Generazione combinata di calore ed energia per acque reflue urbane

- Descrizione del sistema: Analisi della produzione di biogas
- Produzione di energia alimentando il CHP con biogas e scenari: Analisi degli scenari proposti; Criteri di accoppiamento del generatore CHP alla stazione di riduzione di pressione del gas naturale
- Benefici ambientali
- Risultati e conclusioni

Il calore ottenuto dal CHP può essere impiegato per coprire i fabbisogni termici di una stazione di riduzione di pressione
del gas naturale. Questo lavoro si basa sull'analisi dei dati disponibili (2009-2018) forniti dal personale tecnico dell'impianto di trattamento dei fanghi.

I dati mostrano forti variazioni delle portate dei fanghi a seguito della variazione del carico di acque reflue in entrata. Poiché, come spesso accade, i dati disponibili non sono sempre correlati né con i flussi di acque reflue in entrata né con la produzione di biogas, è stato necessario mettere a punto un criterio teorico di stima della produzione di biogas, poi assunta come valore di riferimento.

Le energie rinnovabili sono fondamentali per raggiungere gli obiettivi globali necessari per controllare e ridurre gli effetti delle attività antropiche sui cambiamenti climatici, così come indicato dai rapporti del Gruppo Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici (IPCC), dell'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) e dell'Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA)[1].

Il biogas può essere identificato come un possibile combustibile rinnovabile, sostitutivo dei derivati standard dei combustibili fossili. Esso ha origine dalla digestione anaerobica di materiali organici ed è quindi prodotto da un processo di degradazione naturale.

Questo processo può essere efficacemente replicato per stabilizzare i fanghi prodotti dagli impianti di trattamento delle acque reflue urbane, in impianti dedicati. Sebbene, a volte, il biogas venga semplicemente bruciato in torce industriali, può essere accoppiato con successo a tecnologie innovative per ottenere benefici maggiori.

Ad esempio, Mosayeb Nezhad et al. [2] hanno studiato la possibilità di utilizzare il biogas prodotto da un impianto di trattamento delle acque reflue per alimentare sia celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) sia micro-turbine a gas per produrre energia elettrica, coprendo al contempo la domanda termica dei reattori di digestione del fango.

Nel caso in esame, la configurazione proposta può portare interessanti opportunità per un conveniente risparmio energetico. Kluczek [3] ha proposto uno studio ad analisi del ciclo di vita (LCA) basato su un'analisi energetica dinamica per valutare l'intensità energetica e l'impatto ambientale di un sistema di cogenerazione (CHP) alimentato a biogas.

Hamzehkolaei et al. [4] hanno studiato la possibilità di sfruttare il biogas prodotto dal letame per sostituire i combustibili fossili al fine di produrre calore ed elettricità, utilizzando un cogeneratore su piccola scala, dimostrando che questa soluzione tecnica è superiore alle soluzioni convenzionali, sia dal punto di vista economico sia ambientale.

Più recentemente, Wang et al. [5] hanno studiato la possibilità di alimentare un sistema energetico SOFC CHP con biogas, utilizzando un modello gerarchico multiscala. Gli autori hanno studiato gli effetti di diversi parametri (in particolare il rapporto vapore/carbonio, la composizione del biogas e il gradiente di temperatura) sulle prestazioni del sistema.

Stürmer et al. [6] hanno confrontato la produzione di biogas in zone agricole, confrontando diversi parametri tecnici. L'analisi si è concentrata su tre+ paesi (Svizzera, Germania e Austria), considerando i quadri giuridici di ciascuno. Un recente studio di Calbry-Muzyka et al. [7] si è concentrato sulla necessità di trovare soluzioni ad alta efficienza per rimuovere le impurità tipicamente presenti nei flussi di biogas, che costituiscono uno dei principali limiti all'estensivo sfruttamento di questa fonte energetica.

Gli autori hanno condotto una campagna sperimentale, analizzando sia le problematiche relative al campionamento operativo sia alle metodologie di analisi. Inoltre, gli autori hanno indagato le prestazioni del sistema di pulizia del biogas mediante assorbimento, che era stato utilizzato durante le sperimentazioni.

Appare chiaro come il presente lavoro possa essere inquadrato in questo contesto, descrivendo la possibilità di sfruttare il biogas prodotto da un impianto di trattamento di fanghi da reflui urbani per alimentare un cogeneratore, con sviluppo di calore ed elettricità.

Nel caso specifico il calore può essere impiegato dalla stessa Azienda, che distribuisce anche gas naturale nella rete cittadina, per riscaldare una portata di gas naturale prima della riduzione di pressione, al fine di prevenire cadute di temperatura eccessive dopo gli espansori.

