccamento

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia termica [MWh]

tempo [settimana]

ET chp,BT ET SdC ET chp,AT ET essiccamento

essiccatore camicia fumi

SdC

essiccatore camicia fumi

SdC

• La camicia (ET_chp,BT) produce una quantità di calore superiore di quella che lo SdC(ET_SdC) fornisce al

digestore

• I fumi (ET_chp,AT) soddisfano la domanda termica dell’essiccatore (ETessiccamento)

(ET_chp,BT) - (ET_SdC) = dissipazioni BT

(ET_chp,AT) - (ETessiccamento) =dissipazioni AT

(32)

Lo scambiatore di calore (ET_SdC) non soddisfa la richiesta termica del digestore (ET_fango,DA)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia Termica [MWh]

Tempo [settimana]

ET SdC ET boiler,DA ET fango,DA

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

tempo [settimana]

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

tempo [settimana]

Integrazioni GN digestore (ET_boiler,DA)

ACERRA

sperimentale NAPOLI NORD

letteratura

Energie termiche nel circuito a BT

digestore

SdC

digestore

SdC SdC

digestore

(33)

0 100 200 300 400 500 600 700

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia primaria [MWh]

tempo [settimana]

EP bg EP chp EP gn,chp

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

ACERRA

letteratura

Energie primarie relative al CHP

Richiesta CHP (EP_chp):

• mai soddisfatta dal biogas disponibile(EP_bg) per Acerra e Napoli Nord

• soddisfatta solo per un certo intervallo di tempo per Napoli Nord- sperimentale

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia primaria [MWh]

tempo [settimana]

EP bg EPchp EP gn,chp

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia primari [MWh]

tempo [settimana]

EP chpbg EP chp EP gn,chp

integrazioni GN CHP (EP_gn,chp)

CHP

biogas CHP

biogas

(34)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

ACERRA

letteratura

Volumi di fuel nel sistema proposto

0 40000 80000 120000 160000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 Volume [Nm3]

tempo [settimana]

V bg,in chp V bg chp V gn,in chp V gn boiler,tot V bg boiler,tot

0 40000 80000 120000 160000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 Volume[Nm3]

tempo [settimana]

V bg,in chp V bg chp V gn,in chp

V gn boiler,tot V bg boiler,tot

0 40000 80000 120000 160000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 Volume [Nm3]

tempo [settimana]

V bg,in chp V bg chp V gn,in chp V gn boiler,tot V bg boiler,tot

• Biogas in ingresso (V_{bg,in chp}) - biogas utilizzato (V_{bg chp}) = eccesso biogas

• Integrazione (V_{gn,in chp}) + biogas in ingresso al CHP = fuel CHP

Eccesso BG utilizzabile per Napoli Nord-sperimentale

(35)

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia elettrica [MWh]

tempo [settimana]

EE chp EE riferimento EE integrata

EE autoconsumata EE eccesso EE essiccamento

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

Energie elettriche nel sistema proposto

CHP soddisfa la richiesta energetica dell’impianto

(attuale + essiccatore e ausiliari) Assenza di integrazioni elettriche esterne

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Energia Elettrica [MWh]

tempo [settimana]

EE chp EE riferimento EE integrata

EE autoconsumata EE eccesso EE essiccamento

CHP

richiesta CHP

richiesta

(36)

Volumi Acerra Napoli Nord sperimentale

Napoli Nord letteratura

V_{gn,in chp} 44 % V_{in chp} 15 % V_{in chp} 36 % V_{in chp}

V_{bg,in chp} 56 % V_{in chp} 85 % V_{in chp} 64 % V_{in chp}

Vbg eccesso,chp 0.4 % V_bg,tot 13.7 % V_bg,tot 1.1 % V_bg,tot

V_bg

eccesso,essiccamento

0.4 % V_bg,tot 13.7 % V_bg,tot 1.1 % V_bg,tot

V_bg,scarto 0 % V_bg,tot 10 % V_bg,tot 0 % V_bg,tot

Bilanci su base annua dei risultati: Volumi

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

(37)

Energie Acerra Napoli Nord

sperimentale Napoli Nord letteratura

EEautoconsumata 72 % EE_chp 65 % EE_chp

EE_eccesso 28 % EE_chp 35 % EE_chp

Perdite Acerra Napoli Nord

sperimentale

ETdissipata,BT 11 % ET_chp,BT 2.2 %ET_chp,BT

ETdissipata,AT 2 % ET_chp,AT 0.6 %ET_chp,AT

Bilanci su base annua dei risultati: Dissipazioni termiche

Bilanci su base annua dei risultati: Energie elettriche

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

(38)

Bilanci su base annua dei risultati: Analisi energetica, ambientale ed economica e parametri economici

