Improvement of the energy and environmental performance of wooden biomass district heating systems

The research originates in the framework of the new target and challenges for the exploitation of thermal renewable sources in Italy. The PhD research has been developed with the support of Innovhub and the technical collaboration with Fiper and it is aimed at investigating technical solutions to enhance the energy and environmental performance of Wooden Biomass District Heating Systems (BDHS), a sporadic but consolidated practice in Italy, especially in northern regions. A preliminary assessment of the energy and environmental performance of this technology in the Italian context, carried out in the first phase of the research project, highlighted some criticalities hindering an effective diffusion and evolution of these systems. However, the study highlighted also a big room for improvements under the technical, energy and environmental point of view and the lack of a suitable national policy addressing the issue with a holistic approach. Indeed, due to the actual support schemes, BDHSs, and in particular co-generative (CHP) cases, tend to prioritize electricity production instead of thermal efficiency with the aim of maximizing profits from selling electricity to the grid. After a preliminary phase in which the technological framework and the national state of art have been reviewed and acknowledged, underlining existing pros and cons and possible evolution paths, a TRNSYS dynamic simulation model has been developed on a selected BDHS case study. This activity represents the core of the PhD research. After the phase of calibration and validation, several improving scenarios have been defined and simulated in order to test different technological improvements for enhancing the energy and environmental performance of existing systems. A technical economic analysis has also been accomplished in order to assess the impact of the alternative solutions tested. As main outcomes of the PhD project, an overall dynamic simulation model for CHP-BDHS has been developed; this model is replicable and suitable for the detailed analysis of the energy and environmental performance high temperature BDHS and therefore it can support decision making of stakeholders for the evaluation of improving scenarios of existing BDHSs and for supporting the design of new ones.

La ricerca nasce nel quadro dei nuovi obiettivi e sfide per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili termiche in Italia. La ricerca di dottorato è stata sviluppata con il supporto di Innovhub e la collaborazione tecnica con Fiper ed è finalizzata ad indagare soluzioni tecniche per migliorare le prestazioni energetiche ed ambientali dei sistemi di teleriscaldamento a biomassa legnosa (BDHS), una pratica sporadica ma ben consolidata in Italia, soprattutto nelle regioni del nord. Una valutazione preliminare delle prestazioni energetiche e ambientali di questa tecnologia nel contesto italiano, effettuata nella prima fase del progetto di ricerca, ha evidenziato alcune criticità che ne ostacolano un'efficace diffusione ed evoluzione. Tuttavia, lo studio ha evidenziato anche un grande margine di miglioramento dal punto di vista tecnico, energetico e ambientale e la mancanza di un'adeguata politica nazionale che affronti la questione con un approccio olistico. Infatti, a causa degli attuali schemi di supporto, i BDHS, e in particolare i casi cogenerativi, tendono a dare la priorità alla produzione di elettricità, a discapito dell'efficienza termica, con l'obiettivo di massimizzare i profitti dalla vendita di elettricità alla rete nazionale. Dopo una fase preliminare di analisi del quadro tecnologico e dello stato dell'arte nazionale, sottolineando i pro e i contro esistenti e i possibili percorsi di evoluzione, è stato sviluppato tramite l’applicativo TRNSYS, un modello di simulazione dinamica su un caso studio rappresentativo del contesto italiano. Questa attività rappresenta il cuore della ricerca di dottorato. Dopo la fase di calibrazione e validazione, sono stati definiti e simulati diversi scenari di miglioramento al fine di testare diversi miglioramenti tecnologici per aumentare le prestazioni energetiche e ambientali dei sistemi esistenti. È stata realizzata anche un'analisi tecnico-economica per valutare l'impatto delle soluzioni alternative testate. Come risultato principale del progetto di dottorato, è stato sviluppato un modello di simulazione dinamica globale per CHP-BDHS; questo modello è replicabile e adatto per l'analisi dettagliata delle prestazioni energetiche e ambientali delle BDHS ad alta temperatura e quindi può supportare il processo decisionale delle parti interessate per la valutazione degli scenari di miglioramento delle BDHS esistenti e per supportare la progettazione di nuove.