Utilizzo delle energie da fonti rinnovabili: un prototipo finanziato da U.E. (HORIZON 20.20)

Utilizzo delle energie da fonti rinnovabili:
Un prototipo finanziato dalla U.E. [HORIZON 20.20.]
Mercoledi 13 giugno 2018
Marco Acri – SMAT
Torino, 13-14 Giugno 2018 Centro Ricerche SMAT
Gerardo Scibilia - SMAT
Marta Gandiglio – Politecnico

DEMOSOFC
Recupero energetico da acque
reflue tramite fuel cells
I partner di
Torino, 13-14 Giugno 2018 Centro Ricerche SMA
4.500.000 €

44
Il progetto DEMOSOFC - info
COSA?
Il progetto DEMOSOFC mira a dimostrare la fattibilità tecnica ed economica di un sistema
con celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) da 174 kWe alimentato a biogas
DOVE?
Il DEMO è stato installato all’interno del depuratore di Collegno (Torino), gestito da SMAT
QUANDO?
L’impianto è in fase di collaudo e verrà avviato in modo definitio nelle prossime settimane.
CHI?
POLITECNICO DI TORINO (IT): coordinatore del progetto
CONVION (FI): fornitore della tecnologia SOFC
SMAT (IT): proprietario del sito, utilizzatiore dell’energia prodotta
VTT (FI): analisi delle performance dell’impianto
IMPERIAL COLLEGE (UK): analisi e prospettive di business per la tecnologia

55
Il progetto DEMOSOFC - Obiettivi
 1. Realizzazione ed analisi di un impianto di cogenerazione di taglia industriale (174
kWe) basato sulla tecnologia SOFC (celle a combustibile ad ossidi solidi), alimentato
da un combustibile rinnovabile (biogas dai fanghi di depurazione) all’interno di una
realtà industriale: efficienza elettrica, recupero termico, zero emission e integrazione
con l’impianto esistente.
 2. Sfruttamento dei risultati ed analisi di business per replicare questo tipo di
sistemi innovative
 3. Diffusione dei risultati (energetici ed economici)
Il più grande impianto
industriale con tecnologia
SOFC in Europa (174 kWe + 90
kWth) alimentato da biogas da
fanghi di depurazione

66
Cella a combustibile ad ossidi solidi - SOFC
Le pile a ossido solido (SOFC temperature da 800 a
1.000 °C. L'ossigeno passa attraverso un materiale
ceramico (zirconia drogata con ossido d'ittrio) per
raggiungere il combustibile. I combustibili oltre
all'idrogeno, anche gli idrocarburi metano che possono
effettuare il cosiddetto "reforming interno«. Grazie alle
alte temperature raggiunte si può effettuare il recupero
termico in regime di cogenerazione.

L’IMPIANTO DEMO DI
COLLEGNO (TO)

88
Il depuratore SMAT di Collegno
Carico entrante al
depuratore di
Collegno: 180’000 P.E.
# 50 in Europa per
carico entrante
Biogas veniva bruciato
in caldaia per
produzione acqua
calda per
riscaldamento fanghi
8Torino, 13-14 Giugno 2018 Centro Ricerche SMAT

1010
Il progetto DEMOSOFC - layout

1111
Layout impianto DEMOSOFC
LOCALE
QUADRI E SALA
CONTROLLO
3 MODULI SOFC
174 kWe (3 x58
kWe)
STAZIONE DI
TRATTAMENTO
BIOGAS
(PURIFICAZIONE E
COMPRESSIONE)

1212
Sistema di trattamento biogas
C64
C64
CKC
C64
Livello di
purificazione
richiesto per le
SOFC
H2S: 30 ppb
Silossani: 10 ppb
C64
CKC

1313
Sistema di trattamento biogas
REATTORI CON
CARBONI
ATTIVI
COMPRESSOR
E
ANALIZZATORE
GAS ONLINE

1414
Il modulo SOFC
Vantaggi
» Elevata efficienza elettrica (55%)
» Zero emissioni inquinanti
» Adatta a diversi combustibili
» Sistema scalabile da kW a MW
Flussi in
ingresso:
- Biogas (4
bar)
- Aria
ambiente
- Aria
compressa
(solo in
avviamento)
- Miscela NH
mix (per
standby)
Flussi in uscita:
- Potenza
elettrica
- Potenza
termica (acqua
ad 80°C)
- Fumi (solo CO2
ed H2O)
L’elettricità
generata dai 3
moduli SOFC sarà
in grado di coprire
il 25-30% dei
consumi elettrici
del depuratore