La temperatura minima ammessa in questo processo, a valle delle operazioni di riduzione di pressione, è pari a 5 [°C], per evitare la formazione di cristalli di ghiaccio e idrati di metano.

La presente analisi si basa su dati reali misurati dal personale tecnico dell'impianto di trattamento dei fanghi. L'articolo indaga il miglior profilo operativo della cogenerazione e descrive un'analisi dei possibili benefici ambientali in termini di emissioni
di anidride carbonica evitate.

Descrizione del sistema

Gli impianti sono ubicati a Genova (Italia). In Figura 1 viene illustrato il susseguirsi concettuale delle strutture che portano a ottenere il biogas a partire dalle acque reflue. Il punto di partenza è l'impianto dove vengono trattate gli effluenti urbani. Qui si producono sia acqua di processo (depurata) che fanghi non stabilizzati, i quali vengono smaltiti in modo separato.

Le acque di processo vengono scaricate lontano dalla costa direttamente in mare aperto, mentre i fanghi vengono inviati ad un impianto di trattamento fanghi, attraverso un fangodotto. Qui vengono trattati all'interno di digestori anaerobici, producendo fanghi stabilizzati e biogas.

Il processo di stabilizzazione è necessario per arrestare la decomposizione delle biomasse fangose, consentendo di smaltire in modo sicuro i fanghi stabilizzati (es. discariche, trattamento termico). In questo impianto, il biogas viene solitamente reimpiegato per produrre calore, necessario per mantenere l'operatività della digestione anaerobica.

Vicino alla struttura di trattamento dei fanghi è situata una stazione di riduzione di pressione del gas naturale (fig. 2): questo processo richiede una fase di preriscaldamento del gas, che viene mantenuta utilizzando parte del gas naturale appena espanso. Una particolarità di questa stazione di riduzione di pressione è la presenza di un turboespansore, oltre alle classiche valvole Joule-Thomson [8].

Questa scelta tecnica, seppur più costosa, permette di produrre energia elettrica. Ecco, quindi, che il flusso di calore prodotto dal biogas può essere vantaggiosamente utilizzato nel CHP della stazione di riduzione della pressione del gas naturale, evitando la necessità di bruciare parte del gas naturale stesso ed incrementando la produzione elettrica del turbogas.

Produzione di energia alimentando il CHP con biogas e scenari

I valori di efficienza di rendimento termico ed elettrico sono stati ottenuti dalle specifiche tecniche del cogeneratore e non variano commutando l'alimentazione del motore tra gas naturale o biogas. Il minor potere calorifico (LHV) del biogas dipende dalla concentrazione di metano che solitamente è pari al 60÷65% in volume.

Considerando un valore di riferimento LHV per il metano pari a 35.2 [MJ/Nm3] (ovvero 9.79 [kWh/Nm3]), il potere calorifico inferiore del biogas è stimato in media a 22.2 [MJ/Nm3] (ovvero 6.15 [kWh/Nm3]). L'analisi viene effettuata considerando due diversi scenari, che rappresentano la diversa disponibilità di biogas.

Per entrambi gli scenari si assume una produzione annua totale di biogas pari a quella calcolata nel precedente paragrafo, vale a dire che l'impianto di trattamento dei fanghi funzioni a pieno regime con una produzione specifica di 0.015 [Nm3/ae?giorno], cui corrisponde una produzione di biogas pari a 1.3 milioni di Nm3/a.

Il primo scenario proposto presuppone che tutto il biogas prodotto durante l'anno sia utilizzato per alimentare il generatore CHP, sfruttando tutto il calore ottenuto per preriscaldare unicamente il gas naturale prima dell'espansione, e cedendo l'energia elettrica alla rete nazionale.

Il secondo scenario proposto ipotizza che la produzione di biogas possa essere sfruttata sia per alimentare il generatore CHP sia per riscaldare i reattori di trattamento dei fanghi, alimentando una caldaia a gas.

Questo processo di riscaldamento è obbligatorio per mantenere efficiente la digestione anaerobica dei fanghi, che si ottiene ad una temperatura di processo sufficiente a garantire la continuità del trattamento biologico dei fanghi e della produzione di biogas. In questo secondo caso, dato che si alimenta la caldaia del digestore, la quantità di biogas disponibile per il generatore CHP dovrà essere decurtata della quota già consumata dalla caldaia del digestore.

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che comprende analisi più approfondite, risultati e conclusioni.