Voci analisi Acerra Napoli Nord

sperimentale Napoli Nord letteratura ΔEP [MWh/anno] 4,057.6 18,471.7 5,469.8 ΔCO2

[tonnCO₂/anno] 8,378.9 13,809.8 11,290.4 Δcosto [€/anno] 923.2 1,769.8 1,253.8

Parametri

economici Acerra Napoli Nord

sperimentale Napoli Nord letteratura

SPB [anni] 5 6 7

VAN [k€] 7,296 9,978.5 6,992.2

IP % 110.5 83.9 58.8

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

INCENTIVO COGENERAZIONE AD ALTO RENDIMENTO [D.M. 5/9/2011]

Essendo note le potenze prodotte dal CHP e quella richiesta in ingresso si definiscono le condizioni:

• Rendimento globale 𝜂_{𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑒} = 𝐸 + 𝐻_𝑐ℎ𝑝

𝐹 ≥ 75%

• Risparmio di energia primaria

𝑃𝐸𝑆 = 1 − 1

𝐶𝐻𝑃 𝐻𝜂

𝑟𝑖𝑓𝐻𝜂 +𝐶𝐻𝑃 𝐸𝜂 𝑟𝑖𝑓𝐸𝜂

∙ 100 ≥ 10 %

Si calcola:

• Il risparmio energia primaria 𝑅𝐼𝑆𝑃 = 𝐸_𝑐ℎ𝑝

𝜂_{𝑒,𝑟𝑖𝑓} + 𝐻_𝑐ℎ𝑝

𝜂_{𝑡,𝑟𝑖𝑓} − 𝐹_𝑐ℎ𝑝

• Numero certificati bianchi 93,68 € 𝐶𝐵 = 𝑅𝐼𝑆𝑃 ⋅ 0.086 ⋅ 𝑘

DOVE:

K: coefficiente di armonizzazione E_chp: energia elettrica

H_chp: energia termica utile F_chp: energia primaria

CHP Eη: il rendimento elettrico cogenerativo CHP Hη: il rendimento termico cogenerativo Rif Hη: rendimento per la produzione separata di calore

Ref Eη: rendimento per la produzione separata di energia elettrica

η_t,rif: rendimento medio termico nazionale

η_e,rif: rendimento medio elettrico nazionale

(39)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07 2.00E+07 2.50E+07

500 1500 2500 3500 4500

Energia Termica [kWh/a]

Taglia CHP [kW]

ET chp,BT ET SdC

ET chp, AT ET boiler,essiccamento ET dissipata,AT ET boiler,da

ET dissipata,BT

Ottimizzazione taglia CHP: Energie termiche

0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07 2.00E+07 2.50E+07

500 1500 2500 3500 4500

Taglia CHP [kW]

ET chp,BT ET SdC

ET chp, AT ET boiler,essiccamento ET dissipata,AT ET boiler,da

0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07 2.00E+07 2.50E+07

500 1500 2500 3500 4500

Taglia CHP [kW]

ET chp,BT ET SdC

ET chp, AT ET boiler,essiccamento

ET dissipata,AT ET boiler,da

ET dissipata,BT

ACERRA

letteratura

All’aumentare della taglia, l’ET di:

• GN dei boiler diminuisce e per l’essiccamento si annulla in corrispondenza della taglia scelta

• dissipazioni (BT e AT) sono nulle fino alla taglia scelta, dopo aumentano

• camicia e fumi aumentano linearmente

• SdC coincide con l’ET BT circa fino alla taglia scelta, dopo si porta al di sotto diss AT

GN dig SdC

diss BT GN ess

diss AT SdC

GN dig diss BT GN ess

diss AT GN dig SdC

diss BT GN ess

fumi

fumi fumi

cam cam cam

(40)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

Ottimizzazione taglia CHP: Volumi fuel

0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06 1.00E+07 1.20E+07

0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06 1.00E+07

500 1500 2500 3500 4500

Vgn,chp [Nm3/a]

Vgn,da, Vgn,essiccamento, Vbg,eccesso [Nm3/a]

Taglia CHP [kW]

V gn,da V gn,essiccamento

V bg,eccesso V gn,chp

0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06

0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06 1.00E+07

500 1500 2500 3500 4500

Vgn,chp [Nm3/a]

Vgn,da, Vgn,essiccamento, Vbg,eccesso [Nm3/a]

Taglia CHP [kW]

V bg,eccesso V gn,chp

0.00E+00 2.00E+05 4.00E+05 6.00E+05 8.00E+05 1.00E+06 1.20E+06 1.40E+06

0.00E+00 2.00E+06 4.00E+06 6.00E+06 8.00E+06 1.00E+07

500 1500 2500 3500 4500

Vgn,chp [Nm3/a]

