ENERGIA DA BIOMASSE STUDI DI FATTIBILITA

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1 Corso ed aggiornamento professionale per Energy Managers ENERGIA DA BIOMASSE STUDI DI FATTIBILITA NAPOLI 29 ottobre 2010 Ing. Giacobbe BRACCIO ( enea.it ) Tel

2 Sintesi Caratteristiche energetiche Processi di conversione Tecnologie disponibile per produzione decentrata e cogenerativa Attività Enea 2

3 Biomasse Definizione: biomassa deve intendersi la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l acqua coltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. Direttiva comunitaria (Dir. 2009/28/CE) sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili, con il termine 3

4 Tipologia biomasse combustibili 4

5 Trasformazioni energetiche Biomassa TERMOCHIMICI BIOLOGICI ESTRAZIONE OLI combustione gassificazione pirolisi digestione anaerobica syn-gas fermentazione alcolica esterificazione CALORE bio-olio syn-gas carbone bio-gas etanolo biodiesel 5

6 Tecnologie mature per valorizzazione energetica biomasse Combustione diretta: impiegata quasi esclusivamente per la produzione di energia elettrica tramite impianti di potenza media intorno ai 5 10 MW rendimento elettrico del 20 25% e consumi specifici di biomassa di circa 1 1,4 kg/kwh trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose e bioetanolo da specie zuccherine e amidacee): tecnologie di produzione da colture agricole dedicate ormai consolidate, produzione in costante aumento produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali 6

7 TECNOLOGIE VICINE ALLA MATURITA Gassificazione biomassa: Il processo consiste nella trasformazione di un combustibile solido in combustibile gassoso i componenti combustibili presenti nel gas prodotto sono CO, H, idrocarburi; Le tecnologie più diffuse sono quella a letto fisso e quella a letto fluido, la ricerca è focalizzata allo sviluppo di processi di gassificazione finalizzati a produrre gas di qualità e basso contenuto di catrami, nonché a tutta le sezioni di purificazione. Altro interesse forte per la gassificazione è la produzione di combustibili liquidi sundiesel Produzione di bioetanolo da lignocellulosiche Tecnologie più distanti dalla maturità gassificazione per produzione di combustibili liquidi sun diesel Pirolisi delle biomasse per produzione di biolii 7

8 Proprietà delle biomasse residuali Tipo P.C.I. [MJ/kg] ss Densità [kg/m³] Densità energetica [GJ/m³] Dimensioni tipiche [ø mm] Ceneri Legno catasta ,4 9, ,1 3 Cippato ,1 4, ,1 3 Segatura ,6 3,5 0,1 0,5 0,1 3 Paglia di frumento 17, ,6 5, Stocchi di tabacco 17, , Potatura di olivo 17, , Lolla di riso ,6 1, Sansa esausta 19, ,6 8,4 0, [%] ss Potere calorifico di alcuni combustibili tradizionali [MJ/kg]: Gasolio 42 Gas naturale 48 Carbone 29 Idrogeno 120 8

9 Atlante sulle biomasse in Italia GIS Web Site Pruning Waste Productivity Forests Energy Crops Productivity (Herbaceous & oilseed) NW NE N NC C CE CW CS S SA SS S1 S Produzione (t ha-1) Arundo Miscanto Panico Cardo Sorgo Girasole Colza

10 Obiettivo UE per ITALIA Le fonti rinnovabili devono raggiungere almeno il 17% dei consumi finali di energia al 2020

11 PIANO DI AZIONE PER LE RINNOVABILI

12 Piano di azione nazionale per le energie rinnovabili BIOMASSE Elettricità 0,4 Mtep 1,8 Mtep 1,65 Mtep Riscaldameno / raffrescamento 5,5 Mtep Biofuels lordi 0,2 Mtep 2,5 Mtep 2,25 Mtep TOTALE BIOMASSE 9,8 Mtep 6,94 Mtep TOTALE FR x ob. 17% 22,3 Mtep

