universitÀ degli studi di napoli federico ii · casi studio - inquadramento degli impianti di...
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
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 DI ACERRA E NAPOLI NORD
RELATORI: CANDIDATO
CH.MO PROF. ING. FRANCESCO CALISE ANNALISA REALE M67/305
CH.MO PROF. ING. FRANCESCO PIROZZI SIMONA RUSSO M67/307
CH.MA PROF. ING. LAURA VANOLI
CH.MO PROF. ING. NICOLA MASSAROTTI
CORRELATORI:
ING. SIMONA DI FRAIA
ING. RAFAL DAMIAN FIGAJ
ING. VINCENZO LUONGO
ANNO ACCADEMICO 2016/2017
INDICE
Obiettivo della tesi
Quadro normativo nazionale sull’efficientamentoenergetico 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
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
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
CASI STUDIOInquadramento 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
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 STUDIOInquadramento degli impianti di depurazione di Acerra e Napoli Nord:
parametri di interesse
Raccolta dati:
Potenze elettriche installate
Ore di funzionamento
Rielaborazione dati:
Consumi elettrici impianto
Consumi elettrici relativi ad ogni trattamento
CASI STUDIOAudit energetico degli impianti esaminati
CASI STUDIOAudit energetico degli impianti esaminati
25%
4.1%
0.4%59%
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
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%
(kW
h/k
gBO
D5
in)
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
𝐼𝑅𝐸𝐵𝑂𝐷 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜𝑑
Portata massica BOD5𝑑𝑖𝑛 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑎𝑙𝑙′𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜
𝜂𝐵𝑂𝐷
CASI STUDIOAudit 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 BOD5 in ingresso (da A a D)
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
BMP (Biochemical Methane Potential):
quantità massima di CH4 ottenibile 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 61.2𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝐼𝑉𝑂𝐿𝐴𝑇𝐼𝐿𝐼𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝐼𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐼
INTERVENTI PROPOSTIDigestione 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
Nutrienti
96 ml
Fango
280 ml
Inoculo
424 ml
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Caratterizzazione dei substrati
Metodologia sperimentale
Napoli Nord 0.35
Acerra0.37
F/M [0,25 – 1]
Nutrienti
96 ml
Fango
280 ml
Inoculo
424 ml
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Caratterizzazione dei substrati
Metodologia sperimentale
704 ml
Nutrienti
96 ml
Fango
280 ml
Inoculo
424 ml
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Caratterizzazione dei substrati
Metodologia sperimentale
704 ml
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Caratterizzazione dei substrati
Metodologia sperimentale
Metodo volumetrico per la
misurazione del biometano
Trappola CO2
H2O
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
CB
P
[mL
CH
4]
Tempo [Giorni]
I1 I2
Risultati
INTERVENTI PROPOSTIDigestione 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
0
500
1000
1500
2000
2500
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0
CB
P
[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
CB
P
[mL
]
Tempo [Giorni]
F2A F2B (F+I)2A (F+I)2B I medio
Risultati
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Caratterizzazione dei substrati
Metodologia sperimentale
ACERRA
NAPOLI NORDAcerra:
• 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
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0
CB
P
[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
CB
P
[mL
]
Tempo [Giorni]
(F+I)2A (F+I)2B I medio
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
ACERRA
NAPOLI NORD
Cumulative Biomethane Production
CARICO SVBMP dipende da:• qualità SV• quantità SV
𝐶𝐵𝑃𝐹𝐴𝑁𝐺𝑂
𝑆𝑉𝑅𝐸𝐴𝑇𝑇𝑂𝑅𝐸
INOCULO
𝐶𝐵𝑃𝐹𝐴𝑁𝐺𝑂 = 𝐶𝐵𝑃𝑇𝑂𝑇 − 𝐶𝐵𝑃𝐼𝑁𝑂𝐶𝑈𝐿𝑂(424 𝑚𝑙)
424
CBP 704 ml
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
SB
P
[Nm
L C
H4/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
SB
P
[Nm
L C
H4/g
SV
]
Tempo [Giorni]
(F+I)2A (F+I)2B
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Specific Biomethane Production
ACERRA NAPOLI NORD
307 [Nm3/tonnSV] 513 [Nm3/tonnSV]
INTERVENTI PROPOSTIDigestione anaerobica: Analisi sperimentali
Specific Biomethane Production
307 [Nm3/tonnSV] 513 [Nm3/tonnSV]
300 [Nm3/tonnSV]
L’impianto di cogenerazione, CHP (Combined Heat and Power),
produce simultaneamente potenza elettrica e termica a partire da
un’unica fonte energetica .
