Comparative evaluation of scenarios for the supply of the thermal and electrical energy to the city of Brescia and the role of the waste to energy plant

Reducing emissions and limiting the use of fossil fuels in the residential sector are central topics today and in the future. Finding solutions that guarantee high reliability and comfort, but are less impacting from an environmental and energy point of view is one of the challenges of these years. In this perspective, efficient district heating networks can play an important role in satisfying the heat demand for locations with a high population density. This thesis work aims to evaluate six possible scenarios for the evolution of the district heating network of the city of Brescia and the plants connected to it, with a particular focus on the role of the Waste-to-Energy plant (WtE). First a deep analysis of the existing heat and power generation plants currently supplying heat to the district heating network is carried out, then the future mid-term (10 years) electrical and thermal demands are assessed, based on the data made available by A2A (the operator of the plants and the district heating network). Finally, six scenarios are set to be evaluated. All scenarios include the integration of new "smart" technologies into the current district heating network, such as: solar thermal, heat pumps, a flue gas condensation system at the waste-to-energy plant and thermal storages. Furthermore, the study also analyzes the expected consequences of, respectively, the reduction of treatment capacity of the WtE plant (namely the closure of the third line), the shutdown of the coal-fired power plant and the expansion of the district heating network. The operational management of the systems supplying heat to the district heating network is optimized in twelve typical days for each scenario, so as to minimize the operational expenditures. The analysis shows that, compared to the current case, the capacity reduction of the WtE plant is disadvantageous in terms of fossil energy consumption and CO2 emissions, while it involves a reduction in local emissions (SO2, NOX, total suspended particles). However, the analysis of the results suggests that the solution to be preferred is the closure of the coal fired plant, as it entails benefits for all the economic, environmental and energy parameters analyzed in the study. The analysis shows that the scenarios that assume the expansion of the district heating network feature better results in terms of energy and environment impact than the respective scenarios without expansion. The scenario with the least impact in terms of emissions and energy consumption is “Scenario C+”, which envisages the closure of the coal fired plant and the expansion of the network. With respect to the current situation, it entails a fall in SO2 emissions of 95.2%, a 5.6% decrease in CO2 emissions and a 3.2% decrease in fossil energy consumption.

La riduzione delle emissioni e la limitazione dell’uso di combustibili fossili nel settore residenziale sono argomento di discussione centrali sia oggi che in prospettiva futura. Trovare soluzioni che permettano di garantire elevata affidabilità e comfort, ma siano meno impattanti dal punto di vista ambientale ed energetico è una delle sfide di questi anni. In questa prospettiva, le reti di teleriscaldamento efficienti possono avere un importante ruolo nel soddisfacimento di richiesta di calore per località ad alta densità abitativa. Questo lavoro di tesi si propone di valutare sei possibili scenari per l’evoluzione della rete di teleriscaldamento della città di Brescia e degli impianti ad essa connessa, con un’attenzione particolare al ruolo del Termovalorizzatore. Prima è stata condotta un’approfondita analisi degli attuali impianti di generazione di calore e di energia elettrica, successivamente si sono stimati i futuri fabbisogni termici e elettrici, grazie ai dati resi disponibili da A2A (operatore della rete di teleriscaldamento e degli impianti ad essa connessi). Infine, sei scenari futuri sono settati per essere valutati. Tutti gli scenari prevedono l’integrazione nell’attuale rete di teleriscaldamento di nuove tecnologie “smart”, quali: solare termico, pompe di calore, un sistema di condensazione fumi presso il Termoutilizzatore e per finire l’installazione di accumuli termici addizionali. Lo studio analizza inoltre, anche le conseguenze che avrebbero, rispettivamente: la riduzione della capacità di trattamento del Termoutilizzatore (coincidente con la chiusura della terza linea del Termoutilizzatore), lo spegnimento del gruppo cogenerativo a carbone della centrale di potenza e l’espansione della rete di teleriscaldamento. La gestione operativa degli impianti che producono calore per la rete di teleriscaldamento è ottimizzata in dodici giorni tipo in modo da minimizzare le spese di gestione. Dall’ analisi, a valle dell’ottimizzazione, risulta che, rispetto allo scenario attuale, la riduzione di capacità del Termoutilizzatore è svantaggiosa in termini di consumo di energia fossile e di emissione di CO2, mentre comporta una diminuzione di emissioni locali (SO2, NOX, particelle solide totali). Ad ogni modo, l’analisi suggerisce che la soluzione da preferirsi è la chiusura del gruppo a carbone, in quanto comporta benefici per tutti i parametri analizzati nello studio. Dall’ analisi si evince anche che gli scenari con la rete di teleriscaldamento ampliata comportano risultati migliori in termini energetici e ambientali rispetto ai rispettivi scenari senza ampliamento. Lo scenario meno impattante in termini di emissioni e di consumo energetico risulta essere lo scenario C+, il quale prevede la chiusura del gruppo a carbone e l’ampliamento della rete. Esso comporta rispetto al caso attuale un calo delle emissioni di SO2 del 95,2%, una diminuzione del 5,6 % delle emissioni di CO2 e una diminuzione del 3,2 % dell’energia fossile utilizzata.