13 Piano di azione nazionale per l utilizzo l delle Biomasse di cui alla Direttiva 2009/28/CE ,4 Mtep Elettricità BIOMASSE ,80 Mtep Tot FR ,11 Mtep 1,65 Mtep Riscaldameno / raffrescamento 5,52 Mtep 9,52 Mtep Biofuels 0,2 Mtep 2,53 Mtep 2,91 Mtep 2,25 Mtep TOTALE BIOMASSE 9,85 Mtep 21,54 Mtep 6,94 Mtep Fonti Rinnovabili FR x ob. 17%

14 Piano di azione nazionale per l utilizzo l delle Biomasse di cui alla Direttiva 2009/28/CE TREND PREVISTO al 2020

15 UTILIZZO TERMICO DELLE BIOMASSE 15

16 La legna da ardere in pezzi E tradizionalmente la forma di legno a uso energetico più diffuso Potere calorifico kcal/kg (%U); Spesso e autoprodotta Costo: 8-15 /quintale). 16

17 USI TERMICI - Il legno cippato Legno vergine sminuzzato: residui delle potature boschive, agricole o urbane, sottoprodotti delle segherie e il legno proveniente da impianti di SRF. Potere calorifico kcal/kg (%U); Immagazzinabile in silos; Costo limitato (8-15 /quintale). 3 kg cippato = 1 litro gasolio = 1,23 Nmc CH4 17

18 Costo di esercizio relativo ai diversi combustibili (riferito al calore utile) 160,0 140,0 120,0 EURO/MWh 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 gasolio metano GPL legna cippato pellet 18

19 Italian Position Paper September 2007 Heating, cooling biofuels 19

20 Italian Position Paper September 2007 Electricity 20

21 Energia Elettrica da biomasse Aspetti Economici A differenza di altre fonti rinnovabili (eolico, solare) l energia non è gratuita. Tranne che per situazioni molto vantaggiose, in cui esiste una cospicua produzione locale, il costo totale del combustibile varia tra 2 5 c /kg. Con un rendimento del 25% il costo del kwh prodotto è all incirca uguale a quello convenzionale, senza contare ammortamento e manutenzione dell impianto. Il confronto economico è sfavorevole in quanto avviene con un combustibile defiscalizzato. La tecnologia deve essere adeguatamente supportata dal punto di vista economico (Certificati Verdi). 21

22 Limitazioni Consumo specifico di biomassa elevato per il basso rendimento elettrico (1 1,2 kg per kwh prodotto). Gestione dei flussi della materia prima complessa ed onerosa per potenze elevate (circa t/a per un impianto da 10 MWe con alto coefficiente di utilizzo). Rischi tecnici e finanziari molto elevati per grosse potenze (> 50 MWe); alto costo specifico di investimento e bassa efficienza per piccole potenze. Fattore di utilizzo reale molto basso per problemi tecnici e di disponibilità della materia prima L efficienza globale di conversione aumenta notevolmente con la cogenerazione, ma è richiesta un utenza termica relativamente vicina ed a carattere non stagionale. 22

23 Approvvigionamento delle biomasse Rappresenta sicuramente la problematica più critica. Le ragioni possono essere ricondotte a: stagionalità di alcuni prodotti presenti solo in alcuni periodi; incremento della domanda e competizione con altri settori (es.: industria del pannello truciolare); aumento del numero delle centrali a biomassa in aree relativamente vicine. Una centrale da 10 Mwe richiede ton/ss il che significa dedicata di ettari EFFETTO INDOTTO Utilizzo in alcuni casi nei grossi impianti di biomassa importata OCCORRE QUINDI Incentivare i piccoli impianti che utilizzano le biomasse possibilmente tecnologie ad alta efficienza locali utilizzando 23

24 Sintesi Impianti cogenerativi di piccola scala MCI a biocombustibili (biodiesel, bioetanolo, olii vegetali tal quali) MCI accoppiati a gassificatori o digestori Turbine a gas Cicli ORC (Oramat, turboden etcc.) Motori stirling Motori spilling etcc 24

