digestione anaerobica e energia termica - master

Master “Gestione delle Biomasse e dei processi per la produzione di energia”
DIGESTIONE ANAEROBICA E ENERGIA TERMICA
Produzione, Disponibilità, Recupero e Valorizzazione
(mod. 2 ore)
Jacopo Bacenetti ‐ Dipartimento Ingegneria Agraria (DIA)
 ++39 02 503 16869  [email protected]
Università degli Studi di Milano
http://www.unimi.it/
Energia termica e incentivazione
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Impianti entrati in funzione fino al 31/12/2012 la mancata valorizzazione dell’energia termica non comporta alcuna riduzione dell’incentivo garantito all’energia elettrica (EE) prodotta e immessa in rete
Indipendentemente dal recupero dell’energia termica prodotta: TO o CV per tutti
Generalmente ET dispersa (con aumento degli autoconsumi)
Impianti che entrano in funzione dopo il 31/12/2012
Modulazione dell’incentivo percepito in funzione del destino dell’ET cogenerata
Energia termica e impianti di DA dopo 31/12/2012
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Energy crops
Reflui
FORSU
Energia termica e prestazioni economiche
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Impianto da 500 kW (PEE), alimentato solo con colture
dedicate .
Tempo di funzionamento (HA) 8000 h/anno
EE prodotta = 4000 MWh annui
RICAVI
Pre 31/12/2012
4000 ∙ 280 = 1.120.000 €/annui
Post 31/12/2012
Senza valorizzazione dell’ET  4000 ∙ 160 = 640.000 €/annui
(‐43 %)
Senza valorizzazione dell’ET  4000 ∙ (160 + 40) = 800.000 €/annui
(‐28 %)
Valorizzazione dell’ET: difficoltà
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Ridotto prezzo di valorizzazione
Valore di sostituzione del combustibile fossile
Es. Sostituzione di ET prodotta da caldaia alimentata a gasolio
1 kg gasolio = 1,0 €/kg
PCI = 11,86 kWh/kg
η = 85%
Valore di sostituzione = 0,084 €/kWh
Difficilmente trasportabile
A differenza che l’EE il calore è molto più costoso da trasportare.
Negli impianti di TLR una quota considerevole dell’investimento dipende dalla rete di distribuzione (costo
variabile in funzione della lunghezza della rete).
Per gli impianti di digestione anaerobica agricoli (PEE<1MW) seppur disponibile in grande “quantità” l’ET
non è sufficiente per giustificare la realizzazione di un TLR anche perché generalmente l’impianto e le
possibili utenze sono distanti
Modesti fabbisogni termici in agricoltura
Rispetto ai fabbisogni termici tipici di alcune attività agricole (es. suinicoltura, serre, essiccazione) la
disponibilità di ET derivante da un impianto di DA è generalmente nettamente superiore.
Stagionalità
I fabbisogni termici presentano elevata stagionalità a differenza dell’ET prodotta dall’impianto che è
tendenzialmente costante (addirittura maggiore nei periodi in cui sono inferiori i fabbisogni termici)
Energia termica e impianti di digestione anaerobica
BYPRODUCTS
FOOD WASTE
System boundary
CULTIVATION & HARVESTING
TRANSPORT
TRANSPORT
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ENSILAGE
DIGESTER/S
BIOGAS
REFRIGERATION
DESULFURIZATION
HEAT
CHP
ELECTRICITY
DIGESTATE
SL
STORAGE
SEPARATION
SS
ELECTRIC GRID
Energia termica e impianti di digestione anaerobica
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ETDISP = ETPROD ‐ ETAA
ETPROD
ETAA
ETDISP
Energia termica prodotta
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COGENERAZIONE
Nella maggior parte degli impianti di digestione anerobica (in Italia praticamente tutti) il
biogas prodotto viene utilizzato in nell’alimentare motori alternativi a combustione interna
finalizzati – mediante connessione diretta con generatori elettrici (alternatori asincroni) – alla
produzione di elettricità (EE) (AC, trifase, 380 V)
CHP  COMBINE HEAT AND POWER
Accanto alla produzione di energia elettrica ‐ EE (derivante dalla trasformazione dell’energia meccanica) si ha una contemporanea produzione di calore (energia termica ‐ ET)
Le
potenze
elettriche
nominali
esplorano un intervallo molto vasto,
variando da 30‐50 a 1500 kWe e le
prestazioni dipendono dalla taglia
raggiungendo ηEE = 40‐42% e ηEE = 32‐
35% per le potenze, rispettivamente,
maggiori e minori.