1515
Il modulo SOFC
Micro
turbina
Motore a
combustione
interna
SOFC
Efficienza elettrica 28.0% 38.5% 53-55%
Efficienza termica 45.9% 23.3% 27%
Efficienza totale 74% 62% 80%
Emissioni CO2 798 580 422
Contaminant
e
Emissioni da motore a
combustione interna
Emissioni da SOFC
Total PM 2.31 mg/Nm3 -
NOx 443 mg/Nm3 < 1.23 mg/Nm3
SOx 25.8 mg/Nm3 trascurabile
CO 353 mg/Nm3 < 12.31 mg/Nm3
H2S < 0.2 mg/Nm3 -
VOC 659 mg/Nm3 < 2.46 mg/Nm3
HCl 0.38 mg/Nm3 -
HF < 0.2 mg/Nm3 -Torino, 13-14 Giugno 2018 Centro Ricerche SMAT

1616
Sistema di recupero termico
CIRCOLATORI SCAMBIATOR
E ACQUA-
FANGHI
Acqua calda (42-
78 °C da progetto)
in grado di coprire
dal 50 al 100%
(inverno-estate) del
carico termico
richiesto dai fanghi
in ingresso al
digestore (SST
2%)

1717
Sistema di controllo

1818
LA SQUADRA e l’impianto

Potenziali applicazioni dei
sistemi SOFC

2020
Analisi di business e potenziale di mercato
European Database UWWTD (Urban Waste Water
Treatment Directive)
• I maggiori 10 depuratori d’Europa
trattano il 5.4% dell’intero carico
europeo
• Gli impianti dal numero 11 al 1000
(3% di tutti i depuratori presenti)
trattano il 46% del carico europeo

2121
Analisi di business e potenziale di mercato
 Carico minimo per la produzione di biogas da fanghi: 20’000 P.E.
(20’000 P.E. ~ 40 kW SOFC) + solo depuratori con trattamento biologico
secondario
 Produzione specifica di biogas: 10-29 litri/P.E./giorno
(valore utilizzato: 10 l biogas/P.E./day)
 Contenuto di metano: 65%
 Fattore di utilizzo: 95%
 Efficienza elettrica SOFC: 53%
Potenziale produzione
di biogas in EU
1.86 - 5.44 miliardi
m3/y
Potenziale
installazione di SOFC
in EU
930 - 2550 MWel
Torino, 13-14 Giugno 2018 Centro Ricerch

2222
 I sistemi con celle a combustibile SOFC
garantiscono performance elevatissime in
termini di efficienza elettrica ed emissioni
zero.
 I sistemi SOFC possono essere installati in
impianti di qualsiasi taglia, poiché le
performance sono indipendenti dalla taglia.
 I sistemi SOFC possono configurarsi come una
soluzione per la cogenerazione da biogas in
grado di avvicinare i depuratori verso il target
di autosufficienza energetica.
 Progetti come DEMOSOFC sono essenziali per
muovere il mercato verso economie di scala
tali da ridurre il prezzo della tecnologia.

Recupero energetico con motori a combustione interna presso
l’impianto di Castiiglione T.se (3 millions ae)
Caterpillar 16 piston h=32%
4 MW installed
24 GWh/year
Jenbacher 2 stroke h=25%
4 MW installed
8 GWh/year
Jenbacher 4 stroke
h=41% 5,4 MW
installed 32
GWh/year
1984
1993
2009

BIOGAS DA IMPIANTI DI DEPURAZIONE IN ITALIA
Present biogas production in Italy from sewage sludges Nm3/y
p.e. in Italy 75.192.000 p.e.
p.e. in plants > 100.000 p.e. around 40%
p.e. in plants > 100.000 p.e. 30.000.000 p.e.
Biogas production per p.e. 0,015 Nm3/d/p.e.
Possible max biogas production (all plants > 100.000 p.e.)
165.000.000
Nm3/y
Possible max biogas production with advanced technologies
(+40%) 230.000.000
Nm3/y
1.000 GWh energy
1.400 GWh energy

Impianto di
depurazione
delle acque
reflue
Produzione di
fango e biogas
Cogenerazione:
Motore a
combustione
interna
Produzione di
biometano
Cogenerazione:
SOFC
Utilizzo
per
trasporti
Immission
e nella
rete di gas
naturale
SCENARI DI UTILIZZO DEL
BIOGAS NEGLI IMPIANTI DI
DEPURAZIONE