25 Principio termodinamico: il Ciclo ORC Il turbogeneratore utilizza l olio diatermico ad alta temperatura per preriscaldare e vaporizzare un adatto fluido organico di lavoro nell evaporatore (8 3 4). Il vapore organico espande nella turbina (4 5), che è direttamente collegata al generatore elettrico attraverso un giunto elastico. Il vapore passa attraverso il rigeneratore (5 9) e in questo modo preriscalda il fluido organico (2 8). Il vapore viene poi condensato nel condensatore (raffreddato dall acqua di raffreddamento) (9 6 1). Il liquido organico viene infine pompato (1 2) nel rigeneratore e da qui nell evaporatore, completando così la sequenza di operazioni nel circuito chiuso. 25

26 CHP Reti di teleriscaldamento SENZA ORC BIOMASSA CALDAIA A BIOMASSA Acqua fredda Acqua calda UTENTE TERMICO Energia elettrica CON ORC BIOMASSA CALDAIA A BIOMASSA Olio diatermico Acqua calda ORC Acqua fredda UTENTE TERMICO 26

27 Impianto ORC prestazioni 100 % Energia termica dall olio diatermico 78% Calore ad utenze termiche 20 % Energia Elettrica alla rete 2 % Perdite termiche (irraggiamento e perdite del generatore) Efficienza elettrica netta: circa 20% Efficienza energetica totale: 98% 27

28 Ciclo ORC cogenerativo 28

29 Taglie Standard e prestazioni tipiche impianti CHP Fonte: Turboden Taglie Standard e prestazioni tipiche di impianti CHP (cogenerativi) TURBODEN 4 CHP TURBODEN 6 CHP TURBODEN 7 CHP TURBODEN 10 CHP TURBODEN 14 CHP TURBODEN 18 CHP TURBODEN 22 CHP INPUT Olio diatermico Temperatura Olio (in) C Temperatura Olio (out) C Potenza termica in ingresso kw OUTPUT Acqua Calda Temperatura Acqua Calda (entrata/uscita) C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90 Potenza Termica all Acqua (out) kw PRESTAZIONI Potenza elettrica attiva lorda kw Efficienza elettrica lorda 0,186 0,198 0,193 0,198 0,199 0,190 0,192 Autoconsumi elettrici kw Potenza elettrica attiva netta kw Efficienza elettrica netta 0,177 0,189 0,184 0,188 0,191 0,182 0,184 Generatore elettrico asincrono, trifase, B.T. 400V asincrono, trifase, B.T. 400V asincrono, trifase, B.T. 400V asincrono, trifase, B.T. 400V asincrono, trifase, B.T. 400V asincrono, trifase, B.T. 660V asincrono, trifase, B.T. 660V Configurazione impianto Single Skid Single Skid Single Skid Multiple Skid Multiple Skid Multiple Skid Multiple Skid Consumo Biomassa* Kg/h *Assumendo potere calorifico della biomassa = 2,6 kwh/kg ed efficienza della caldaia=0,80. La caldaia ad olio diatermico non è compresa nello scopo di fornitura Turboden. 29

30 Principali caratteristiche degli ORC Rendimento elettrico globale limitato al 15 20% per l assenza di surriscaldamenti e l utilizzo di una caldaia ad olio diatermico (efficienza dell 80 85%). Campo di applicazione tipico kw (in fase di sviluppo anche sistemi di piccolissima taglia). Compattezza (anche per l assenza del surriscaldatore). Flessibilità di funzionamento. Affidabilità, silenziosità e ridotta necessità di manutenzione. Possibilità di gestione da parte di personale non in possesso di abilitazioni specifiche (a differenza dei generatori di vapore). Costi intorno a 4 k per kwe nel caso di un ORC funzionante in cogenerazione. 30

31 CostidimassimaORC Pel Pt costo [kw] [kw] [k ] Fonte: Turboden 31

32 Energia elettrica da biomasse Tecnologie utilizzabili necessità annua biomassa (tonnellate) gassificazione a letto fisso downdraft con MCI combustione con turbina ORC gassificazione a doppio letto fluido con MCI combustione con turbina a vapore potenza alimentabile (kw) 32