Energia termica prodotta
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Complessivamente, il rendimento globale del motore (ηEE+ηET) raggiunge l’85‐90%.
Quindi:
I rendimenti termici dipendono dalla taglia elettrica del motore raggiungendo ηET = 40‐45% e ηET = 52‐55% per le potenze, rispettivamente, maggiori e minori.
PEE & PET
PET = PEE ∙ (ηET /ηEE)
PEE = PET ∙ (ηEE /ηET)
Noti i rendimenti e la Potenza elettrica è possibile calcolare la potenza termica e viceversa, noti i rendimenti del motore e la sua potenza termica si può ricavare la potenza elettrica.
Esempio Se PEE = 1 MW, ηEE = 41% e ηET = 45% ηET
 PET = 1 MW ∙ (45/41) = 1,097 MW
Potenza termica
L’energia termica cogenerata (ETPROD – MWh) dipende dalla potenza termica e dal tempo di
funzionamento (ovviamente).
ETPROD = PET ∙ HA
ETPROD deriva da: i) Circuiti di raffreddamento del motore (raffreddamento olio, camicie motore);
ii) Fumi di scarico. La ripartizione tra le due fonti è all’incirca paritaria tuttavia
NON SEMPRE VENGONO ENTRAMBE RECUPERATE Fumi
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H2O calda (80‐90°C)
Potenza termica recuperata
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Talvolta l’energia termica effettivamente prodotta è diversa da quella producibile
perché parte del calore è disperso o, più precisamente non recuperato.
Generalmente è il calore disponibile nei fumi (quello a maggior entalpia!) a essere
direttamente disperso in atmosfera.
Es. Impianto PEE = 999 kW, PET = 1197 kW
Potenza termica effettivamente recuperata = 577 kW
(138 kW da scambiatore a fascio tubiero
gas/acqua + 114 kW da raffreddamento olio lubrificante + 325 kW acqua camicie con scambiatore a piastre)
Autoconsumi termici
L’ET cogenerata dal CHP (ETPROD) viene in parte sempre utilizzata per il soddisfacimento dei
fabbisogni termici dell’impianto di DA
Impianti di DA operanti in Psicrofilia, Mesofilia, Termofilia.
A parità di condizioni la maggiore temperatura – limitatamente ai valori massimi correlati alla vitalità dei
differenti gruppi batterici ‐ riduce il tempo di ritenzione e aumenta il quantità di substrato digerito;
pertanto, influisce positivamente sulla gestione e sulle prestazioni energetiche dell’impianto.
41,0
40,5
40,0
39,5
39,0
Controllo della temperatura del digestore
OTTOBRE
Temperatura Fermentatore A
Temperatura Fermentatore B
Dev standard
0,5 °C
0,6 °C
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
38,5
1
Quando si passa da un regime di
temperatura a un altro si osserva un
vero e proprio cambiamento nella
composizione
del
consorzio
batterico che presenta picchi in
corrispondenza di ben definiti
intervalli di temperatura, differenti
per ciascuna specie. Variazioni della
temperatura determinano sempre
una variazione nelle velocità di
reazione (generalmente un calo)
°C
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Autoconsumi termici
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Autoconsumo ET = f
•
•
•
•
Caratteristiche costruttive del digestore i) materiali
ii) interrato/fuori suolo
iii) forma (rapporto superficie/volume) Temperatura di processo
Condizioni ambientali (T°, vento, radiazione)
Alimentazione
Normalmente, le pareti verticali dei reattori vengono sempre coibentate applicando il materiale isolante
esternamente (dopo la rimozione dei casseri nel caso di strutture in c.a. in opera) come pannelli di 5‐15 cm
di spessore, ottenendo coefficienti di trasmittanza globale k < 0, 40 W/m2∙°C. Di norma, le lastre di
isolamento vengono esternamente rivestite, per protezione e finitura, con lastre di lamiera grecata.