Vgn,da, Vgn,essiccamento, Vbg,eccesso, [Nm3/a]

Taglia CHP [kW]

V gn,chp V bg,eccesso

letteratura

All’aumentare della taglia, il volume di:

• GN del CHP aumenta

• GN dell’essiccatore si annulla in corrispondenza della taglia scelta

• GN del digestore si annulla in corrispondenza di taglie grandi

• BG in eccesso è quasi nullo solo per Acerra e Napoli Nord –letteratura GN CHP

GN ess GN dig

GN CHP

GN ess GN dig

GN CHP

GN ess GN dig

(41)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

Ottimizzazione taglia CHP: Energie elettriche

0.00E+00 1.00E+07 2.00E+07 3.00E+07 4.00E+07 5.00E+07

500 1500 2500 3500 4500

Energia Elettrica [kWh/a]

Taglia CHP [kW]

EE chp EE proposto EE integrata

EE autoconsumata EE eccesso

0.00E+00 1.00E+07 2.00E+07 3.00E+07 4.00E+07 5.00E+07

500 1500 2500 3500 4500

Energia Elettrica [kWh/a]

Taglia CHP [kW]

EE chp EE proposto EE integrata

EE autoconsumata EE eccesso

All’aumentare della taglia, l’EE:

• del CHP aumento linearmente

• integrata diminuisce fino ad una taglia minore di quella scelta, poi si azzera

• in eccesso è nulla fino ad una taglia minore di quella scelta, dopo aumenta linearmente EE CHP

EE int

EE CHP

EE int

EE ecc EE ecc

(42)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

Ottimizzazione taglia CHP: Parametri economici

ACERRA

letteratura

-6.00E+06 -1.00E+06 4.00E+06 9.00E+06 1.40E+07

-5.00E+06 0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07

500 1500 2500 3500 4500 VAN, Investimento [€]

Delta costo [€/anno]

Taglia CHP [kW]

DELTA COSTO VAN

INVESTIMENTO VAN con incentivo

-6.00E+06 -1.00E+06 4.00E+06 9.00E+06 1.40E+07

-5.00E+06 0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07

500 1500 2500 3500 4500

VAN, Investimento [€]

Delta costo [€/anno]

Taglia CHP [kW]

INVESTIMENTO DELTA COSTO

VAN VAN con incentivo

-6.00E+06 -1.00E+06 4.00E+06 9.00E+06 1.40E+07

-5.00E+06 0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07

500 1500 2500 3500 4500

VAN, Investimento [€]

Delta costo [€/anno ]

Taglia CHP [kW]

DELTA COSTO VAN

INVESTIMENTO VAN con incentivo

il VAN è maggiormente convenienti per potenze:

• prossime alla taglia scelta, per Acerra e Napoli Nord- letteratura

• minori di quella scelta per Napoli Nord-sperimentale VAN

VAN VAN

(43)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

ACERRA

letteratura

-60%

-20%

20%

60%

100%

4.0 9.0 14.0 19.0 24.0 29.0

500 1500 2500 3500 4500

IP [%]

SPB [anni]

Taglia CHP [kW]

SPB SPB con incentivo IP IP con incentivo

-60%

-20%

20%

60%

100%

4.0 9.0 14.0 19.0 24.0 29.0

500 1500 2500 3500 4500

IP [%]

SPB [anni]

Taglia CHP [kW]

-60%

-20%

20%

60%

100%

4.0 9.0 14.0 19.0 24.0 29.0

500 1500 2500 3500 4500

IP [%]

SPB [anni]

Taglia CHP [kW]

SPB bassi e IP alti si hanno per potenze:

• prossime a quella scelta per Acerra e Napoli Nord- letteratura

• minori di quella scelta per Napoli Nord-sperimentale IP

SPB

IP

SPB

IP SPB

(44)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 1

La taglia scelta per il CHP:

• è corretta per Acerra e Napoli Nord-letteratura

• può essere ridotta per Napoli Nord-sperimentale

(45)

Potenza elettrica chp [kW] 1500 2000

Portata massica acqua [kg/h] 18.3 24.4

Portata massica aria [kg/h] 2.2 3.0

η_elettrico % 41

η_termico % 41

Tset point, boiler digestore [°C] 36.9

Tsdc [°C] 37

Potenza termica,boiler digestione [kW] 3000 5000 Potenza termica,boiler

essiccamento [kW] 800 1000

Volume digestione [m³] 14500 30000

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

(sperimentale) Napoli Nord (letteratura) Energia elettrica richiesta [GWh/y] 8.9 8.7

Portata fango ispessito [m³/h] 48.9 85.2

Portata biogas [Nm³/h] 293.0 846.0 542.0

(46)

