Esame di Stato per l'abilitazione alla professione di Ingegnere Sezione A: Impianto a biometano da biogas da digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU)

PER UN IMPIANTO A BIOMETANO DA BIOGAS DA DIGESTIONE ANAEROBICA

DELLA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI SOLIDI URBANI (FORSU)

Il candidato proceda alla valutazione preliminare della potenzialità di un impianto di

Traccia:

digestione anaerobica alimentato con la frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU)

finalizzato alla produzione di biometano, ottenibile a seguito della depurazione del biogas ottenuto

28.260,60 tonnellate di FORSU

dai suddetti rifiuti. 3.

al MJ/m

Si richiede in particolare:

la stima del quantitativo di biogas e biometano ottenibile;

la produzione di energia termica ed elettrica in un impianto di cogenerazione che utilizza il

biometano prodotto;

la definizione della potenza elettrica e termica ;

analisi delle principali voci di costo e ricavi ;

il dimensionamento del digestore anaerobico;

- ricavi, in particolare, si prendano in considerazione le misure incentivanti previste

dalla normativa vigente ai fini della promozione della produzione di biometano e di energia da fonti

rinnovabili, differenziando il caso in cui il biometano sia usato per cogenerazione o per autotrazione

Per i dati non forniti esplicitamente (es. produzione di biogas per tonnellata di FORSU trattata,

percentuale di metano nel biogas, rendimento termico ed elettrico del cogeneratore, ecc.) il

candidato assuma i valori che ritiene opportuni in base alle proprie conoscenze.

Relativamente alle ore di funzionamento annue dell , si considerino 8000 ore/anno,

corrispondenti a circa 333 giorni/anno.

NOTA. Lo svolgimento della traccia sia effettuato inserendo annotazioni di carattere tecnico circa

le scelte effettuate, commentando il procedimento di calcolo, esplicitando i valori assegnati ai

parametri non forniti da traccia e richiamando, infine, le normative ove applicate.

1

SVOLGIMENTO

Legenda colori delle tabelle di calcolo

Valori tipici da letteratura tecnica

Valori di input o variabili per tipologia d'impianto

Principali risultati del foglio di calcolo

Il biometano è il biogas prodotto dalla digestione anaerobica di sostanze organiche depurato degli

Per digestione anaerobica si intende il processo di

trasformazione della sostanza organica da condursi in reattori chiusi (digestori), in completa

assenza di ossigeno (anaerobiosi) con formazione di un gas costituito prevalentemente da CH 4

e CO (biogas). Il biogas, a suo volta, può essere generato dalla digestione anaerobica di vari

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substrati, tra cui la frazione organica dei rifiuti solidi urbani da raccolta differenziata (FORSU).

impianto assegnata da traccia (ton/anno di FORSU da

gestire) è possibile risalire alla quantità di biogas e successivamente biometano producibile,

facendo riferimento a valori tipici del potenziale di biogas reperibili nella letteratura tecnica di

settore ed assumendo, come percentuale tipica di biometano nel biogas, il 60 %.

Capacità di trattamento FORSU = 28.260,60 ton/anno

3

Produzione specifica biogas da FORSU Biogas = 158,00 m /ton FORSU

Percentuale biometano nel biogas Biometano = 60 % 3

Potere calorifico inferiore metano PCI = 36 MJ/m

CH4 3

Biogas prodotto BIOGAS = 4.465.175 m /anno

annuo 3

Biometano prodotto BIOMETANO = 2.679.105 m /anno

Produzione energetica lorda E = 96.447.776 MJ/anno

(:3600) 26.791 MWh/anno

3

Si osserva che il valore di produzione specifica di biogas espressa in m di biogas per tonnellata di

3

FORSU (158 m /ton nella tabella che segue) è stato determinato considerando che le biomasse sono

costituite da tre componenti essenziali acqua, solidi volatili (SV) e ceneri e che alla

contenuto di frazione organica presente del substrato. Alla FORSU (Fonte: Gruppo Ricicla) è