INTERVENTI PROPOSTIImpianto di cogenerazione e di essiccamento termico dei fanghi
BASSA TEMPERATURA:• Aftercooler• Olio• Camicia
Fluido di lavoro: acqua
ALTATEMPERATURA:• Fumi
Fluido di lavoro: aria
USCITA FANGO
L’impianto di cogenerazione, CHP (Combined Heat and Power),
produce simultaneamente potenza elettrica e termica a partire da
un’unica fonte energetica .
INTERVENTI PROPOSTIImpianto di cogenerazione e di essiccamento termico dei fanghi
INGRESSOFANGO
USCITA FANGO
FLUIDO DI LAVORO
FUMI ESAUSTI
Il sotware utilizzato è TRNSYS (Transient System Simulation program).
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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)
Parametri:Geometria digestore (volume digestore,
altezza digestore, perimetro)
Caratteristiche fluido (calore specifico,
densità, conducibilità termica)
Altezza immissione
Altezza estrazione
Coefficiente di scambio termicoTermostato (altezza, Tset 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 PROPOSTIAnalisi 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
PerditePotenze termiche stratificazione
Potenze termiche destratificazione
Potenze termiche dei flussi in ingresso ed uscita
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 PROPOSTIAnalisi simulativa: esempio modellazione
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 PROPOSTIAnalisi simulativa
Analisi energetica economica e ambientale
Ottimizzazione della taglia del CHP
ParametroUnità 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
ηelettrico % 41
ηtermico % 41
Tset point, boiler digestore [°C] 36.9
Tsdc [°C] 37
Potenza termica,boiler digestione [kW] 3000 5000
Potenza termica,boileressiccamento
[kW] 800 1000
Volume digestione [m3] 14500 30000
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
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 PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
ParametroUnità di misura
AcerraNapoli Nord
(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
• Fluido di lavoro: acquaControllo sulla temperatura:
dissipatore per T ≤ 60 °C
• Fluido da riscaldare: fango ispessitoControllo sulla temperatura:
miscelatore e separatore per T ≤ 37°CIntegrazioni termiche ausiliarie:
boiler con Tset,point 36.9 °C
CIRCUITO A BASSA TEMPERATURA
• Fluido di lavoro: ariaIntegrazioni termiche ausiliarie:
boiler Pfumi ≤ Pessiccamento
CIRCUITO AD ALTA TEMPERATURA
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
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 PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
ANALISI
ENERGETICA su base settimanale
ANALISI ENERGETICA,
ECONOMICA ED
AMBIENTALE su base annua
SMALTIMENTO
FANGO
DISIDRATATO
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
ACERRA NAPOLI NORD
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
Ener
gia
ter
mic
a [M
Wh]
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
Ener
gia
ter
mic
a [M
Wh]
tempo [settimana]
ET chp,BT ET SdC ET chp,AT ET essiccamento
essiccatore
fumicamicia
SdC
essiccatore
fumicamicia
SdC
• La camicia (ETchp,BT) produce una quantità di calore
superiore di quella che lo SdC(ETSdC) fornisce al
digestore
• I fumi (ETchp,AT) soddisfano la domanda termica
dell’essiccatore (ETessiccamento)
(ETchp,BT) - (ETSdC) = dissipazioni BT
(ETchp,AT) - (ETessiccamento) =dissipazioni AT
Lo scambiatore di calore (ETSdC) non soddisfa la richiesta termica del digestore (ETfango,DA)
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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
Ener
gia
Ter
mic
a [M
Wh]
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
Ener
gia
Ter
mic
a [M
Wh]
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
Ener
gia
Ter
mic
a [M
Wh]
tempo [settimana]
ET SdC ET boiler,DA ET fango,DA
Integrazioni GN digestore
(ETboiler,DA)
ACERRA
sperimentale
NAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
letteratura
Energie termiche nel circuito a BT
digestore
SdC
digestore
SdC SdC
digestore
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
Ener
gia
pri
mar
ia [
MW
h]
tempo [settimana]
EP bg EP chp EP gn,chp
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
ACERRA
sperimentale
NAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
letteratura
Energie primarie relative al CHP
Richiesta CHP (EPchp):
• mai soddisfatta dal biogas disponibile(EPbg) 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 52E
ner
gia
pri
mar
ia [
MW
h]
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
Ener
gia
