UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II · Casi studio - Inquadramento degli impianti di...

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



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




Napoli Nord 0.35

Acerra0.37

F/M [0,25 – 1]

Nutrienti

96 ml

Fango

280 ml

Inoculo

424 ml




704 ml




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




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




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


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


ACERRA

NAPOLI NORD


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


Specific Biomethane Production

ACERRA NAPOLI NORD

307 [Nm3/tonnSV] 513 [Nm3/tonnSV]


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



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


POTENZA ELETTRICA:

• autoconsumata

• integrata

• immessa in rete

POTENZA TERMICA:

• a bassa temperatura

• ad alta temperatura

• dissipazioni

PORTATE:

• gas naturale

• biogas

RISULTATI ANALISI IN DINAMICO


ANALISI

ENERGETICA su base settimanale

ANALISI ENERGETICA,

ECONOMICA ED

AMBIENTALE su base annua

SMALTIMENTO

FANGO

DISIDRATATO


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)


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]


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]


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


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


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


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


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


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


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


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


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 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


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


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


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



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]


-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 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



La taglia scelta per il CHP:

• è corretta per Acerra e Napoli Nord-letteratura

• può essere ridotta per Napoli Nord-sperimentale


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



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



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


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


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


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


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

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II · Casi studio - Inquadramento degli impianti di...

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