Autoconsumi termici
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AUTOCONSUMO TERMICO (ETAA)
L’energia termica necessaria per il soddisfacimento delle esigenze termiche dell’impianto
(AAET) è dovuta a:
Energia termica necessaria per il riscaldamento delle matrici in ingresso nel digestore (ETRM)
Energia termica dispersa dall’impianto (ETDS)
ETAA = ETRM + ETDS
Gli Autoconsumi termici di un impianto di DA variano principalmente in funzione della stagione  minori in estate più alti in inverno
INDICATIVAMENTE
ETAA = 10‐45% (10‐30%) dell’ET cogenerata
Autoconsumi termici
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ETRS
L’energia termica necessaria per il riscaldamento è utilizzata per il riscaldamento della biomassa
fermentescibile e di altre sostanze introdotte nei digestori (es. acqua e separato liquido necessari per il
mantenimento del tenore in sostanza secca ai livelli ottimali).
Dipende dalle quantità introdotta, dal calore specifico delle diverse matrici e dal salto termico tra la
temperatura di processo e la temperatura della biomassa.
ETDS
L’energia termica dispersa è il calore perso dal digestore.
Dipende dal salto termico tra la temperatura di processo e la temperatura esterna e dalle caratteristiche
costruttive del digestore (isolamento, interramento, superficie disperdente).
Per un corretto calcolo occorre conoscere la conducibilità termica, lo spessore dei materiali con cui è
isolato il digestore (pavimento, pareti e cupola gasometrica) e la trasmittanza termica (W/m2K) .
Nei digestori in cui il biogas prodotto viene accumulato nella cupola gasometrica la maggior parte di ETDS è
persa attraverso questa superficie.
Indicativamente ETDS rappresenta il 15‐30% di ETRM
ETAA = 115‐130% ETRM
Energia termica e impianti di digestione anaerobica
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ETDISP = ETPROD ‐ ETAA
ENERGIA TERMICA PRODOTTA (ETPROD)
In impianti di DA che funzionano correttamente in cui
non vi sono problemi che riducono la produzione di
biogas e quindi il funzionamento del CHP è costante
AUTOCONSUMO TERMICO (AAET)
L’energia termica necessaria per il soddisfacimento
delle esigenze dell’impianto è variabile in funzione
delle condizioni climatiche e dell’alimentazione dei
digestori
ENERGIA TERMICA DISPONIBILE (ETDISP)
L’energia termica disponibile per valorizzazioni esterne
all’impianto di digestione anaerobica è variabile in
funzione
delle
condizioni
climatiche
e
dell’alimentazione
Utilizzo dell’energia termica disponibile
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RISCALDAMENTO DI LOCALI
+
Il calore è già disponibile sottoforma di acqua calda che potrebbe essere utilizzata senza
particolari problemi per il condizionamento invernale di locali
‐
Disponibilità e Fabbisogni per il riscaldamento sono “sfasati” nel tempo: La maggiore
disponibilità di ET è estiva periodo in cui non è necessario calore per il riscaldamento
SERRE
+
Il calore è già disponibile sottoforma di acqua calda che potrebbe essere utilizzata senza
particolari problemi per il condizionamento invernale di locali
‐
Disponibilità e Fabbisogni per il riscaldamento sono “sfasati” nel tempo: La maggiore
disponibilità di ET è estiva periodo in cui non è necessario calore per il riscaldamento.