27,03%

associato un contenuto di solidi volatili del 3

della FORSU tal quale (TQ). Ipotizzando una resa di biogas di 525 m di biogas per tonnellata di

3

solidi volatili (0.525 m /kg) e nota la percentuale di solidi volatili presenti nei solidi totali è

3

stato possibile determinare con una semplice divisione la resa espressa in termini di m di biogas

per tonnellata di solidi volatili. Nota, infine, la percentuale di solidi volatili nella FORSU tal quale,

3

si ricava la resa come m di biogas per tonnellata di FORSU trattata. 3 per ton FORSU)

Da dove viene fuori la produzione specifica di biogas in tabella (m

Percentuale solidi volatili sui totali % SV su ST = 89,58 %

Percentuale solidi totali sul tal quale % ST su TQ = 27,03 %

Percentuale solidi volatili sul tal quale % SV su TQ = 24,21 %

3

Produzione specifica biogas BIOGAS = 525 m /ton

per ton. SV biogas SV

3

BIOGAS = 586 m /ton

per ton. ST biogas ST

3

BIOGAS = 158,41 m /ton

per ton. TQ biogas FORSU

3

BIOGAS = 0,158 m /kg

per kg TQ biogas FORSU

Considerando poi i giorni e

semplice divisione la produzione oraria e giornaliera di biogas e biometano.

Ore di funzionamento annue h = 8.000 h/anno

Giorni di funzionamento annui (:24) giorni = 333 giorni/anno

3

Produzione oraria biogas BIOGAS = 558 m /h

orario 3

Produzione giornaliera biogas BIOGAS = 13.396 m /d

giornaliero 3

Produzione oraria biometano BIOMETANO = 335 m /h

orario 3

Produzione oraria biometano BIOMETANO = 8.037 m /d

giorn

Per stimare la produzione di energia termica ed elettrica effettivamente prodotta, qualora il

biometano fosse impiegato in assetto cogenerativo, si rende necessaria la preliminare stima del

rendimento termico ed elettrico del cogeneratore. La moltiplicazione di tali rendimenti per la

produzione energetica lorda prima determinata consente di ottenere la produzione termica ed

energetica effettiva.

Rendimento elettrico cogeneratore = 35,00 %

ELETTRICO

Rendimento termico cogeneratore 50,00 %

=

TERMICO

Produzione en. elettrica E = 9.377 MWh /anno

ELETTRICA ELETTR

Produzione en. termica E = 13.396 MWh /anno

TERMICA TERM

Potenza elettrica impianto P = 1,17 MW

ELETTRICA EL

Potenza termica impianto P = 1,67 MW

TERMICA T

Terminata questa prima fase di stima della producibilità di biogas e biometano da FORSU, si passa

alle considerazioni di carattere economico. Fonti di letteratura suggeriscono, per la stima del costo

di produzione del biometano upgrading; con tale termine si intendono i costi

sostenuti per la trasformazione di biogas in biometano. Per garantire una qualità del biometano

analoga a quella del gas naturale in rete, infatti, è necessario aumentare la percentuale di CH nel

4

biogas grezzo ed eliminare l'anidride carbonica e le impurezze; la rimozione delle impurità evita la

nze tossiche e/o

inquinanti. Per la rimozione dell'anidride carbonica - elemento non combustibile - esistono diverse

tecnologie presenti sul mercato tra cui: adsorbimento per oscillazione di pressione, lavaggio ad

acqua in pressione, lavaggio amminico, lavaggio monoetanolamminico (MEA), lavaggio

dietanolamminico (DEA), separazione a membrana, metodo criogenico, ecc.