33 Gassificazione biomassa 33

34 Elementi chiave I combustibili gassosi presentano notevoli vantaggi rispetto a quelli solidi: facilità di trasporto e distribuzione elevato rendimento di combustione minor tasso di emissione di inquinanti elevata temperatura di combustione con conseguente possibilità di alimentare cicli ad alta efficienza LIMITAZIONI: costi d impianto maggiori rispetto ai sistemi convenzionali complessità per applicazioni specifiche (produzione H 2 ) rischi tecnici e finanziari ancora elevati per applicazioni su larga scala 34

35 L agente di gassificazione aria: è la tecnologia più semplice ma il gas prodotto (gas di gasogeno) ha basso potere calorifico perché contiene una grande quantità di azoto che lo diluisce. ossigeno: l assenza di azoto consente di ottenere un vettore a medio potere calorifico vapore: è più economico dell ossigeno ed il gas ottenuto ha un contenuto di idrogeno superiore, ma il processo è endotermico. aria ossigeno vapore CO CO H CH N PCI (MJ/Nm³) PCI del gas naturale circa 35 MJ/Nm³ Un gas molto diluito non può essere trasportato su lunghe distanze Un gas con PCI < 7 MJ/Nm³ può causare un sensibile abbassamento del rendimento in motori e caldaie 35

36 Classificazione dei gassificatori pressione atmosferici pressurizzati equicorrente (down-draft) tipo di letto fisso controcorrente (up-draft) flusso traverso (cross-flow) bollente fluido circolante 36

37 LETTO FISSO Down-draft Equicorrente Updraft Controcorrente 200 C C 37

38 LETTO FLUIDO Bollente V=1 2 m/s Circolante V=>4 m/s 38

39 Applicazioni termiche Gassificatori termici Cofiring in centrali termoelettriche preesistenti sono già disponibili sul mercato vengono utilizzati per produrre gas per caldaia o centrale di teleriscaldamento numerosissimi sono gli impianti di piccola taglia operanti nei paesi in via di sviluppo (alimentazione di fornaci o essiccamento del tè) le tecnologie più usate sono quella a letto fisso updraft e quella a letto fluido circolante potenze installate fino a 40 MW è una tecnologia in grande sviluppo il gas viene usato come combustibile addizionale al carbone o gasolio date le elevate capacità, la tecnologia usata è quella a letto fluido 39

40 Generazione elettrica Gassificatori a letto fisso Gassificatori a letto fluido Gassificatori integrati in cicli combinati sono ad un buon livello di sviluppo vengono accoppiati con motori a combustione interna in genere con cogenerazione possono basarsi sia sulla tecnologia updraft sia su quella downdraft le potenze sono tipicamente inferiori a 1 MWe si tratta di un applicazione in fase di consolidamento tipicamente alimentano turbine a gas con produzione di calore combinata le potenze sono comprese tra 1 5 MWe sono ancora in fase di studio e validazione alimentano turbine a gas con ciclo a vapore in cascata ed eventuale cogenerazione le potenze attualmente non superano i 10 MWe ma un pieno sfruttamento si ottiene a taglie più elevate 40

41 Alcuni impianti industriali 41

42 Fluid Bed Gasifier Güessing Austria) 42

43 Two Stages Viking Gasifier at DTU (Denmark) Two-Stage Gasification Separated pyrolysis and gasification Tar conversion zone for pyrolysis gas - no tar in gas - nor in waste - high efficiency

44 Attività Enea 44

45 Impianti a letto fisso P= KWe PRODUCT GAS THERMOCOUPLE PRODUCT GAS BIOMASS CYLINDRICAL CHAMBER REFRACTORY WALL NOZZLE AIR COMBUSTION REDUCTION ZONE PRODUCT GAS Caratteristiche gas prodotto H2:10 15%; N2:44 53%; CH4:1 3%; CO:15 22%; CO2: 14 20% resa gas : PCI gas: 2,85 Nmc/kg 1260 Kcal/Nmc rendimento gassificazione: 0,85 rendimento motore: 0,21 rendimento totale: 0,18 consumo specifico: 1,17 kg/kwh 45