Non sempre le serre sono presenti nelle aziende con impianti di DA che tendono ad essere
aziende cerealicole‐zootecniche
Utilizzo dell’energia termica disponibile
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ESSICCAZIONE PRODOTTI
+
Principalmente la richiesta di ET per l’essiccazione è localizzata in periodi di tempo differenti
da quelli in cui è massimo il fabbisogno del digestore
‐
TLR
+
Il calore è già disponibile sottoforma di acqua calda che
potrebbe essere immessa nella rete di distribuzione senza
problematiche particolari
‐
Disponibilità e Fabbisogni sono “sfasati” nel tempo.
Costo di realizzazione della rete di distribuzione elevato e
la valorizzazione del calore può non essere in grado di
garantire ricavi sufficienti a garantire un’adeguata
redditività dell’investimento
Utilizzo dell’energia termica disponibile
GRUPPI FRIGORIFERI AD ASSORBIMENTO
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+
Domanda di freddo molto più costanti di quella di calore e soprattutto è maggiore nei periodi
in cui è maggiore la disponibilità di ET. Esempio aziende zootecniche da latte alimentano
digestore con refluo e hanno il latte da raffreddare
‐
Disponibilità e Fabbisogni per il riscaldamento sono “sfasati” nel tempo: La maggiore
disponibilità di ET è estiva periodo in cui non è necessario calore per il riscaldamento.
Non sempre le serre sono presenti nelle aziende con impianti di DA che tendono ad essere
aziende cerealicole‐zootecniche
ORC
+
Permette un incremento della potenza elettrica dell’impianto e un conseguente aumento
dell’energia elettrica immessa in rete.
‐
È in grado di funzionare solo con ET a medio‐alta entalpia.
Costi
Dimensionamento dispositivi
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DIMENSIONAMENTO DEI DISPOSITIVI PER IL RECUPERO E L’UTILIZZO DELL’ENERGIA TERMICA DISPONIBILE VA FATTO CONSIDERANDO CHE ETDISP E’ VARIABILE.
OCCORRE DIMENSIONARE IL DISPOSITIVO (ORC, GFA, ESSICCATOIO, ecc.) ANALIZZANDO L’ANDAMENTO NELL’ANNO DELLA DISPONIBILITA’ DI CALORE. SE IL DISPOSITIVO FUNZIONA CONTINUATIVAMENTE VA DIMENSIONATO CONSIDERANDO IL PERIODO DI MINOR DISPONIBILITA’ DI ET (periodo di maggior autoconsumo)
NON DEVE MAI MANCARE L’ET PER IL RISCALDAMENTO DEL MOTORE…
Utilizzo dell’energia termica disponibile
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DISSIPATED
6338,2 MWht
26,3%
2261,8 MWht
HEAT
8600 MWht
CHP
1 MWe
1,075 MWt
8000 h/year
POWER
8000 MWhe
ELECTRIC GRID
7392 MWhe
7,6%
608 MWhe
Mancati ricavi dalla vendita dell’ET
Mancato incremento della tariffa base
No GHG saving
(194,6 gCO2eq/kWh)
Utilizzo dell’energia termica disponibile
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ORC, CHILLER, DRIER,
GREEN HOUSE
6338,2 MWht
26,3%
2261,8 MWht
CHP
1 MWe
1,075 MWt
HEAT
8600 MWht
8000 h/year
POWER
8000 MWhe
7,6%
608 MWhe
ELECTRIC GRID
7392 MWhe
Esempio di calcolo
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HA = 8000 h/y
Mesofilia
ηEE= 40,9%
ηET= 44,0%
Casalvolone
55 t/day silomais, 40 t/day liquame suino,
75 t/day ricircolo separato liquido
MESE
PEE & PET
?
ETDISP
?
gennaio
febbraio
marzo
aprile
maggio
giugno
luglio
agosto
settembre
ottobre
novembre
dicembre
Temperatura media
°C
2,4
4,0
8,4
12,7
17,7
22,4
24,1
23,8
19,3
13,7
8,8
3,3