Analisi dei costi 3

= 0,90

Costo produzione biometano * C

u biometano

3

* valore tipico per impianti di potenzialità dell'ordine di 500 m /h

Per quanto riguarda i ricavi, prima ancora della valutazione degli incentivi spettanti, va considerato

il corrispettivo che il gestore di un impianto di trattamento di FORSU riceve per effettuare

operazioni di recupero su tale matrice. In particolare valori tipici cui viene pagato il ritiro di

-

pretrattamenti) che tale presa in carico comporta (generalmente del 60-

netto ricavato dal servizio offerto si aggira sui 25-

Analisi dei ricavi

Ricavo netto unitario da ritiro FORSU R = 26,00

u FORSU

Ricavo da ritiro FORSU R = 734.775,60

Per quanto riguarda gli incentivi, attualmente la promozione della produzione ed uso di biometano è

disciplinata dal DM 5 dicembre 2013. Il Decreto prevede tre tipologie di incentivazione per il

un incentivo monetario per il biometano immesso nella rete di trasporto o di distribuzione

del gas naturale, senza specifica destinazione d'uso;

il rilascio di Certificati di Immissione in Consumo (CIC) per il biometano immesso nella

rete del gas naturale con destinazione specifica per i trasporti;

un incentivo monetario per il biometano immesso nella rete del gas naturale e utilizzato in

impianti di cogenerazione ad alto rendimento.

Nel primo caso, con Biometano immesso nella rete di trasporto e distribuzione del gas naturale

senza specifica destinazione, è valutato sulla base dei MWh immessi al netto dei

re, è pari alla differenza tra il

doppio del prezzo medio annuale del gas naturale riscontrato nel 2012 nel mercato di

bilanciamento del gas naturale gestito dal Gestore dei Mercati Energetici ( ), e il prezzo

medio mensile del gas naturale nel medesimo mercato riscontrato in ciascun mese di immissione del

biometano nella rete. Il valore dell'incentivo, così determinato, viene poi modulato sulla base della

in particolare: è incrementato del 10% per impianti con taglie

fino a 500 standard metri cubi/ora di capacità produttiva; non subisce variazioni per impianti da 501

3 3

a 1000 std m /ora di capacità produttiva; è ridotto del 10% per impianti oltre 1000 std m /ora.

Autoconsumo en. Elettrica 7,00 %

(su produzione)

Autoconsumo en. Termica 10,00 %

(su produzione)

Produzione elettrica netta En. El. netta = 8.720,49 MWh /anno

ELETTR

Produzione termica netta En. Term. netta = 12.055,97 MWh /anno

ELETTR

Opzione 1. Immissione in rete senza specifica destinazione d'uso

Rif. DM 5 dicembre 2013 - Modalità di incentivazione del biometano immesso nella rete del gas naturale

Prezzo medio gas naturale 2012 P = 0,28

gas nat 2012

PCI gas naturale PCI = 0,0096 MWh/Smc

gas nat

Prezzo espresso in termini energetici P = 29,17

gas nat 2012

Prezzo medio mensile attuale (ipotesi) P = 30,00

gas nat 2012

Incentivo base (2 x P - P ) Inc = 28,33

2012 attuale base

Incremento = 10,00 %

Incremento per cap.prod.< 500 smc

Incentivo finale risultante Inc = 31,17

finale

Nel secondo caso, Biometano utilizzato nei trasporti previa immissione nella rete del gas naturale,

rilascio di Certificati di Immissione in Consumo (CIC) per il biometano immesso in

consumo nei trasporti. Il singolo certificato vale 10 GCal, tuttavia sono previste delle maggiorazioni in base

alla materia prima utilizzata tra queste la FORSU che consentono di applicare il double counting, ossia si

ha diritto ad 1 CIC ogni 5 Gcal anziché ogni 10.

Opzione 2. Ricavo da immissione in rete per autotrazione

Rif. DM 5 dicembre 2013 - Modalità di incentivazione del biometano immesso nella rete del gas naturale

Valore cert. immiss. Biocarburanti 1 CIC = 5,82 MWh

EL

ossia 0,17 CIC/MWh EL

Valore del CIC (ipotesi) Valore = 400,00

ossia 68,79

Certificati spettanti Inc = 2.073,25 CIC/anno

energia elettrica prodotta in impianti di cogenerazione ad alto