Base case
wastewater
treatment plant
Medium size WWTP:
170.000 p.e.
(like Collegno WWTP)
Equivalent population 170.000 pe
Sludges before digestion
TSS 50 g/pe/d
TSS 8.500 kg/d
VSS/TSS 0,7
VSS 5.950 kg/d
thickened sludge %TSS 6,0%
Q sludge to digestion 142 m3/d
peak delta T (winter) 25 °C
thermal energy for sludge heating 14.825 MJ/d
heat losses from digestor 10%
heat losses from digestor 1.483 MJ/d
overall heat exchange efficiency 85%
Max Thermal power needed 222 kW
medium delta T (year) 20 °C
Yearly thermal energy needed 15.349 MJ/d
Biogas production
productivity 0,360 Nm3/kg SSV
Biogas production 2.142 Nm3/d
%CH4 60%
CH4 1.285 Nm3/d
Heat value CH4 36 MJ/Nm3
Daily biogas energy 46.267 MJ/d
13 MWh/d
536 MW
4691 MWh/y
Collegno WWTP
produces less sludge
50% and less biogas
because of ozonolysis
Sludges (dry weight)
Assumption:
sludge thickening is
already in place
(otherwise extra
thermal energy
needed)
BIOGAS USES SCENARIOS
FOR A BASE CASE WWTP

Base case
wastewater
treatment plant
Sludge and
Biogas
production
Cogeneration:
Internal
Combustion
Engine
Biomethane
production
Cogeneration:
SOFC
Use in
transport
Natural
Gas grid
input

Cogeneration:
Internal
Combustion
Engine
Biogas
Daily biogas energy 13 MWh/d
536 MW
4691 MWh/y
ICE
capacity factor 80%
elec. Efficiency 38%
installed power 250 kW
Elec. Energy production 1.783MWh/y

Cogeneration:
Internal
Combustion
Engine
CAPEX
engine specific cost 1.200euro/kW
engine installed power 250kW
engine 300.000euro
post combustor 200.000euro
TOT CAPEX 500.000euro
OPEX
labor cost (1 man) 60.000euro/y
consumables and ordinary maintenance 15.000euro/y
postcombustor operation 15.000euro/y
TOT OPEX 90.000euro/y
complete maintenance (every 5 y) 180.000euro/5y
REVENUES
energy value with eco-incentive «tariffa omnicomprensiva 111euro/MWh
electrical energy cost (for auto-use) 140euro/MWh
year electrical energy 1.782,572MWh/y
value with eco-incentive - euro/y
value without eco-incentive 249.560euro/y
WWTPs use a lot of
energy: auto-use is
economically favorable
(energy cost is higher
than eco-incentive)

Cogeneration:
Internal
Combustion
Engine
-€ 600.000
-€ 400.000
-€ 200.000
€ 0
€ 200.000
€ 400.000
€ 600.000
€ 800.000
€ 1.000.000
€ 1.200.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
NPV
Years
ICE
Net Present Value
New engine
Complete
maintenance
Good option for
this size of
WWTP plant

Base case
wastewater
treatment plant
Sludge and
Biogas
production
Cogeneration:
Internal
Combustion
Engine
Biomethane
production
Cogeneration:
SOFC
Use in
transport
Natural
Gas grid
injection

05/12/13 Vecchia Remunerazione
per utilizzo nei trasporti 0,43 €/Nm3 di biometano
05/12/13 Vecchia Remunerazione
per immissione in rete 0,34 €/Nm3 di biometano
05/03/18 Remunerazione del biogas per produzione di “biometano avanzato”
da impianti di depurazione legato all’utilizzo per trasporti 0,84 €/Nm3
CIC Valore doppio

Biogas
Daily biogas energy 13 MWh/d
536 MW
4691 MWh/y
SOFC
capacity factor 96%
elec. Efficiency 53%
installed elec. power 300 kW
Elec. Energy production 2.486MWh/y
thermal efficiency 32%
thermal power available 181kW
Additional thermal power needed 44kW
natural gas for thermal power 4,4Nm3/h
Cogeneration:
SOFC
Thermal energy availability is criticall
sludge thickeing is very important and
some natural gas is needed

Cogeneration:
SOFC
CAPEX
nominal power 300kW
Stack specific cost 5.500euro/kW
Stack cost 1.650.000 euro
Added systems cost (50% of stack) 825.000 euro
Biogas cleaning specific cost 1.200 euro/kW
Biogas cleaning 360.000 euro
TOT CAPEX 2.835.000 Euro
OPEX
labor cost (30% 1 man) 18.000 euro/y
natural gas for thermal power 11.563
consumables and ordinary maintenance 20.000 euro/y
TOT OPEX 49.563 euro/y
stack replacement (every 4 y) specific cost (relative to initial) 40%
stack replacement (every 4 y) specific cost 2.200 euro/kW
stack replacement (every 4 y) 660.000 euro/4y
REVENUES
energy value with eco-incentive 111euro/MWh
electrical energy cost (for auto-use) 140euro/MWh
year electrical energy 2.486,219MWh/y
value with eco-incentive -euro/y
value without eco-incentive 348.071euro/y

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