pri
mar
i [M
Wh]
tempo [settimana]
EP chp EP chp EP gn,chpbg
integrazioni GN CHP
(EPgn,chp)
CHP
CHP
biogasCHP
biogas
biogas
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
ACERRA
sperimentaleNAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
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
Vo
lum
e [N
m3]
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 52V
olu
me[
Nm
3]
tempo [settimana]
V bg,in chp V bg chp V gn,in chpV 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
Vo
lum
e [N
m3]
tempo [settimana]
V bg,in chp V bg chp V gn,in chp
V gn boiler,tot V bg boiler,tot
• Biogas in ingresso (Vbg,in chp) - biogas utilizzato (Vbg chp) = eccesso biogas
• Integrazione (Vgn,in chp) + biogas in ingresso al CHP = fuel CHP
Eccesso BG utilizzabile per
Napoli Nord-sperimentale
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
Ener
gia
ele
ttri
ca [
MW
h]
tempo [settimana]
EE chp EE riferimento EE integrata
EE autoconsumata EE eccesso EE essiccamento
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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
Ener
gia
Ele
ttri
ca [
MW
h]
tempo [settimana]
EE chp EE riferimento EE integrata
EE autoconsumata EE eccesso EE essiccamento
ACERRA NAPOLI NORD
CHP
richiesta CHP
richiesta
Volumi AcerraNapoli Nord sperimentale
Napoli Nord
letteratura
Vgn,in chp 44 % Vin chp 15 % Vin chp36 % Vin chp
Vbg,in chp 56 % Vin chp 85 % Vin chp64 % Vin chp
Vbg eccesso,chp 0.4 % Vbg,tot 13.7 % Vbg,tot 1.1 % Vbg,tot
Vbg
eccesso,essiccamento
0.4 % Vbg,tot 13.7 % Vbg,tot 1.1 % Vbg,tot
Vbg,scarto 0 % Vbg,tot 10 % Vbg,tot 0 % Vbg,tot
Bilanci su base annua dei risultati: Volumi
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Energie AcerraNapoli Nord sperimentale
Napoli Nord
letteratura
EEautoconsumata 72 % EEchp 65 % EEchp
EEeccesso 28 % EEchp 35 % EEchp
Perdite AcerraNapoli Nord sperimentale
Napoli Nordletteratura
ETdissipata,BT 11 % ETchp,BT 2.2 %ETchp,BT
ETdissipata,AT 2 % ETchp,AT 0.6 %ETchp,AT
Bilanci su base annua dei risultati: Dissipazioni termiche
Bilanci su base annua dei risultati: Energie elettriche
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Bilanci su base annua dei risultati: Analisi energetica, ambientale ed economica e parametri economici
Voci analisi AcerraNapoli Nord sperimentale
Napoli Nordletteratura
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
AcerraNapoli 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 PROPOSTIAnalisi 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
𝜂𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑒 =𝐸 + 𝐻𝑐ℎ𝑝
𝐹≥ 75%
• Risparmio di energia primaria
𝑃𝐸𝑆 = 1 −1
𝐶𝐻𝑃 𝐻𝜂𝑟𝑖𝑓𝐻𝜂
+𝐶𝐻𝑃 𝐸𝜂𝑟𝑖𝑓𝐸𝜂
∙ 100 ≥ 10 %
Si calcola:• Il risparmio energia primaria
𝑅𝐼𝑆𝑃 =𝐸𝑐ℎ𝑝𝜂𝑒,𝑟𝑖𝑓
+𝐻𝑐ℎ𝑝
𝜂𝑡,𝑟𝑖𝑓− 𝐹𝑐ℎ𝑝
• Numero certificati bianchi 93,68 €𝐶𝐵 = 𝑅𝐼𝑆𝑃 ⋅ 0.086 ⋅ 𝑘
DOVE:
K: coefficiente di armonizzazioneEchp : energia elettricaHchp : energia termica utileFchp : energia primariaCHP Eη: il rendimento elettrico cogenerativoCHP Hη: il rendimento termico cogenerativo
Rif Hη: rendimento per la produzione separata di caloreRef Eη: rendimento per la produzione separata di energia elettricaηt,rif : rendimento medio termico nazionaleηe,rif: rendimento medio elettrico nazionale
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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
Ener
gia
Ter
mic
a [k
Wh/a
]
Taglia CHP [kW]
ET chp,BT ET SdCET chp, AT ET boiler,essiccamentoET dissipata,AT ET boiler,daET 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
Ener
gia
Ter
mic
a [k
Wh/a
]
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
Ener
gia
Ter
mic
a [k
Wh/a
]
Taglia CHP [kW]
ET chp,BT ET SdC
ET chp, AT ET boiler,essiccamento
ET dissipata,AT ET boiler,da
ET dissipata,BT
ACERRA
sperimentale
NAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
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 ATSdC
GN dig
diss BTGN ess
diss AT
SdC
GN dig
diss BT
GN ess
diss ATSdC
GN dig
diss BTGN ess
fumi
fumi fumi
cam
cam cam
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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,c
hp
[N
m3/a
]
Vgn,d
a, V
gn,e
ssic
cam
ento
, V
bg,e
cces
so
[Nm
3/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,c
hp
[Nm
3/a
]
Vgn,d
a, V
gn,e
ssic
cam
ento
, V
bg,e
cces
so
[Nm
3/a
]Taglia CHP [kW]
V gn,da V gn,essiccamento
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,c
hp
[N
m3/a
]
Vgn,d
a, V
gn,e
ssic
cam
ento
, V
bg,e
cces
so,
[Nm
3/a
]
Taglia CHP [kW]
V gn,chp V bg,eccesso