46 Impianto Steam gassification Reattore gassificazione a vapore, potenza 500 kwt. gassificatore a letto bollente con circolazione interna (FICFB) gas prodotto nitrogen free letto catalitico Characteristics of the gas Gaseous products without catalyst. With catalyst. dati sper. CO 2 CO 21 % vol 25 % vol 11 % vol 33 % vol 21 % vol 20 % vol CH 4 10 % vol 0 % vol 20 % vol Internamente ricircolato con separazione della zona di combustione da quella di gassificazione H 2 39 % vol 53 % vol N 2 3% 3% C 2 H 6, 2 % vol 0 % vol PCI 33 % vol 6 % vol 0.2 % vol KJ/Nmc 46

47 BIOCARBURANTI Obiettivi Comunitari: 20% di riduzione emissioni gas serra al % di incremento di efficienza energetica al % di copertura da rinnovabili del mix energetico primario al % di biocarburanti nei trasporti al 2020 (direttiva 17/12/2008 introduce il criterio di sostenibilità e calcolo sull effetto serra) 47

48 Italia Biocarburanti (Italian Position Paper september 2007) Carburanti per autotrazione, al 2020 consumo stimato 40 milioni di tonnellate al Per produrre 5,5 milioni di tonnellate necessarie per coprire il 10% dell energia equivalente da biocombustibili, sarebbe necessario dedicare una superficie agricola pari a 5 milioni di ettari, pari al 16,7% dell intera superficie territoriale del paese. L Italia ne potrebbe produrre al massimo tonnellate all anno, dedicando per questo scopo una superficie agricola di circa ettari (0,61 MTep). Ricorrere alle importazioni è dunque inevitabile se vogliamo raggiungere un tale ambizioso obiettivo 48

49 Italian Position Paper September 2007 biofuels 49

50 I processi per la trasformazione delle biomasse in biocombustibili liquidi Biomasse lignocellulosiche Pre-trattamento PROCESSI TERMO-CHIMICI Gassificazione Pirolisi Liquefazione diretta PROCESSI BIO-CHIMICI Idrolisi CO + H 2 BIO-OLIO OLIO F.Tropsch SUNDIESEL Colture zuccherine/amidacee Zuccheri bioetanolo Piante oleaginose Spremitura/estrazione Ing. Giacobbe Braccio Olio vegetale ENEA Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente Centro Ricerche TRISAIA SEZIONE BIOMASSE Trans-esterificazione 50

51 Produzione integrata di etanolo da biomasse 1000 kg (base secca, ceneri escl.) Materiale lignocellulosico 530 kg Foglie, fusto,etc cellulosa 220 kg 112 kg etanolo 210 kg etanolo altri zuccheri 190 kg 97 kg etanolo (R&D) lignina e al. 120 Granella 470 kg 290 kg amido 150 kg etanolo Da 1 ha coltivato a mais 4300 litri di etanolo (1650 da granella lignocellulosa) 51

52 IEA Status of Technologies Source: E4tech, 2009 BIOENERGY A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05

53 IEA Status of Biofuels 1. Fischer-Tropsch 2. Dimethylether BIOENERGY A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05

54 Tecnologie e servizi avanzati Sintesi servizi avanzati a supporto di iniziative industriali Analisi della disponibilità delle biomasse sul territorio nazionale Sviluppo processi per l ottenimento di syngas Sviluppo componenti innovativi per la pulizia del syngas Formulazione di syngas per la sintesi di biofuels di 2 a generazione Trattamenti termofisici di biomasse residuali per ottenimento biofuels e chemicals Caratterizzazione biomasse e biofuels mediante laboratori avanzati

55 Occupazione potenziale in Italia nel settore delle fonti rinnovabili al Biomasse Eolico Fotovoltaico Biogas Solare Termoelettrico Geotermia Idroelettrico RSU Altro Totale addetti Fonte IEFE

56 Per ulteriori informazioni AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE SEZIONE BIOMASSE Centro Ricerche TRISAIA Ing. Giacobbe Braccio ENEA AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE SEZIONE BIOMASSE 56