Funzionamento del CHP alimentato esclusivamente a Biogas Produzione variabile di Energia Elettrica:

• Integrazioni esterne

• Eccessi immessi in rete

Parzializza in funzione del biogas in ingresso

POTENZA ELETTRICA BIOGAS

Alimenta direttamente il CHP:

P prim_biogas≥ 0.5 P prim_{nom CHP} Alimenta il GASOMETRO:

P prim_{bioga s} < 0,5 P prim_{nom CHP}

Fuoriesce dal GASOMETRO verso il CHP:

V_gasometro = V_max V_lavoro= 0.7*V_max

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

(47)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

Diversamente dallo scenario 1, l’ET dei fumi non soddisfa la domanda termica dell’essiccatore

Integrazioni GN essiccamento

Come per lo scenario 1, l’ET dello SdC non soddisfa la richiesta termica del digestore

Come per lo scenario 1, quasi tutto il biogas

disponibile è utilizzato dal motore Eccesso BG utilizzabile solo per Napoli Nord-

sperimentale

Diversamente dallo scenario 1, il CHP non soddisfa la

richiesta energetica dell’impianto Integrazioni elettriche esterne

Risultati andamenti settimanali

Integrazioni GN digestione

(48)

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

La taglia scelta per il CHP:

• è corretta per Acerra e Napoli Nord-letteratura

• può essere ridotta per Napoli Nord-sperimentale

Risultati ottimizzazione taglia CHP

(49)

Volumi Acerra Napoli Nord sperimentale

Vbg in dirett,chp 55 % V_{bg tot} 78 % V_{bg tot} 58 % V_{bg tot}

Vbg in,gasometro 44 % V_{bg tot} 8 % V_{bg tot} 41 % V_{bg tot}

Vbg eccesso,chp 0.4 % V_bg,tot 14 % V_bg,tot 1 % V_bg,tot

V_bg

eccesso,essiccamento

0.4 % V_bg,tot 14 % V_bg,tot 1 % V_bg,tot

V_bg,scarto 0 % V_bg,tot 10 % V_bg,tot 0 % V_bg,tot

Bilanci su base annua dei risultati: Volumi

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

(50)

Perdite Acerra Napoli Nord sperimentale

ETdissipata,BT 0.4 % ET_chp,BT 1 %ET_chp,BT

ETdissipata,AT 1 % ET_chp,AT 0.3 %ET_chp,AT

Energie Acerra Napoli Nord

sperimentale

EEautoconsumata 83 % EE_chp 75% EE_chp 77% EE_chp

EE_eccesso 17 % EE_chp 25 % EE_chp 23 % EE_chp

EE_integrata 55 % EE_proposto 13 % EE_proposto 43 % EE_proposto

Bilanci su base annua dei risultati: Energie termiche

Bilanci su base annua dei risultati: Energie elettriche

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

(51)

Voci analisi Acerra Napoli Nord sperimentale

ΔEP [MWh/anno] -2,376 1,315 -2,615

ΔCO2

[tonnCO₂/anno] 2,366 377 4,197

Δcosto [€/anno] 779 1,470 1,150

Parametri economici Acerra Napoli Nord sperimentale

SPB [anni] 6.8 6.2 8.4

VAN [k€] 4,480 9,435 4,563

IP % 67.8 79.4 38.4

Bilanci su base annua dei risultati: Analisi energetica, ambientale ed economica e parametri economici

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Scenario 2

(52)

Impianto Acerra Napoli Nord- sperimentle

Napoli Nord- letteratura

scenario 1 2 1 2 1 2

ΔEP [MWh/anno] 4,057.6 -2,376 18,471.7 1,315 5,469.8 -2,615 ΔCO2 [tonnCO₂/anno] 8,378.9 2,366 13,809.8 4,197 11,290.4 4,197

Δcosto [€/anno] 923.2 779 1,769.8 1,470 1,253.8 1,150

INTERVENTI PROPOSTI

Analisi simulativa: Confronto tra gli scenari sull’analisi energetica, ambientale ed economica

Lo scenario 1 è maggiormente

conveniente

(53)

CONCLUSIONI

Le soluzioni proposte consentono:

 la valorizzazione del fango

 la riduzione dei costi del suo smaltimento

 la riduzione dell’impatto ambientale, sia per la minore quantità di energia richiesta alla rete sia perché si va a gravare meno sulla discarica

Approfondimenti futuri:

 indagare ulteriormente sul potenziale di biometanazione del fango di Napoli Nord

 implementare un ulteriore scenario in cui si alimenta il cogeneratore col biogas e si utilizza il solare termico per sopperire alle eventuali integrazioni termiche

(54)