V gn,da V gn,essiccamento
ACERRANAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
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 essGN dig
GN CHP
GN essGN dig
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Ottimizzazione taglia CHP: Energie elettriche
ACERRA NAPOLI NORD
0.00E+00
1.00E+07
2.00E+07
3.00E+07
4.00E+07
5.00E+07
500 1500 2500 3500 4500
Ener
gia
Ele
ttri
ca [
kW
h/a
]
Taglia CHP [kW]
EE chp EE proposto EE integrataEE 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
Ener
gia
Ele
ttri
ca [
kW
h/a
]
Taglia CHP [kW]
EE chp EE proposto EE integrataEE 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
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Ottimizzazione taglia CHP: Parametri economici
ACERRA
sperimentale
NAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
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
VA
N,
Inves
tim
ento
[€
]
Del
ta c
ost
o [€
/anno
]
Taglia CHP [kW]
DELTA COSTO VANINVESTIMENTO 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
VA
N,
Inves
tim
ento
[€
]
Del
ta c
ost
o [€
/anno
]
Taglia CHP [kW]
INVESTIMENTO DELTA COSTOVAN 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
VA
N,
Inves
tim
ento
[€
]
Del
ta c
ost
o [€
/anno
]
Taglia CHP [kW]
DELTA COSTO VANINVESTIMENTO 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
VANVAN
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Ottimizzazione taglia CHP: Parametri economici
ACERRA
sperimentale
NAPOLI NORD
sperimentale
NAPOLI NORD
letteratura
-60%
-20%
20%
60%
100%
4.0
9.0
14.0
19.0
24.0
29.0
500 1500 2500 3500 4500IP
[%
]
SP
B [
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 [
%]
SP
B [
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 [
%]
SP
B [
anni]
Taglia CHP [kW]
SPB SPB con incentivo IP IP con incentivo
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
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 1
Ottimizzazione taglia CHP: Parametri economici
La taglia scelta per il CHP:
• è corretta per Acerra e Napoli Nord-letteratura
• può essere ridotta per Napoli Nord-sperimentale
ParametroUnità 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
ηelettrico % 41
ηtermico % 41
Tset point, boiler digestore [°C] 36.9
Tsdc [°C] 37
Potenza termica,boiler digestione [kW] 3000 5000
Potenza termica,boileressiccamento
[kW] 800 1000
Volume digestione [m3] 14500 30000
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 2
ParametroUnità di misura
AcerraNapoli Nord
(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
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 primbiogas ≥ 0.5 P primnom CHP
Alimenta il GASOMETRO:
P primbioga s < 0,5 P primnom CHP
Fuoriesce dal GASOMETRO verso il CHP:
Vgasometro = Vmax Vlavoro = 0.7*Vmax
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 2
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi 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
Volumi AcerraNapoli Nord
sperimentale
Napoli Nord
letteratura
Vbg in dirett,chp 55 % Vbg tot 78 % Vbg tot58 % Vbg tot
Vbg in,gasometro 44 % Vbg tot 8 % Vbg tot41 % Vbg tot
Vbg eccesso,chp 0.4 % Vbg,tot 14 % Vbg,tot 1 % Vbg,tot
Vbg
eccesso,essiccamento
0.4 % Vbg,tot 14 % Vbg,tot 1 % Vbg,tot
Vbg,scarto 0 % Vbg,tot 10 % Vbg,tot0 % Vbg,tot
Bilanci su base annua dei risultati: Volumi
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 2
Perdite AcerraNapoli Nord
sperimentale
Napoli Nord
letteratura
ETdissipata,BT 0.4 % ETchp,BT 1 %ETchp,BT
ETdissipata,AT 1 % ETchp,AT 0.3 %ETchp,AT
Energie AcerraNapoli Nord
sperimentale
Napoli Nord
letteratura
EEautoconsumata 83 % EEchp 75% EEchp 77% EEchp
EEeccesso 17 % EEchp 25 % EEchp 23 % EEchp
EEintegrata 55 % EEproposto 13 % EEproposto 43 % EEproposto
Bilanci su base annua dei risultati: Energie termiche
Bilanci su base annua dei risultati: Energie elettriche
INTERVENTI PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 2
Voci analisi AcerraNapoli Nord
sperimentale
Napoli Nord
letteratura
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 AcerraNapoli Nord
sperimentale
Napoli Nord
letteratura
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 PROPOSTIAnalisi simulativa: Scenario 2
Impianto AcerraNapoli 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 PROPOSTIAnalisi simulativa: Confronto tra gli scenari sull’analisi energetica, ambientale ed
economica
Lo scenario 1 è
maggiormente conveniente
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
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